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2022年國(guó)外航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展綜述

 小飛俠cawdbof0 2023-05-02 發(fā)布于北京


轉(zhuǎn)自:國(guó)際太空,來(lái)源于《國(guó)際太空》2023年第2期

作者:楊開(kāi)

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2022年,世界航天發(fā)射次數(shù)再創(chuàng)新高,達(dá)到186次,打破2021年146次的發(fā)射記錄。其中,178次成功,1次部分成功,7次失敗,成功率達(dá)到95.7%。美國(guó)、中國(guó)、俄羅斯發(fā)射次數(shù)位居前三,分別為87次、64次和22次。其中,3個(gè)型號(hào)系列發(fā)射次數(shù)超過(guò)10次,“獵鷹”(Falcon)系列61次、“長(zhǎng)征”系列53次、聯(lián)盟-2(Soyuz-2)系列19次。

2022年,全球發(fā)射載荷數(shù)量約2500個(gè)左右,發(fā)射總質(zhì)量超過(guò)1000t。相比2021年,載荷數(shù)量增幅約為35%,發(fā)射總質(zhì)量增幅約為25%。其中,“星鏈”(Starlink)星座發(fā)射任務(wù)占比最高,在34次發(fā)射任務(wù)中“星鏈”衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量超過(guò)1700顆,約占發(fā)射載荷總數(shù)的69%,而“星鏈”衛(wèi)星發(fā)射總質(zhì)量約占全球發(fā)射總質(zhì)量的49%。

1 美SLS重型火箭完成首飛,航天探索邁向深空時(shí)代


     


美國(guó)“航天發(fā)射系統(tǒng)”(SLS)重型火箭成功進(jìn)行首飛,盡管射前測(cè)試和發(fā)射準(zhǔn)備過(guò)程一波三折,推進(jìn)劑加注多次遭遇故障,發(fā)射時(shí)間不斷推遲,但在排除主要問(wèn)題后,SLS在2022年11月16日成功完成首飛,將“獵戶座”(Orion)飛船送入奔月軌道。在開(kāi)展首飛任務(wù)的同時(shí),美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)還在推進(jìn)SLS重型火箭的后續(xù)任務(wù),持續(xù)開(kāi)展芯級(jí)主發(fā)動(dòng)RS-25的地面試車(chē),推動(dòng)后續(xù)火箭制造裝配,第二枚SLS的主要箭體部段已基本完工,即將運(yùn)往發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行裝配。另外,NASA在7月發(fā)布了“探索生產(chǎn)與運(yùn)營(yíng)合同”(EPOC)的預(yù)招標(biāo)公告,計(jì)劃由波音公司(Boeing)和諾格公司(NG)組建“深空運(yùn)輸公司”(Deep Space Transport),負(fù)責(zé)SLS制造、試驗(yàn)、運(yùn)輸和發(fā)射的全流程,將目前采購(gòu)硬件的模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴少?gòu)服務(wù)的模式,試圖降低項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)成本,實(shí)現(xiàn)深空探索活動(dòng)的可持續(xù)發(fā)展。

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SLS首飛箭在發(fā)射臺(tái)(來(lái)源:NASA)

在SLS首飛之際,太空探索技術(shù)公司(SpaceX)持續(xù)快速迭代改進(jìn)超重-星艦(Super-Heavy Starship)方案,堅(jiān)持小步快跑的方式,逐步開(kāi)展多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合試車(chē),同時(shí)SpaceX也從美國(guó)政府取得了發(fā)射許可,有望在2023年初實(shí)現(xiàn)首次入軌飛行試驗(yàn)。改進(jìn)之后猛禽-2(Raptor-2)發(fā)動(dòng)機(jī)性能大幅提升,燃燒室壓力達(dá)到30MPa,推力從180t提升至230t。盡管2022年猛禽-2出現(xiàn)多次試車(chē)事故,但是每周7臺(tái)的高產(chǎn)能卻足以支撐其快速改進(jìn)和優(yōu)化。

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超重-星艦S24樣機(jī)在星基地試車(chē)(來(lái)源:SpaceX)

