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第51届巴黎航展上的主要火箭

时间:2016年05月17日 信息来源:《中国航天》 点击: 【字体:



 巴黎国际航空航天展览会是目前国际影响力最大的航空航天技术展览会。本文主要对第51届巴黎航展航天运输系统展出情况进行了系统介绍,并根据参展情况对国际主流运载火箭以及航天技术领域国际合作发展趋势进行了初步预测与总结。
  巴黎航展始于1909年,每两年在位于法国巴黎附近的布尔歇机场举行。100多年来,巴黎航展已经发展成为国际性的航空航天工业商品展销会,也是全球规模最大、最负盛名、历史最悠久的国际航空航天技术展览会。通过参加航展,不仅可以展示自身的先进技术成果,扩大在所属领域内的国际影响力,更重要的是能够通过参展资料的搜集工作,了解当今世界先进航天技术,把握未来发展趋势。此外,国际航展也为拓展国际业务提供了一个很好的平台,各参展商可以有针对性地对后续国际合作业务进行洽谈。
  第51届巴黎航展于2015年6月15~21日举行。此届航展参观人数超过35万人,各类订单总额达到约1 300亿美元,世界各国主要航空航天公司及科研单位均展出了最先进的产品和技术。以下主要针对本届展会中航天运输领域的展出内容进行介绍和初步分析。


参展情况介绍


  世界主要航天与防务公司大多数都参与了本届航展,展出内容涉及现役运载火箭能力、在研火箭方案构型、新型推进技术以及重复使用技术等,仅美国及印度未在本届航展中展出其航天领域相关展品。参展各国以及相应展品介绍如下:


   1.俄罗斯


   (1)参展情况
   俄罗斯最主要的火箭总体研制生产企业进步航天中心、赫鲁尼切夫航天中心均携带其主力产品参展,在推销现役运载火箭的同时,也对其新的火箭构型进行了宣传介绍。

 进步航天中心对其联盟号系列火箭进行了宣传,介绍了火箭的发展历程以及最新的发展动态。其中最主要的是2013年成功发射的联盟2—1v小型运载火箭及其采用的伏尔加上面级。联盟2—1v为两级小型运载火箭,在联盟2-1b的基础上去掉4个助推器,更换一子级的推进系统(采用一台NK一33A发动机)。此外,该火箭还加装了新研制的伏尔加上面级,具备多次重启能力和有效载荷精确入轨能力。



 赫鲁尼切夫航天中心主要推出质子号、隆声号和安加拉系列运载火箭。其中隆声号火箭是小型弹改箭火箭,通过和欧洲联合成立的公司进行发射运营。除俄罗斯有效载荷外,隆声号火箭还参与国际商业发射竞争,在2000~2014年间,共进行了9次商业发射。另外,中心还重点推介了安加拉系列运载火箭,包括安加拉1.2d型运载火箭、安加拉3中型运载火箭、安加拉A5大型运载火箭以及安加拉A5V载人型运载火箭4个型号。该系列火箭特征是模块化设计,各型号之间实现了部件的通用化,而且如果采用液氢/液氧上面级,则可整箭实现无毒化。



  (2)主要推介火箭:

  联盟5.1及5.3火箭

  联盟5.1和5.3型火箭是俄罗斯进步航天中心提出的新型运载火箭方案。联盟5.1是一型两级中型运载火箭,用于太阳同步轨道、大椭圆轨道以及地球同步轨道的发射任务,采用弗雷盖特上面级。火箭起飞质量约269t,最大高度50.1m,采用液氧/ 甲烷推进剂,近地轨道运载能力达到9t,从俄罗斯东方发射场发射。
  联盟5.3是一型三级的大型运载火箭,捆绑两枚芯级助推器,用于发射载人和载货飞船以及卫星,可以用于执行地球同步轨道、大椭圆轨道等任务,采用弗雷盖特一SBU上面级。联盟5.3起飞质量约690t,最大高度56.7m,采用液氧/甲烷推进剂,近地轨道运载能力24t,从东方发射场发射。
  为振兴俄罗斯远东经济发展,俄罗斯在原斯沃博德内发射场的基础上改建了东方发射场,原计划2015年投入使用。按照前期规划,俄罗斯联盟号、安加拉等主力构型火箭均可在东方发射场执行发射任务。


