未来运载火箭：重型、快速发射是趋势

航天 · 2016-10-31 18:58:12

核心提示：运载火箭作为目前唯一能把各种航天器送入太空的运载工具，是确保人类开展航天活动的重要前提，是实现航天器快速部署、重构、扩充和维护的保障，是大规模开发和利用太空资源的重要载体，也是国民经济发展的重要推动力量。目前，世界各航天大国都投入了大量的人力、物力、财力用于研制各种新型运载火箭。近几年来，美、俄、欧、日、印等国家更是不断提出新一代火箭的发展计划，展示了世界运载火箭领域蓬勃发展的势头。那么，在我国长征系列运载火箭实现200次发射之际，世界其他国家的运载火箭发展现状如何？运载火箭未来又将朝着怎样的方向发展？

美国德尔塔-4运载火箭美国：研制重型火箭鼓励商业航天美国作为世界级的航天强国，其航天技术一直保持着相比其他国家的先进性和前瞻性。如果用一句话来总结，美国航天发展战略可概括为：保持航天技术在世界上的长期领先和绝对领导，维护在太空的霸权主义。目前，美国拥有的运载火箭不仅型谱齐全，而且技术处于世界领先地位。其现役的运载火箭型号主要包括德尔塔-2、德尔塔-4、宇宙神-5、猎鹰-9、安塔瑞斯、飞马座、金牛座、米诺陶等，能够满足各类大、中、小型有效载荷以及快速机动发射需求。为了继续保持航天技术在世界上的绝对优势地位，2010年，美国宇航局提出了2025 年实现载人登陆小行星、2030年载人登陆火星并安全返回地球等宏大计划，并因此开始研制更大运载能力的重型火箭。根据设计方案，这种火箭的近地轨道运载能力可达130吨，目的是在2020~2040 年内为人类进行的深空探测提供一种全新的运载工具。2012年，美国宇航局发布的《SLS计划运载火箭技术性能》报告中再次明确提出要分三阶段实施SLS运载火箭计划。第一阶段是研制近地轨道运载能力70吨的Block1型火箭，第二阶段是研制近地轨道运载能力105吨的Block1A型火箭，第三阶段是研制近地轨道运载能力130吨的Block2型火箭。其中，SLS基本型火箭预计2018年首飞，最终型于2021年首飞。美国政府在推动大规模深空探测计划的同时，在其2010年颁布的《美国国家航天政策》中还提出了要致力于鼓励和推动商业航天发展计划。该计划明确提出，未来美国近地轨道载人和货物运输服务将由商业航天承担，通过竞争使近地轨道载人探索活动更加便利，成本更低。同时，这样可以加快航天技术革新的步伐，不但可以填补美国现阶段航天运输能力的缺口，还可以开启一种新的航天企业竞争模式。例如，美国SpaceX公司的猎鹰-9号运载火箭和龙飞船以及轨道科学公司的安塔瑞斯和天鹅座飞船，目前已经开始承担为国际空间站运输货物的任务。根据长远发展计划，未来上述两家公司还将执行载人发射任务。预计到2017年，美国商业航天计划的实施将使美国重新获得本土载人航天的能力，摆脱目前对俄罗斯联盟号宇宙飞船的依赖。

俄罗斯质子号运载火箭俄罗斯：商业发射领先谋求更新换代俄罗斯作为世界老牌航天强国，自苏联解体之后，虽然经济实力遭受到了沉重打击，制约了航天技术的发展，但依靠其雄厚的技术基础，在包括运载火箭、卫星、飞船等领域依然能与美国抗衡，其运载火箭的发射次数最近两年更是一直位居世界第一。俄罗斯航天发展战略可概括为：摒弃全面超越思想，力争实现单个领域突破，保持航天强国地位，兼顾提高经济效益、发展社会福祉。目前，俄罗斯现役的运载火箭及其改进型号主要包括质子号M、联盟号FG/2、闪电号M、天顶号系列、宇宙号等和由导弹改进而来的隆声号、第聂伯号、飞行号等。近年来，俄罗斯在国际商业发射市场上所占的份额遥遥领先世界其他国家，在质子系列、联盟系列等主力型号运载火箭接连出现发射失败的情况下，其年均的发射总数并没有明显减少。随着俄罗斯经济逐渐复苏，其对航天领域的资金投入也进一步加大。目前，俄罗斯除了对现役运载火箭进行改进之外，也正在研制全新的安加拉重型运载火箭，目的是进行火箭的更新换代。该火箭的近地轨道运载能力可达50吨，同步轨道运载能力19 吨。安加拉火箭采用了模块化设计，每型火箭均基于通用火箭模块进行组装，通过选择不同的模块及数量，搭配不同的上面级来形成多种构型。2014年7月9日，俄罗斯新型安加拉1.2PP小型运载火箭成功首飞，标志着俄罗斯历经20年研制的安加拉系列运载火箭取得了初步成功。另外，为了继续保持航天强国的优势地位，2013年10月俄罗斯联邦航天局正式启动了新一代重型运载火箭的招标工作，目前已形成多种设计方案。其中，瀑布重型运载火箭计划得到认可，其初步设计的方案包括5个型号，捆绑2~6台助推器，近地轨道运载能力从16.6吨增加到130吨。