與此同時(shí),NASA咨詢委員會(huì)在“'阿爾忒彌斯’(Artemis)任務(wù)概述”中明確2031年前將有7次SLS重型火箭發(fā)射任務(wù)以及至少2次超重-星艦發(fā)射,而NASA的新版“月球到火星目標(biāo)”和歐洲航天局(ESA)的“新世界”空間探索路線圖(Terrae Novae 2030+ Strategy Roadmap)則使得深空探索路徑更加清晰,核動(dòng)力、空間運(yùn)輸、在軌低溫流體管理等新技術(shù)也備受關(guān)注。美國(guó)“阿爾忒彌斯協(xié)定”(Artemis Accord)簽約國(guó)擴(kuò)展到22個(gè),美國(guó)將聯(lián)合歐洲、日本等國(guó)家,以SLS重型火箭為探索深空的主要力量,以完全重復(fù)使用且運(yùn)載能力超百噸的超重-星艦新型運(yùn)輸系統(tǒng)謀求低成本深空往返能力,將航天探索推向深空。

2 航天發(fā)射“航班化”運(yùn)營(yíng)初現(xiàn)端倪,復(fù)用技術(shù)或?qū)⒊蔀樾滦突鸺龢?biāo)配


     


SpaceX公司全年利用3個(gè)發(fā)射工位完成60次獵鷹-9(Falcon-9)火箭發(fā)射,平均每周發(fā)射超過(guò)1次,且全部取得成功。在60次發(fā)射任務(wù)中:58次進(jìn)行一子級(jí)回收全部成功,另外2次因發(fā)射軌道需求以及子級(jí)復(fù)用接近上限而放棄回收;僅使用4枚新制造一子級(jí),其余56次發(fā)射任務(wù)均采用復(fù)用一子級(jí);B1058一子級(jí)突破15次的最大復(fù)用次數(shù);B1062一子級(jí)創(chuàng)下21天的最短復(fù)用間隔;一子級(jí)平均復(fù)用間隔為94天。上述數(shù)據(jù)不僅表明獵鷹-9火箭的垂直起降復(fù)用技術(shù)愈發(fā)成熟,而且也初步顯現(xiàn)出類(lèi)似航班化運(yùn)營(yíng)的模式,新制造的硬件越來(lái)越少、復(fù)用次數(shù)越來(lái)越多、復(fù)用周期和間隔越來(lái)越短,檢測(cè)維護(hù)投入更多。SpaceX公司更關(guān)注復(fù)用準(zhǔn)則的探索,通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證重要部件的疲勞壽命能覆蓋4倍于15次飛行任務(wù)的工作時(shí)長(zhǎng),建立三個(gè)級(jí)別復(fù)用檢測(cè)維護(hù)準(zhǔn)則,即每次任務(wù)后都進(jìn)行的A級(jí)檢測(cè)、執(zhí)行6-7次飛行任務(wù)后的B級(jí)定期維修、發(fā)射次數(shù)最多(13次以上)和執(zhí)行載人任務(wù)需進(jìn)行C級(jí)徹底維護(hù)。

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“獵鷹”火箭兩枚助推器同時(shí)返回著陸(來(lái)源:SpaceX)

由于獵鷹-9在重復(fù)使用技術(shù)上的成功和突破,顯著降低了發(fā)射價(jià)格,極大提升了火箭發(fā)射頻率,并以此占據(jù)了大量的市場(chǎng)份額,迫使其他主流火箭也轉(zhuǎn)向重復(fù)使用技術(shù)。聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司(ULA)在“火神”(Vulcan)火箭上堅(jiān)持采用發(fā)動(dòng)機(jī)部段傘降回收的方案,且為提高回收效率、降低操作成本,2022年將直升機(jī)空中捕獲環(huán)節(jié)取消,直接傘降到海上打撈回收,其傘降回收方案采用的充氣式超聲速減速裝置也在宇宙神-5(Atlas-5)火箭11月的發(fā)射任務(wù)中成功得到驗(yàn)證。歐洲政府機(jī)構(gòu)和工業(yè)部門(mén)也都在積極重復(fù)使用技術(shù),歐盟委員會(huì)和歐洲航天局都為“普羅米修斯”(Prometheus)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)和“塞米斯”(Themis)垂直起降驗(yàn)證機(jī)投資;阿里安集團(tuán)(ArianeGroup)成立馬伊亞航天公司(Maiaspace),專注于小型垂直起降重復(fù)使用火箭研制;阿里安集團(tuán)在國(guó)際宇航聯(lián)大會(huì)上提出“蘇西”(Susie)重復(fù)使用軌道飛行器,以及阿里安-6(Ariane-6)后續(xù)向垂直起降重復(fù)使用方案發(fā)展的總體路徑,兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)完全重復(fù)使用的航天運(yùn)輸系統(tǒng)。日本也在和歐洲合作開(kāi)展克里斯托垂直起降驗(yàn)證項(xiàng)目,計(jì)劃在H3未來(lái)改進(jìn)和演進(jìn)構(gòu)型中引入重復(fù)使用技術(shù)。俄羅斯再次提出為安加拉-A5(Angara-A5)火箭采用集束式回收的方案,后續(xù)也可能實(shí)現(xiàn)助推器和芯一級(jí)的回收復(fù)用。

