2017年國外航天運輸系統發展綜述

2017年，航天運輸系統的研發和技術進步達到新高潮，政府主導的重型火箭仍在持續推進，各國積極推進新一代大中型火箭的研製並重視降低成本提高競爭力，新興公司的多個小型運載火箭取得重要進展，垂直起降重複使用火箭實現應用，新技術在行業中得到推廣應用。

1 重型火箭研製進度滯後，凸顯技術難度之高及經費需求規模之大

2017年12月底，美國總統特朗普簽署新版國家航天政策指令，確定重返月球戰略，進一步明確了深空探索的戰略。但是，「航天發射系統」（SLS）重型火箭的進度卻並不樂觀，美國國家航空航天局（NASA）在2017年底宣布SLS首飛時間至少要推遲至2019年12月。具體原因包括：芯級氫箱和氧箱的焊接強度不足，臨時更換焊接方案導致進度推遲；首飛箭芯級錯過預定交付日期；儘管每年平均撥付預算接近19億美元，但隨著項目開展仍出現經費緊張的情況。不過，SLS的研製活動仍取得進展，包括完成芯級結構試驗樣機主要部件製造，完成首飛箭芯級主要結構的製造，對RS－25發動機進行了8次試車，完成部分發射設施升級改進等。但從SLS首飛計劃的推遲

可以看到，重型火箭的研製難度之高和經費需求規模之大。另外，同樣出於降低研製難度和縮減經費需求的目的，美國太空探索技術公司（SpaceX）降低了2016年提出的「星際運輸系統」（ITS）重型火箭的規模，將其直徑從12m降至9m，高度從122m降至106m，發動機數量也從51台降至37台，近地軌道運載能力從300t降低至150t。

SpaceX公司「星際運輸系統」

重型火箭的規模降低

俄羅斯則更是受制於經濟實力，沒有足夠的經費支撐全面開展重型火箭研製。俄羅斯能源火箭航天集團（RSC Energia）為得到政府支持，提出以聯盟－5（Soyuz－5）中型火箭為基礎的漸進式研製途徑，降低經費需求，但後續發展仍存在較高不確定性。上述方案以聯盟－5火箭一子級作為芯級，捆綁5枚「聯盟」一子級作為助推器，根據二三四子級的不同分為2種構型，近地軌道運載能力分別為108t和88t。為實現中型火箭向重型火箭的過渡，俄羅斯計劃研製一型捆綁2枚聯盟－5一子級的火箭，近地軌道運載能力為50t。

2 新一代大中型火箭取得重要進展，降低成本瞄準商業發射

「 火神」 （Vulcan） 、「 新格倫」 （New Glenn）、聯盟－5、阿里安－6（Ariane－6）、H－3等新一代大中型運載火箭，作為未來航天發射的主力火箭，在2017年都取得重要進展。由於商業發射需求增長，政府逐漸從投資分包研製轉向採購發射服務，新型火箭都以商業發射作為重要目標，通過優化工業流程、引入新技術、充分繼承等降低發射價格，提高競爭力。

聯合發射聯盟公司（ULA）選擇L3公司為其「火神」火箭提供電氣系統，「火神」火箭的兩型備選發動機—AR－1液氧/煤油發動機和BE－4液氧/甲烷發動機分別開展預燃器和發動機試車。藍色起源公司（Blue Origin）啟用位於肯尼迪航天中心的「新格倫」火箭製造廠房，在卡納維拉爾角空軍基地第36號發射台進行適應性改進和升級，並將火箭整流罩直徑從5.4m調整至7m。軌道-ATK公司公布其「下一代運載器」（Next Generation Launch System）的設計方案：包括500和500XL兩個系列，都為三級構型，一、二級為固體級，三子級為低溫氫氧級，地球同步轉移軌道的運載能力為5.25～8.5t。三家公司都提出，新型火箭既要面向政府發射需求，也要參與未來的商業發射競爭。

俄羅斯能源火箭航天集團提出聯盟－5的新方案，在2017年底通過初步設計評審，該方案一子級採用RD－171MV發動機、二子級採用RD－0124發動機、三子級採用Block DM系列上面級，全部都基於已有的型號和基礎，既能夠快速投入使用，又能夠大幅降低成本。俄羅斯表示現在已經具備聯盟－5製造能力，並在改建發射設施，2022年首飛。而其發射價格能夠降低至5500萬美元，希望能夠提高在商業市場上的競爭力。