欧洲阿里安-5运载火箭欧洲：追求务实可靠积极打造新箭欧洲国家无论在综合国力还是在航天技术实力方面都难以和美、俄相抗衡，但是又不想在航天技术领域被美、俄牵着鼻子走，依靠自己的实力又难以研制出可靠、先进的运载火箭。因此，欧洲国家在航天技术发展方面一开始就走上了合作发展的道路。纵观欧洲运载火箭的演变可以看出，务实是欧洲一直秉承的设计理念，主要体现在不盲目追求技术的先进性，充分考虑满足发射需求，着眼于发射系统的低成本和高可靠性。虽然从实用角度出发，继续购买俄罗斯联盟号运载火箭发射航天器可以满足欧洲的发射需求，但是求助于别人的运载火箭发射，远不如自己拥有来得踏实。因此，欧洲积极改进现有运载火箭运输航天器进入太空的能力，以降低发射成本，摆脱对俄罗斯联盟号运载火箭的依赖，提高欧洲运载火箭的竞争力。2012年12月，欧空局部长级会议决定同时开展阿里安-5运载火箭的中期改进型与启动阿里安-6运载火箭的研制工作，这两种火箭分别计划于2018年、2021年首飞，满足欧洲日益提高的对运载火箭的发射需求。此外，欧空局在2013年提出的阿里安-6运载火箭的设计方案中，一、二级火箭均采用了4个几乎完全相同的助推器，三子级则采用了法国赛峰集团正在为阿里安-5ME火箭研制的芬奇发动机。阿里安-6可将不超过6.5吨的有效载荷送入地球同步转移轨道，后续方案还将进一步改进和优化。2014年6月和9月，空中客车公司和赛峰公司以及欧空局又先后提出了低温芯级、低温上面级加固体助推器的方案，最终的方案选择将在下一次召开的欧空局部长级会议确定，目的是进一步完善该火箭的设计方案。

日本艾普斯龙固体运载火箭日本：发动机水平高固体箭现野心日本作为亚洲航天技术发展较早的国家之一，通过几十年的发展，目前运载火箭已经形成了包括K、L、M、J、N、H等6个系列12种型号，在这些运载火箭中，H-2A和H-2B承担了日本目前大部分的军用和民用卫星以及探测器的发射任务。日本航天技术的发展经历了从自主研发到引进消化再到自主研发的历程。日本早期的运载火箭主要靠引进美国的火箭技术进行研制，后期尽管一直在强调自主研发，但由于在政治上依附于美国，其无论是在航天政策方针，还是航天研制计划，乃至应用方面都与美国有着千丝万缕的关系。现役的H2B大型运载火箭是日本目前运载能力最大、技术最先进的火箭，地球近地轨道运载能力可达16.5吨。火箭的芯一级和二子级均采用液氢/液氧推进剂，其液氢/液氧发动机性能处于世界领先水平。另外，为了研制出运载能力更大的火箭，满足未来深空探测的需求，除了加强与民营企业的合作之外，日本国家宇宙政策委员会去年还正式启动了H-3运载火箭的研制工作，计划在2020年进行首飞。该运载火箭将具有高可靠、低成本和灵活的特点，服役后将取代现役的H-2A系列运载火箭，成为日本未来的主力运载火箭。此外，日本在2008年通过《宇宙基本法》后，就开始大力发展军用成像、侦察卫星技术，开展固体运载火箭研制，带动军事航天技术水平的提升。其中，日本在2013年成功试射艾普斯龙新型固体燃料火箭时，就考虑到了采用先进的固体燃料火箭发动机，在试射火箭的同时也验证了可应用于弹道导弹的固体发动机性能。艾普斯龙火箭采用了人工智能技术，具备自主检测能力，火箭第一级安装在发射台上1周内即可发射，仅需8名工作人员在控制中心监控。另外，艾普斯龙火箭平时用于执行普通卫星的发射任务，战时则具备改装成洲际弹道导弹的潜力。