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“蘇西”重復(fù)使用軌道飛行器(來(lái)源:阿里安集團(tuán))

除了主力型號(hào)外,美國(guó)火箭實(shí)驗(yàn)室(Rocket Lab)的“電子”(Electron)傘降回收一子級(jí)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)空中捕獲的突破,雖然還沒(méi)能完全將硬件帶回,但已經(jīng)對(duì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證。火箭實(shí)驗(yàn)室再度公布復(fù)用“中子”(Neutron)火箭詳細(xì)方案,具有固定式著陸支架充當(dāng)發(fā)射支撐、整流罩與一子級(jí)連接且同時(shí)回收等特點(diǎn)。相對(duì)論航天公司(Relativity Space)的地球人-R(Terran-R)重復(fù)使用運(yùn)載火箭項(xiàng)目在2022年已經(jīng)啟動(dòng)了復(fù)用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)工作,盡管地球人-1小火箭仍未首飛,但該公司很可能會(huì)快速轉(zhuǎn)換到新的重復(fù)使用中型火箭上。

3 現(xiàn)役主力火箭庫(kù)存即將用盡,新型號(hào)研制推遲對(duì)更新?lián)Q代產(chǎn)生影響


     


國(guó)外現(xiàn)役主力火箭正在完成最后的任務(wù),庫(kù)存數(shù)量都已經(jīng)明確。根據(jù)美國(guó)國(guó)會(huì)要求,采用俄羅斯RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)的宇宙神-5火箭在2022年后將不能用于國(guó)家安全發(fā)射任務(wù),剩余的20枚宇宙神-5火箭將主要用于商業(yè)發(fā)射任務(wù),即亞馬遜公司的“柯依伯”(Kuiper)低軌衛(wèi)星星座建設(shè)。聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司的德?tīng)査?H(Delta-4H)火箭還剩余2次發(fā)射任務(wù),將在2024年正式退役。俄羅斯質(zhì)子-M(Proton-M)火箭的制造在2022年結(jié)束,在退役之前還有13枚火箭可供使用。歐洲的阿里安-5(Ariane-5)火箭在2022年完成3次發(fā)射任務(wù)后,僅剩余2枚可供使用。

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宇宙神-5火箭發(fā)射(來(lái)源:ULA)

然而,國(guó)外新型主力運(yùn)載火箭都遭遇比較嚴(yán)重的推遲情況,原本計(jì)劃2020年前后啟動(dòng)的新老主力型號(hào)更新?lián)Q代,都推遲到了2023年或之后。聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司用于替代宇宙神-5和德?tīng)査?H的“火神”火箭因BE-4液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)研制不順利,以及上面級(jí)制造等問(wèn)題,已經(jīng)將首飛推遲到2023年第一季度,而要實(shí)現(xiàn)2023年執(zhí)行美國(guó)國(guó)家安全發(fā)射任務(wù)的目標(biāo),該火箭還需要先完成2次飛行任務(wù)來(lái)證明其可靠性。俄羅斯的新型安加拉-A5火箭已經(jīng)完成了3次試驗(yàn)飛行任務(wù),但在2021年底的第三次發(fā)射任務(wù)中遭遇失利,未來(lái)接替質(zhì)子號(hào)-M的時(shí)間仍未可知。俄羅斯的新型聯(lián)盟-5(Soyuz-5)火箭大量采用成熟技術(shù),2022年完成RD-171MV主發(fā)動(dòng)機(jī)鑒定,RD-0124MS試車(chē)創(chuàng)下該型發(fā)動(dòng)機(jī)最高比沖記錄,箭體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)穩(wěn)步推進(jìn),但是首飛瞄準(zhǔn)2024年,也存在較大不確定性。歐洲在2022年啟動(dòng)了阿里安-6火箭在新發(fā)射工位的靶場(chǎng)合練,解決了低溫臍帶臂的技術(shù)問(wèn)題,但是首飛時(shí)間再推遲到2023年四季度,很可能和阿里安-5火箭之間產(chǎn)生空窗期。日本因H3火箭芯一級(jí)LE-9主發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵和燃燒室設(shè)計(jì)問(wèn)題,花費(fèi)兩年多時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)更改和地面試車(chē)鑒定后,2022年11月在發(fā)射臺(tái)完成首飛箭的射前靜態(tài)點(diǎn)火試車(chē)。(2023年2月17日,H3火箭首飛失利?!幷咦ⅲ?/p>

