2015年全球航天器发射统计与分析

航天 · 2016-11-22 23:53:37

随着中国高分－4地球同步轨道遥感卫星的成功发射，2015年全球航天器发射活动落下帷幕。本年度受到上半年美俄两国发射失败的影响，全球航天器发射数量比2014年有所下降，发射的航天器数量也有所减少。但与其他年度相比，由于近2年微纳卫星发射数量的大幅增加，所以发射的航天器数量仍然处在高位。　　2015年，全球共完成86次发射任务（其中81次发射成功，3次发射失败，2次发射部分成功），全年发射航天器259个（入轨航天器236个，因发射故障导致23个航天器损毁）。　　一、按发射所属国家的数据统计　　2015年全年86次发射中，俄罗斯发射29次（其中1次发射失败，2次发射部分成功），搭载航天器38个；美国发射20次（其中2次发射失败），搭载航天器119个；中国发射19次，搭载航天器45个；欧洲发射8次，搭载航天器14个；印度发射5次，搭载航天器20个；日本发射4次，搭载航天器22个；伊朗发射1次，搭载航天器1个。　　2015年度的5次发射故障中，有2次是到“国际空间站”的货运任务，1次通信卫星发射任务，1次对地观测卫星发射任务（部分成功），1次小型运载火箭的首飞任务，涉及到的火箭分别是联盟－2.1a（Soyuz－2.1a）、质子－M/微风－M（Proton－M/Briz－M）、猎鹰－9v1.1（Falcon－9v1.1）、“超级斯届比”（Super Strypi）和联盟－2.1v/“伏尔加”（Volga）火箭。　　二、按航天器所属国家的数据统计　　在全年发射的259个航天器中，按照航天器所属国家或组织（用户）统计，美国134个（其中21个发射失败），中国44个，俄罗斯27个（其中2个发射部分成功），欧洲22个，日本4个，印度4个，其他国家或组织共24个（其中1个发射失败）。　　三、按航天器技术领域的数据统计　　2015年全年发射最多的仍然是对地观测卫星，其次是空间科学与技术试验卫星、通信卫星、导航定位卫星、载人航天器和空间探测器。与2014年不同的是，2015年上半年俄罗斯和美国相继出现发射失败，涉及到俄罗斯的“联盟”和“质子”两大火箭家族以及美国的“猎鹰”火箭，使2015年度的商业发射大受影响，通信卫星的数量比2014年出现较大幅度减少。2015年有2次故障发射涉及载人任务，使2015年的货运航天器任务发射次数比2014年减少1次。　　在全年发射的259个航天器中，对地观测卫星95颗（其中8颗失败，1颗未能完成任务），空间科学与技术试验卫星83颗（其中13颗失败），通信卫星53颗（其中1颗失败），载人及货运航天器14个（其中1个失败，1个未能完成任务），导航定位卫星14颗。　　2014年和2015年发射航天器数量统计对比（按技术领域）　　四、按航天器运行轨道的数据统计　　运行轨道分布情况针对全年发射入轨的236个航天器进行统计。按照航天器运行轨道划分，运行在低地球轨道（LEO）的航天器180个，地球静止轨道（GEO）38个，中地球轨道（MEO）11个，大椭圆轨道（HEO）5个，运行在非地球轨道的航天器2个。　　五、按航天器质量的数据统计　　在2015年发射的259个航天器中，按照航天器质量统计，质量不大于10kg的航天器124个，占2015年发射总数的47.88%；质量不大于500kg的航天器170个，占2015年发射总数的65.64%。虽然从数量上看，上面2个数量均不及2014年（分别为141个和191个），但从对全年的占比看，与2014年持平，可见微小卫星一直处于平稳发展状态。2015年质量大于5000kg的大型航天器33个，超过2014年的24个。　　