歐洲的阿里安－6在2017年完成2次重要評審，驗證了火箭的技術特徵以及項目流程，已開始進行首飛火箭的製造。歐洲希望通過採用面向製造的設計方法、優化產業結構等方式，使阿里安－6火箭的發射價格降至現役阿里安－5火箭的50%～60%，單位載荷的發射價格甚至低於SpaceX公司的獵鷹－9（Falcon－9）火箭。

阿里安－6火箭概念圖

日本新一代大型火箭H－3主要在動力系統方面取得多項進展：完成LE－9主發動機和LE－5B－3上面級發動機裝配並開展試車，進行LE－9發動機渦輪泵試驗，對固體助推器SRB－3的全尺寸殼體進行強度試驗等。日本在H－3火箭的研製中強調降低成本，具體措施包括簡化設計、減少零部件數量、採用新工藝、繼承現有技術等，將H－3火箭的成本降至現役H－2A火箭的50%，即4430萬美元。同時，還要縮短H－3火箭發射周期，實現30天內發射2次，每年可執行10次發射任務，從而能夠爭取更多商業發射。

3 小型火箭受益於成熟技術和低門檻，多個新研型號取得階段成果

由於小型火箭規模小，技術和經費門檻相對較低，再加上行業人才和技術的積累，多個型號發展迅速，並在新技術應用方面大膽創新。

維珍-軌道公司（Virgin Oribit）為空射發射器－1（Launche r One）開展發動機試車、火箭加註和裝配試驗，完成波音747載機改裝並開展飛行驗證，預計2018年開始進行商業發射；向量空間系統公司（Vector Space System）完成2100萬美元的A輪融資，開始新工廠建設，並進行了2次向量－R（Vector－R）火箭的低空飛行試驗，預計2018年夏天進行首飛；火箭實驗室（Rocket Lab）獲得7500萬美元融資擴展產能，完成「電子」（Electron）火箭首飛；日本SS－520火箭在2017年初首飛，但因箭上線路故障導致發射失敗；西班牙零至無窮公司（Z2I）的氣球星小型火箭完成高空氣球發射試驗。發射器－1、向量－R和「電子」三型火箭在2017年共簽訂5份發射合同，總計15次發射任務，在火箭研製取得突破的同時，也得到了市場認可。

「電子」火箭首飛

此外，上述在研小型火箭在電動泵替換渦輪泵、複合材料替代金屬材料、飛機空射、氣球高空發射、3D列印等方面進行創新和嘗試，拓展了新技術在航天運輸系統中的應用。

4 垂直起降復用火箭走嚮應用，帶翼復用方案由軍方主導開展

SpaceX公司在2017年實現獵鷹－9火箭一子級復用，標誌著垂直起降復用技術從驗證階段走嚮應用，雖然還未公布復用火箭的成本能否有大幅度降低，但部分客戶主動提出願意採用復用火箭，說明復用火箭在價格上可能存在一定優勢。該公司全年18次發射，5次任務使用復用火箭，佔比接近1/3。另外，全年共有14次發射任務後進行一子級回收，並全部取得成功，也在很大程度上證明了其回收技術的穩定性。

商業火箭復用計劃取得進步的同時，美國國防高級研究計劃局（DARPA）的試驗性太空飛機－1（XS－1）帶翼水平返回重複使用飛行器也轉入新的研製階段。DARPA選擇波音公司（Boeing）的「鬼怪快車」（Phantom Express）設計方案，由波音公司作為該項目第二三階段的主承包商，並為其提供1.46億美元的研製經費。「鬼怪快車」採用太空梭主發動機，基於得到驗證的成熟技術，保證項目順利開展。第二階段要在2019年前完成技術驗證飛行器的設計、製造和地面試驗。第三階段從2020年開始進行飛行試驗，最終要以馬赫數Ma 為10的最高速度實現10天內飛行10次的目標，同時還要將400～1360kg的載荷送入軌道。XS－1之所以持續受到軍方重視，主要是因為其快速響應能力，而且該飛行器還可以作為高超聲速飛行試驗的平台。

「鬼怪快車」方案

5 太空旅遊方案拓展到月球空間，亞軌道太空旅遊飛行器即將投入商業運營

6 新技術應用，逐漸改變火箭研發製造

7 啟示

（略，更多內容詳見全文PDF）

來源：《國際太空》2018年第2期

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