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阿里安-6地面合練箭完成總裝(來(lái)源:ESA)

盡管?chē)?guó)外主力型號(hào)的改進(jìn)升級(jí)均有較好的研制基礎(chǔ),但是新型發(fā)動(dòng)機(jī)、新發(fā)射設(shè)施等新方案和新技術(shù)的引進(jìn)仍造成了很多問(wèn)題,導(dǎo)致首飛時(shí)間不斷推遲,對(duì)更新?lián)Q代產(chǎn)生了比較嚴(yán)重的影響,也在很大程度上說(shuō)明火箭研制的難度和風(fēng)險(xiǎn)。

4 商業(yè)航天過(guò)于追求低成本,小型火箭遭遇多次失利


     


2022年,國(guó)內(nèi)外共出現(xiàn)8次失利或部分成功的情況,全部都是小型運(yùn)載火箭。美國(guó)創(chuàng)企阿斯特拉航天公司(Astra Space)的火箭-3(Rocket-3)在2022年連續(xù)遭遇2次失利,從2020年首飛以來(lái)7次發(fā)射5次失利,盡管以795萬(wàn)美元3次發(fā)射的低價(jià)獲得NASA合同,但可靠性和成功率極低,遠(yuǎn)未達(dá)到以極高頻率發(fā)射帶動(dòng)火箭批產(chǎn)而降低成本的目標(biāo),加之火箭運(yùn)載能力太低,該公司被迫改變發(fā)展路線,宣稱研制運(yùn)載能力更大的火箭-4(Rocket-4)。但公司股價(jià)已經(jīng)跌破1美元,面臨退市風(fēng)險(xiǎn),發(fā)展前景堪憂。印度“小型衛(wèi)星運(yùn)載火箭”(SSLV)同樣以推動(dòng)本國(guó)商業(yè)航天發(fā)展為目標(biāo),報(bào)價(jià)380-440萬(wàn)美元,但首飛因飛控系統(tǒng)判斷邏輯和加速度傳感器故障遭遇失利。美國(guó)螢火蟲(chóng)航天公司(Firefly Aerospace)的“螢火蟲(chóng)阿爾法”(Firefly Alpha)火箭在2021年首飛失利后,2022年第二次發(fā)射也未能將載荷送入預(yù)定軌道,只取得部分成功。顯然,在商業(yè)航天快速發(fā)展的時(shí)代背景下,過(guò)于追求低成本,一定程度上忽視了航天發(fā)射活動(dòng)的高風(fēng)險(xiǎn)性,勢(shì)必對(duì)可靠性產(chǎn)生不利影響。

另外,歐洲織女星-C(Vega-C)火箭首飛成功(但第二次發(fā)射遭遇失利),韓國(guó)航天運(yùn)載火箭-Ⅱ(KSLV-Ⅱ)第二次發(fā)射取得成功破解首飛失利的困境,美國(guó)RS1和地球人-21火箭,歐洲的奧格斯堡火箭工廠一號(hào)(RFA-1)、“光譜”(Spectrum)、“一流”(Prime)等多個(gè)小型火箭也將在2023年首飛,近年來(lái)的小火箭發(fā)展熱潮正在孕育出更多新型號(hào)。但是以火箭-3連續(xù)遭遇2次失利的典型情況,更能代表小型火箭發(fā)展所面臨的困境,所以火箭實(shí)驗(yàn)室、相對(duì)論航天等公司都提出了重復(fù)使用的大中型火箭研制計(jì)劃,在發(fā)展路線和火箭構(gòu)型上非常類(lèi)似于SpaceX公司先發(fā)展獵鷹-1小火箭、再發(fā)展多發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)的重復(fù)使用獵鷹-9火箭,小型火箭成為驗(yàn)證商業(yè)公司火箭研發(fā)能力的試驗(yàn)田。