印度GSLV 运载火箭印度：体系日臻完善追赶航天大国印度作为南亚地区的重要国家，为了能成为世界航天大国，近年来一直对发展航天事业进行不遗余力的投入。经过几十年的不懈努力，目前印度航天技术总体水平发展迅速，其在运载火箭的独立发展道路上已经取得了较大成功，研制出能满足国内发射需求的SLV-3系列、ASLV系列、PSLV系列和GSLV系列运载火箭。其中，PSLV系列、GSLV系列是印度目前的主力运载火箭。此外，为了加快运载火箭的研制步伐，印度在航天发展规划中明确提出走国际合作之路，坚持积极发展双边和多边关系，与其他国家的航天局和航天相关企业合作，以应对新的科学和技术挑战。一方面通过国际合作可以节约经费，缩短研制时间，另一方面还可以借鉴国外的先进技术和经验。2007年4月，印度成功完成了首例为国外商业用户提供航天发射的任务，利用PSLV运载火箭将意大利的AGILE卫星送入地球轨道。近年来，印度还成功独立完成了氢氧发动机研制，并于2014年1月成功发射了携带低温上面级的GSLV-MK2运载火箭，将一颗近2吨重的通信卫星送入地球静止轨道，这使印度成为世界第六个掌握低温火箭发动机技术的国家。目前，印度正在研制一种全新的GSLV-MK3三级运载火箭。这种火箭可将地球同步转移轨道的运载能力提高到4吨，近地轨道的运载能力提高到10吨，并计划在今年年底进行首次飞行试验。总的来说，经过几十年的努力追赶，印度的运载火箭已经具备了较为完整的系列，能够发射包括近地轨道、太阳同步轨道、地球同步轨道在内的各种轨道航天器，这些都表明印度运载火箭技术达到了一个新的水平。同时，印度运载火箭的成功研制也将催生印度新的航天计划，为印度可重复使用运载器和载人航天计划做技术准备，显示出印度积极谋求其航天事业的发展，正在循序渐进地执行其航天发展战略。未来：发展多任务重型火箭快速发射受重视一次性运载火箭仍将占据航天运输系统的主导地位目前，美、俄等主要航天大国都研制出了比较完善的运载火箭型谱，能够满足各种大、中、小型航天器的发射需求。虽然可重复使用运载器是航天运输系统的发展方向，但相比一次性运载火箭，技术成熟度仍有待提高。在今后相当长的一段时间内，各航天大国把卫星、探测器等航天器送入太空仍将主要依靠一次性运载火箭来完成。重型运载火箭再次得到重视和发展随着人类航天技术的发展，深空探测已逐渐成为太空探索的新目标。目前，美国、俄罗斯、印度等国都相继公布了深空探测计划。其中，载人登月、载人登火以及探测其他小行星等任务都已经列入到美、俄等航天强国的规划中。毫无提问，研制重型运载火箭是实施上述计划、提高进入深空能力的必要途径。美国在最新的太空探索计划指导下已经开始研制SLS重型运载火箭，按照该计划，美国将很快研制出近地轨道运载能力达70吨的新型火箭。与此同时，俄罗斯也提出了研制运载能力为130～180吨的重型运载火箭的发展计划。总之，与上世纪60年代美国研制的土星五号重型运载火箭相比，目前各国研制的重型运载火箭将会朝着多任务应用的方向发展。快速发射运载火箭将得到大力发展与目前发射一枚运载火箭需要提前准备十几天到几个月不等的时间相比，具备快速机动发射能力的运载火箭无疑是优先选择的方向。这种火箭可快速应用于战时或重大自然灾害发生时的应急发射。运载火箭快速机动发射主要以陆基和空基为主。相比陆基发射而言，空基发射具有更快的反应能力和更强的灵活性。目前，空射火箭研究主要集中于美、俄两个国家，其中，美国在飞马座空射火箭的基础上，正在研制内置抛投式的快速抵达空射火箭，同时还提出了平流层空射运载火箭系统的发展规划。俄罗斯正在研制的飞行号运载火箭也具备空中发射能力。低成本成为运载火箭的一种发展途径在运载火箭制造和发射成本居高不下的今天，如何降低成本已成为各航天大国研究的新方向。目前，欧洲的阿里安-5ME、阿里安-6火箭、日本的艾普斯龙火箭、美国的EELV系列火箭、SpaceX 公司的猎鹰-9号火箭以及轨道科学公司的安塔瑞斯等火箭在研究过程中已经开始考虑到了降低研制成本和发射成本的设计。此外，也有一些商业航天公司通过继承已有的技术成果、使用商业化的电子设备、采用新技术来简化系统以及操作流程等措施降低运载火箭的成本。（汪小卫唐琼）

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