2021年国外航天运输系统发展综述

2022-03-15龙雪丹杨开北京航天长征科技信息研究所

国际太空 2022年2期

龙雪丹杨开（北京航天长征科技信息研究所）

1伊朗在2021年6月和12月分别进行了一次发射，均告失败。但也有媒体猜测，伊朗在6月的发射是在11天内进行了两次发射，因未有足够证据，本文仍按一次计。

2021年，全球航天发射145次，完全成功133次，失败11次，部分成功1次，将超过1800个有效载荷和27名航天员送入轨道。其中，中国55次、美国51次、俄罗斯25次、欧洲6次、日本3次、印度2次、伊朗2次、韩国1次。中国在发射次数和完全成功率上均实现了对美俄的超越。“长征”系列火箭发射48次，猎鹰—9（Falcon—9）系列火箭发射31次，联盟—2（Soyuz—2）系列火箭发射22次，是本年度执行发射任务最多的3个火箭系列，执行任务数超过全球总发射数的70%。此外，伊朗“神鸟”（Simorgh）火箭失败2次，美国“电子”（Electron）KS火箭、火箭—3（Rocket—3）、萤火虫—阿尔法（Firefly Alpha）火箭各失败1次；印度地球同步卫星运载火箭-MK2（GSLV—MK2）发射失败；韩国罗老—2（KSLV—2）运载火箭首飞失败；中国双曲线一号火箭失败2次，快舟一号甲火箭失败1次。

1 军民发射需求主导，商业太空旅行成为热点

2021年国际发射需求主要来自军队和政府机构，此类发射占发射总数近70%。各国在军事航天领域持续加强卫星网络建设，以执行更有效的情报、监视和侦察（ISR）任务，强调发射通信卫星以提高数据传输能力，加强战术通信系统、战术数据链建设，提高现代以网络为中心的作战能力，发展先进卫星通信。另一方面，近年来政府和各种基金会对教育类民用卫星研究提供的资金支持大幅增长，大学、高中等教育机构的小卫星发射数量也在快速增长。美国太空探索技术公司（SpaceX）、俄罗斯航天国家集团（ROSCOSMOS）、阿里安公司（Ariane）、诺格公司（NG）、联合发射联盟公司（ULA）是商业发射的主要参与者，“星链”（Starlink）和“一网”（OneWeb）等大型低轨互联网星座的发射需求占商业发射总数的2/3。

2021年被称为“太空旅行元年”。美国的3家私营航天企业，包括蓝源公司（Blue Origin）、维珍银河公司（Virgin Galactic）和SpaceX公司都在太空旅行方面有所突破。7月11日，维珍银河公司创始人、71岁的理查德·布兰森搭乘太空船二号（SpaceShip Two）成功完成了一次亚轨道飞行，成为第一个被送入太空的亿万富翁，飞行高度约85km。7月20日，贝索斯搭乘自家公司的“新谢泼德”（New Shepard）亚轨道飞行器成功飞入太空，飞行高度达106km。9月15日，SpaceX公司的“激励4”（Inspiration4）任务成功将4名太空旅客送入轨道，将太空旅行的高度推至约590km的近地轨道（LEO），实现了航天商业化的重要里程碑。到目前为止，维珍银河公司的亚轨道太空旅游服务已有600多人预订了票价在20万～25万美元之间的门票。SpaceX公司也获得了包括公理—1（Ax—1）和“亲爱的月亮”（Dear Moon）等私人太空旅行合同。在“激励4”任务之后，就私人太空旅行问题向SpaceX公司咨询的人数显著增加。据透露，SpaceX公司已为3年后的任务进行谈判，需求可能会超过SpaceX公司能够提供的太空旅行机会。

维珍银河公司的太空船二号（来源：维珍银河公司）

SpaceX公司的“激励4”任务乘员（来源：SpaceX公司）

2 月球和深空将成未来角逐焦点，美俄发展差异显著

美国继续推进“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划，瞄准2025年载人重返月球，并为未来载人登火铺路。而俄罗斯的载人深空探索则更多面向月球，原计划在2030年实现载人登陆月球。