5 俄航天反制裁措施效果顯著,凸顯自主進(jìn)入空間能力價(jià)值


     


2022年俄烏間爆發(fā)戰(zhàn)爭(zhēng)沖突,美歐對(duì)俄羅斯發(fā)起嚴(yán)格的政治經(jīng)濟(jì)制裁,俄羅斯在航天優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域進(jìn)行了有效的反制,特別是運(yùn)載火箭及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)合作項(xiàng)目上的反制,給美國(guó)和歐洲產(chǎn)生重要影響。

首先,俄羅斯停止與歐洲航天局在圭亞那航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射聯(lián)盟-ST火箭的合作項(xiàng)目,歐洲各國(guó)政府及相關(guān)機(jī)構(gòu)的重要載荷,例如“伽利略”(Galileo)導(dǎo)航衛(wèi)星、法國(guó)“光學(xué)空間組件”(CSO)偵查衛(wèi)星等發(fā)射任務(wù)受到嚴(yán)重影響,歐洲不得不向美國(guó)SpaceX公司尋求發(fā)射機(jī)會(huì)。

其次,俄羅斯不再用聯(lián)盟-2火箭為英國(guó)一網(wǎng)公司(Oneweb)提供發(fā)射服務(wù),歐洲阿里安航天公司(Arianespace)與一網(wǎng)公司的剩余6次發(fā)射任務(wù)面臨違約賠償,一網(wǎng)公司則被迫向競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手SpaceX公司以及印度尋求發(fā)射機(jī)會(huì),發(fā)射其剩余衛(wèi)星,完成一期星座部署。另外,韓國(guó)的2次原計(jì)劃利用俄羅斯聯(lián)盟-2火箭和安加拉-A5火箭發(fā)射的任務(wù)也被取消,韓國(guó)正在增加經(jīng)費(fèi)從其他國(guó)家尋求發(fā)射機(jī)會(huì)。

最后,俄羅斯停止向美國(guó)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司提供RD-180的技術(shù)支持,且不再為美國(guó)諾格公司提供RD-181發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司的宇宙神-5火箭受影響較小,但安塔瑞斯(Antares)一子級(jí)缺少發(fā)動(dòng)機(jī)后,諾格公司不得不選擇與美國(guó)創(chuàng)企螢火蟲(chóng)航天公司合作研制新的一子級(jí)。在新的一子級(jí)交付之前,為解決暫時(shí)的發(fā)射缺口,諾格公司也只能向競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手SpaceX公司求助,利用獵鷹-9火箭發(fā)射“天鵝座”(Cygnus)飛船。顯然,俄羅斯簡(jiǎn)單的幾項(xiàng)反制措施,產(chǎn)生了一系列反應(yīng),尤其是歐洲缺乏完善自主進(jìn)入空間能力的缺陷暴露無(wú)遺。

6 結(jié)束語(yǔ)


     


航天運(yùn)輸系統(tǒng)是進(jìn)入空間的基礎(chǔ),決定著進(jìn)入空間的能力,而進(jìn)入空間的能力又決定著如何利用空間,決定一個(gè)國(guó)家能夠在太空中走多遠(yuǎn)。2022年,世界航天發(fā)射活動(dòng)再創(chuàng)新高,而且重型運(yùn)載火箭和重復(fù)使用技術(shù)都有了新突破,預(yù)示未來(lái)仍有更大的能力提升空間。伴隨著航天運(yùn)輸系統(tǒng)技術(shù)成熟、成本下降,將會(huì)帶動(dòng)更大規(guī)模、更大范圍的空間活動(dòng),推動(dòng)航天經(jīng)濟(jì)和航天活動(dòng)邁上新的臺(tái)階。


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