2014年和2015年发射航天器按航天器质量统计对比　　六、按航天器研制所属国家的数据统计　　航天器研制所属国均按主承包商的所属国统计。在2015年发射的259个航天器中，承包商属于美国的143个，中国45个，俄罗斯25个，欧洲24个，日本5个，印度4个，其他国家13个。50kg及以上的卫星统计数量显示，美国的研制数量仅占其总量的30%，中国的仅占其总量的51%。　　2015年较大型宇航公司的排名中包括4家美国公司、3家欧洲公司、2家俄罗斯公司和1家中国机构。这个排名针对50kg及以上卫星的研制情况进行统计，并且综合考虑了航天器数量和质量等指标。　　七、2015年度发射数据分析　　从2015年发射航天器的统计数据可以看出，全球航天活动具有以下特点。　　（1）受俄美发射失利影响，全年发射次数和发射航天器数量有所减少　　2015年第二季度经历了3次发射失利，分别涉及俄罗斯的“联盟”和“质子”火箭，以及美国的“猎鹰”火箭。“联盟”火箭2015年的发射次数从2014年的22次减为17次；“质子”火箭在2014年也有一次发射失利，2014年和2015年发射次数持平。一些商业卫星公司担心卫星受到火箭发射影响，纷纷推迟或取消了发射计划，这对于俄罗斯后续的火箭发射任务也将产生影响。“猎鹰”火箭在6月的故障之后，停滞了6个月，于12月底刚刚恢复发射，并推迟了2015年下半年的多项发射计划。受到火箭发射次数减少的影响，2015年发射的航天器数量也低于2014年。　　即使俄罗斯的两大火箭家族均出现失利，俄罗斯2015年完成的发射任务次数依然保持领先地位，美国排在第二，仅比排在第三的中国多1次。在航天器研制数量和所属国家数量方面，与2014年一样，美国保持领先地位，遥遥领先于其他国家。　　（2）运载火箭及卫星技术均取得突破，多项技术实现首飞　　在火箭方面，2015年中国的火箭技术取得进展，首先在一季度成功实现了远征－1上面级的首飞，之后在三季度又成功实现了长征－6和长征－11两种新型火箭的首飞，增强了中国的卫星运载能力。中国还通过长征－6新型火箭首度实现了“一箭二十星”的发射，为微纳卫星提供了低成本进入空间的方法，也为卫星的快速发射提供了有效途径。　　此外，美国太空探索技术公司在2015年6月发射失败后，于12月的回归发射中，首次成功进行了猎鹰－9v1.2火箭第一级有动力垂直回收，验证了轨道运载火箭的回收技术，为未来实现可重复使用运载火箭发射、大大降低运载火箭的发射成本奠定看基础。　　在卫星方面，2015年一季度2颗全电推进通信卫星首度入轨，开启全电推进系统应用的先河。这2颗卫星由波音公司为亚洲广播卫星公司和欧洲通信卫星公司美洲公司研制，寿命均为15年，整星发射质量仅为2000kg左右，大大提高了卫星的有效载荷占比率。随着全电推进卫星的应用，发射成本将大幅降低，在轨寿命也不会受到卫星携带推进剂的数量影响。另外，3D打印技术也在2015年的多颗微纳卫星上得到应用。　　　　（3）微纳卫星的发射数量居高不下，已成为拉高全年航天器发射数量的新常态　　2015年全球微纳卫星的研制和应用热度不减，由于低成本的特点，参与微纳卫星研制的国家不断增加。从发射数量上看，2015年微纳卫星发射数量占全年卫星发射数量的50%以上。从研制和所属国或组织角度看，约80%的微纳卫星属于美国，并由美国研制，进行各种新技术的试验。可见，在微纳卫星的研制和应用方面，美国处于绝对领先地位。　　　　（4）利用外国技术，实现本国中大型通信卫星零的突破　　2015年，泰雷兹-阿莱尼亚航天公司和中国空间技术研究院分别为土库曼斯坦和老挝研制了该国首颗中大型应用业务卫星，并协助其完成相关地面支持服务，并为这些新兴航天国家培养航天技术人才。　　