2021年，美国继续在国际上争取空间探测规则的主导权，波兰、墨西哥等国加入“阿尔忒弥斯”协定（Artemis Accords），签约国增至14个。美国进一步鼓励商业力量主导技术创新，在“阿尔忒弥斯”计划下授出2份月球“载人着陆系统”（HLS）方案研究合同。第一阶段合同由SpaceX公司获得，合同价值28.9亿美元，用于研制“星舰”（Starship）月球着陆系统；第二阶段由5家公司分获总价值1.46亿美元合同，用于研究未来月球着陆系统方案。同时，美国国家航空航天局（NASA）积极推进“航天发射系统”（SLS）重型运载火箭项目，完成SLS火箭的设计认证审查，火箭技术成熟性可满足阿尔忒弥斯—1无人绕月任务要求，并认证了火箭的可靠性、安全性和生产质量；NASA完成了SLS芯级地面长程点火试车，以及首飞箭和“猎户座”（Orion）飞船的总装，有望在2022年初实现首飞。另外，NASA也在积极推进后续任务所需的系统组件的生产制造工作。但因受到蓝源公司等对第一阶段HLS合同分配结果的起诉，该计划被迫停滞近七个月的时间，导致阿尔忒弥斯—2任务（即首次载人登月任务）由2024年推迟至2025年。为配合“阿尔忒弥斯”计划，SpaceX公司正在积极推进“超重-星舰”（Superheavy Starship）的研制工作。2021年，其“星舰”飞船级验证机连续多次实现了10km级高空试飞，利用SN15星舰原型机首次在10km高空试飞中实现软着陆，B4超重火箭级和S20星舰飞船级原型机完成了一次对接，计划2022年初进行首次入轨飞行试验。

B4超重火箭级和S20星舰飞船级原型机对接（来源：SpaceX公司）

俄罗斯方面则对探月计划进行了调整，提出利用4枚安加拉—A5V（Angara—A5V）火箭替代原计划的重型火箭实现载人登月的方案，同时暂停了“叶尼塞”（Yenisei）重型火箭的研制工作。安加拉—A5V火箭在安加拉—A5的基础上使用新的氢氧上面级使近地轨道运载能力提升至37.5t，地球同步轨道运载能力提升至8t。由于缺乏资金，安加拉—A5V的研发实际上处于停滞状态。“叶尼塞”重型火箭基于联盟—5和联盟—6中型火箭捆绑设计，其设计工作此前一直处于技术建议书阶段，项目被暂停也主要是因为俄罗斯研发经费不足。

3 疫情影响与技术问题交织，主力火箭更新换代推后

各航天大国计划在21世纪20年代中期实现现役主力火箭的更新换代。随着时间节点的临近，各国下一代主力运载火箭的研发工作更加紧迫。

美国ULA公司计划利用“火神”（Vulcan）火箭逐步替代德尔他—4H（Delta—4H）和宇宙神—5 （Atlas—5）火箭，德尔他—4H仅余3次发射，而宇宙神—5计划再完成30多次任务后退役。“火神”火箭项目在2021年完成了芯级的射前演练，验收了首飞箭的上面级发动机。“火神”火箭的前两次任务原计划是在2021年第4季度发射太空机器人技术公司（Astrobotic Technology）月球着陆器和2022年发射内华达山脉公司（SNC）“追梦者”（Dream Chaser）货运飞船。但由于蓝源公司BE—4液氧/甲烷发动机的点火器和火箭性能相关技术问题，研制进度严重滞后，“火神”火箭首飞已经推迟至2022年。由于首飞任务推迟，“火神”火箭可能无法按计划取得美国国家安全航天发射任务资格，原定在2022年底由“火神”火箭发射的美国空军USSF—51任务将改由宇宙神—5火箭发射。

“火神”火箭芯级试验件（来源：ULA）

美国蓝源公司在竞争“国家安全航天发射”计划（NSSL）第二阶段的发射服务采购落选后，仍在开展“新格伦”（New Glenn）火箭的研制工作，但首飞时间由2020年推迟至2022年。2021年，蓝源公司完成了新格伦火箭一子级模拟试验件。该模拟试验件未安装BE—4发动机，准备用于地面操作演练，包括从火箭制造厂到LC—36发射设施的运输过程。

“新格伦”一级模拟件（来源：蓝源公司）

俄罗斯重点推进联盟—5中型运载火箭的研制工作，完成一子级贮箱静压试验，验证新型1580铝合金及其制造工艺，基于成熟发动机改进的RD—171MV和RD—0124MS成功进行多轮地面试车，联盟—5火箭瞄准2023年进行首飞。基于RD—181MV的联盟—6火箭项目研制暂停。阿穆尔—SPG（Amur—SPG）重复使用两级型中型火箭结构改用复合材料，其主动力RD—0169液氧甲烷发动机将在2023年底交付。

欧洲阿里安—6研制受新冠疫情影响严重，加之低温脐带臂出现技术问题，发射工位直到2021年10月才完工交付，首飞至少推迟至2022年第4季度。欧洲还在推动“福玻斯”复合材料低温上面级和“阿斯特里斯”常温变轨级，前者将通过大幅降低结构质量提高阿里安—6火箭运载能力，后者将扩展阿里安—6火箭任务适应性。

日本在研的新一代H—3主力火箭，因一子级采用的开式膨胀循环大推力LE—9氢氧发动机在试车过程中暴露出方案中的薄弱环节，燃烧室和涡轮泵组件出现裂纹。尽管日本完成H—3火箭射前全流程的发射演练，但是由于LE—9发动机技术问题，H—3首飞仍推迟至2022年。

4 商业太空竞争持续发展，新研小火箭陆续首飞

随着商业小卫星制造、发射需求的旺盛，小运载市场的发展保持强势，但同时也遭遇多次失利，商业火箭的风险仍比较高。

美国“电子”火箭在商业小运载领域处于领跑地位。2021年，共完成3次发射任务，其中5月15日在新西兰进行的发射未能实现入轨，原因是二子级发动机点火器系统故障。美国维珍轨道公司的发射器—1（LauncherOne）实现首次入轨和首次应用发射，为美国国防部“快速敏捷发射倡议”（RALI）部署4颗立方体卫星。美国萤火虫航天公司（Firefly Aerospace）“阿尔法”（Alpha）小型火箭的首次入轨发射试验失败，因一子级发动机故障，在起飞2.5min后失控并发生翻滚，随即触发自毁系统，在高空爆炸解体。美国阿斯特拉公司（Astra）研制的火箭—3在3次试飞失败后，终于在2021年12月的第4次发射任务中成功将载荷部署到预定轨道。

“阿尔法”小型火箭首次入轨发射试验失败（来源：萤火虫宇航公司）

阿斯特拉公司的火箭—3小型运载火箭（来源：阿斯特拉公司）

欧洲航天局（ESA）在研织女星—C （Vega—C）小型固体火箭原计划2019年首飞，由于疫情影响以及织女星火箭在2019年和2020年的发射失利，首飞时间已推迟至2022年。2021年ESA向意大利艾维欧公司（Avio）提供1.188亿欧元经费用于推进织女星—E火箭的研制工作。织女星—E是织女星—C火箭的改进型号，将用液氧/甲烷三子级替代织女星—C的固体三子级和常温四子级，大幅提升性能。

2021年10月，韩国首个完全自主研制的KSLV—2小型火箭首飞，但因为阀门或传感器故障引起上面级液氧贮箱压力下降，导致上面级发动机提前关机，未能将载荷送入预定轨道，发射遭遇失利。

印度在研的固体小运载“小型卫星运载火箭”（SSLV）在2021年3月18日的一级发动机热试车中，试验开始后60s出现振动，大约95s时，喷管与发动机相连的法兰附近发生爆炸。受此次事故影响，该型号首飞时间由原计划的2021年4月延后至2022年。

除上述小火箭外，还有众多商业小火箭不断涌现。如，美国Launcher公司正在研制“轻型运载器”（Launcher Light），性能与火箭实验室公司（RocketLab）的“电子”小火箭相近。一子级采用1台E—2发动机，二子级采用真空型E—2发动机。预计2024年开始试飞、2026年开始商业服务。英国轨道发射快递公司（Orbex）正在研制“一流”（Prime）两级小型运载火箭，采用3D打印火箭发动机，近地轨道运载能力为150kg，计划2022年首飞。英国天空曙光公司（Skyrora）正在研制天空曙光—XL（Skyrora XL）小型运载火箭，太阳同步轨道（SSO）运载能力为315kg，同样计划2022年首飞。欧洲伊萨宇航公司（Isar Aerospace）正在研制光谱小型火箭，采用液氧和烃基燃料作为推进剂，太阳同步轨道运载能力为700kg，瞄准2022年首飞。奥格斯堡火箭工厂公司（Rocket Factory Augsburg）正在设计RFA—1小型火箭，300km太阳同步轨道运载能力为1300kg，发射费用为300万欧元。混冲技术公司（HyImpulse Technologies）正在研制三级SL1火箭，采用固液混合火箭发动机，近地轨道运载能力为500kg。美国蓝移宇航公司（BluShift Aerospace）计划研制近地轨道运载能力为30kg的“红矮星”（Red Dwarf）小火箭，计划不早于2024年首飞。

5 垂直起降重复使用技术再进步，“超重—星舰”采用新回收方案

2021年，SpaceX公司在重复使用技术方面取得重要进展。利用编号为B1051的火箭一子级创下了11次飞行、11次回收的纪录，具有里程碑意义。该公司计划未来猎鹰—9复用助推级可进行20次甚至30次飞行。另外，值得一提的是，SpaceX公司将重复使用技术应用于载人发射。4月23日，利用猎鹰—9执行NASA商业载人运输计划下的第二次正式飞行任务，任务代号乘员—2（Crew—2），搭载4名乘员，抵达国际空间站。乘员—2采用了复用的飞船和火箭一子级。此外，SpaceX公司在研的“超重—星舰”正在探索新的回收方案，“超重”火箭级计划采用基于发射架的解决方案来实现回收。用发射架臂抓住超重火箭级，用栅格舵来承受载荷。SpaceX公司对重复使用技术的积极探索，极大地影响着运载火箭行业的发展。下一代新型火箭在论证中大多考虑了经济性与重复使用性，如美国的“火神”火箭、“新格伦”火箭、俄罗斯的“阿穆尔”火箭。