八、2015年发射失利情况　　发射失败情况　　　　（1）俄罗斯发射墨西哥通信卫星失败　　北京时间2015年5月16日13：47：39，质子－M/微风－M火箭搭载墨西哥卫星－1（Mexsat－1）从拜科努尔航天发射场发射升空。　　发射最初阶段一切正常，发射327s时，火箭第三级正常点火，按计划应在发射571s时关机。飞行480s时，地面监测显示“结构参数正常”、“稳定良好”、“飞行按计划进行”。然而，在发射497s、飞行高度161km时，地面运行中心与火箭的遥测突然中断。火箭未达到入轨速度，火箭第三级、微风上面级以及墨西哥卫星－1再入大气层烧毁，残骸陨落在外贝加尔边疆地区。　　据媒体报道，发射当日俄罗斯召开了第一次紧急会议，对已有的数据进行初步分析。17日成立了调查委员会，分析导致“质子”火箭再一次发射失败的原因。据非官方的消息，故障调查从发射497s出现的故障开始，综合考虑1988年（火箭第三级在发射540s时出现故障，当时的原因归结于发动机燃料管路的加工缺陷）和2014年（火箭在发射545s时出现故障，原因是连接第三级舵机发动机涡轮泵的接口损坏，丧失结构整体性，使管路损坏）的“质子”火箭第三级故障，彻底搞清故障原因，加以解决。　　（2）美国发射第8艘“龙”飞船失败　　北京时间2015年6月28日22：21，猎鹰－9v1.1火箭搭载“龙”（Dragon）飞船从卡纳维拉尔角航天发射场发射升空。　　跟踪录像显示，发射2min19s时，飞行高度45km，火箭上部出现推进剂泄漏，迅速蔓延至整个火箭；发射2min22s，火箭开始解体，“龙”飞船与火箭分开；发射2min27s时，火箭爆炸，第一级损毁，损毁时仍处于点火状态。爆炸未致飞船损坏，坠落大西洋前飞船遥测信号发送仍正常。　　初步分析表明，火箭第一级工作正常，异常出现在火箭第二级的液氧贮箱，经过进一步分析确定，造成液氧贮箱过压的原因是火箭第二级液氧贮箱的支撑支架断裂，使复合材料制成的氦气瓶不能承受住压力，因而导致了本次故障。　　2015年6月28日，美国猎鹰－9火箭爆炸瞬间　　　　（3）美国“超级斯届比”运载火箭首发失败　　北京时间2015年11月3日11：45，美国“超级斯届比”火箭搭载13颗小卫星从夏威夷考爱岛的美国海军太平洋导弹靶场发射升空。按正常发射程序，火箭应在发射13min后进入413km×489km、倾角97.4°的预定轨道。　　发射过程中，箭载远程相机一直跟踪火箭上升过程。上升初始阶段正常，火箭正常自旋，利用4个倾斜尾翼稳定火箭，建立了2.5r/min的自旋速率。随后火箭出现飞行不稳定，开始摇摆且不可控，火箭稳定系统无法使火箭摆脱圆锥运动。发射视频被切断的最后时刻，遥测显示火箭剧烈翻滚。据业余观测者的视频，发射约58s时发生了能量事件，火箭结构解体，但火箭解体原因不明。1h后，美国空军发布信息确认发射失败，但没有提供任何细节。　　“超级斯届比”火箭首飞的道路十分漫长，在2013－2015年间遭遇多次推迟。在第一级LEO－46发动机的地面试验过程中，曾发现了潜在的问题，即发动机室的绝缘材料内衬燃烧。虽然绝缘材料内衬的烧穿不至于给发动机室带来致命损害，而且这个问题很容易通过改进设计在未来的生产中避免，但此次首飞使用的火箭已经采用之前的设计投产。在发射前进行火箭的全面评审时，各方考虑到任务进度的一再延迟，不得不接受这个现实，可见本次飞行在首飞的风险之上，附加了新的风险。　　“超级斯届比”火箭任务属于美国国防部“近地轨道纳卫星集成防御自主系统”（LEONIDAS）计划。该计划包括运载火箭在内的全套“作战响应空间”（ORS）概念，其核心就是通过模块化、流水线方式大批量生产质量约300kg的小卫星，并使其低成本、快速进入低地球轨道，探寻降低军事航天任务成本的新方式，同时缩短发射活动的准备时间。本次任务是该计划的第4次任务，目标是演示低成本的快速响应运载火箭技术。　　发射部分成功情况　　（1）俄罗斯发射“进步”货运飞船失利　　北京时间2015年4月28日15：09，联盟－2.1a运载火箭搭载质量7290kg的进步 M－27M飞船从拜科努尔航天发射场发射升空。　　按计划飞船应在发射8min48s后与火箭第三级分离，但飞船和火箭第三级的遥测信号在发射8min46.8s时，即分离前约1.5s中断，未能覆盖到分离过程，中断之前的遥测信号显示，在起飞8min44.97s时第三级关机。火箭和飞船的数据都消失的事实可能意味着两者经历了使任务走向失败的灾难性事件。分离后，飞船进入188km×260km、倾角51.65°的轨道，与预期的193km×238km轨道高度存在较大偏差。飞船成功展开太阳电池翼和一组3副通信天线，但任务控制中心不能确定飞船上的“航向”（Kurs）交会天线（导航天线）是否展开以及推进系统是否增压。控制中心立刻将预定6h与“国际空间站”对接的方案改为2天的对接方案，以获得更多的时间确定问题所在。与飞船的通信只能在飞船通过俄罗斯地面站进行，更加剧了挽救行动的难度。发射当日，飞船4次通过俄罗斯地面站，但任务控制中心未能确定飞船系统的状态。飞船下传的间歇数据显示，飞船进入翻滚状态，已丧失姿控能力，多个速率传感器已停止工作，并可确认推进剂阀组已减压。美国空军侦察设施在飞船和火箭第三级附近还找到了44个碎片，散布在近地点153～180km、远地点最高达358km的轨道上。这些碎片的出现及其在轨道上的分布表明曾出现了高能事件，即增压系统（推进剂贮箱/管路、气瓶、压力容器）爆炸或飞船与第三级碰撞，飞船的自旋还可能使碎片进入更高或更低的轨道。　　由于飞船上的太阳电池翼不能跟随太阳，导致飞船电量耗尽，任务控制中心未能与飞船取得联系获得飞船的数据，因而俄罗斯官方最终放弃了拯救飞船的行动，宣布本次“国际空间站”货运任务失败，并着手进行故障原因调查。故障原因的多种说法都指向火箭第三级或第三级与飞船的非正常分离，而不是飞船本身，遥测信号的消失似乎也支持这些说法。飞船于2015年5月8日再入地球大气层烧毁。　　（2）俄罗斯发射“老人星”卫星失利　　北京时间2015年12月5日22：09，老人星－ST（Kanopus－ST）海洋监视卫星以及1个雷达标定球搭乘联盟－2.1v/“伏尔加”火箭从普列谢茨克航天发射场发射升空。发射过程按计划进行，未出现异常，俄罗斯官方宣布发射成功。然而24h后，俄罗斯宣布有1颗航天器未能与“伏尔加”上面级成功分离，北美防空联合司令部的监测数据显示，仅有1颗有效载荷在轨。　　俄罗斯“老人星”　　根据后来的报道，按照发射程序，上面级在发射约2h时发出分离指令，与携带的2个有效载荷分离，然而仅有质量16kg的雷达标定球成功分离，老人星－ST卫星的1个火工分离装置（共4个）未成功实施点火，因而未能与上面级成功分离。之后卫星开始发送信号，地面控制站错误地认为接到的信号是卫星状态良好的确认信号。直到12月6日上午，因在轨道上仅发现2个目标（1个是上面级，1个是有效载荷），地面控制站才意识到卫星仍与上面级相连，遂开始发指令使上面级进行离轨点火，使其快速离轨，但由于上面级仍然与卫星相连，质量较大，剩余的推进剂只能完成部分离轨机动，之后两者进入113km×591km的轨道，预计2天后再入。北京时间12月8日凌晨，上面级与卫星的组合体上分离出1个目标，但根据两者巨大的质量差异判断，卫星可能仍未能与上面级分离，这个目标可能是由于空气动力使组合体上的1个小部件分离。北京时间12月8日13：43组合体在大西洋上空再入大气层。　　上文选自《国际太空》，如有需要请查阅该期刊。

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