  2.乌克兰


  (1)参展情况
  乌克兰南方设计局主推天顶号系列火箭、第聂伯火箭等现役火箭,同时也对旋风4和“灯塔” (Mayak)新型火箭进行了宣传。其中旋风4运载火箭是乌克兰与巴西合作研制的,并计划在巴西新建发射场发射。天顶号系列包括海射型号天顶3SL、陆射型号天顶2SLB、天顶3SLV,其中海射天顶号3SL从赤道附近的海上平台发射,主要竞争静地转移轨道(GTO)的商业发射。而另外两型火箭的发射次数相对较少。乌克兰希望通过此次航展进一步宣传该系列火箭,推广其在国际商业发射服务市场的应用。第聂伯火箭是弹改箭型号,通过大量应用成熟技术提高可靠性,经常用于执行一箭多星发射,于2014年6月创造了一箭37星的记录。该火箭从地下井发射,近地轨道运载能力3.7t。


 图3乌克兰展示天顶号等火箭


  (2)主要推介火箭:
  “灯塔”火箭系列、“微空”(Microspace)2小型空射火箭


  a)“灯塔”火箭系列
  “灯塔”系列火箭是南方设计局新提出的火箭方案,包括7种型号,任务覆盖范围也非常广,充分继承了天顶号系列火箭的技术,可靠性高。


表1“灯塔”系列火箭参数之一


表2“灯塔”系列火箭参数之二

 


  b)“微空”2d,型空射火箭
  “微空”2小型空射运载火箭是乌克兰南方设计局提出的一款采用苏27飞机搭载发射的小型运载火箭,采用固体推进剂,三级构型。发射时的初始条件为:高度15kin,速度500m/s,火箭相对地平线的速度角为–10°~40°。


  3.法国


  空客赛峰控股的阿里安航天公司作为欧洲的发射运营商,重点推介阿里安5火箭,同时为2020年左右首飞的阿里安6火箭进行宣传。对于阿里安5火箭重点推介成功率。自2003年至2015年1月1日,阿里安5连续成功发射了65次,号称“世界上最可靠的运载火箭”。阿里安6火箭则重点强调其上面级的芬奇发动机,采用液氢/液氧推进剂,可以工作900s,具有重复点火能力等等。阿里安6火箭分为两种构型,6.2型捆绑两枚固体助推器,GTO运载能力5t,太阳同步轨道(SSO)运载能力7t,主要发射对地观测卫星、空间监视卫星、遥感气象卫星、探索任务等载荷;6.4型捆绑4枚固体助推器,运载能力与现役阿里安5相当,GTO能力为10t,用于替代阿里安5火箭。此外,阿里安航天公司还重点介绍了阿里安6火箭所应用的固体发动机充分继承了织女星、阿里安5等火箭固体发动机的成熟技术,上面级所使用的芬奇发动机沿用了阿里安5ME上面级技术。阿里安6的小型化、技术共用等特点不但大大提高了产品的可靠性,同时也有效降低了后续运行成本(与阿里安5相比发射成本降低约30%)。


图4法国展示阿里安5(左)、阿里安6火箭(右)


  4.意大利


  意大利的Avio公司重点展示了织女星火箭。织女星火箭为四级火箭,其中一、二、三级为固体发动机,末级为可二次启动的液体发动机,其SSO轨道1200km的运载能力1.2t。此外Ario公司还推出了织女星火箭的C、E以及EH三种构型以及天琴座火箭。其中织女星火箭其他构型均为基本型火箭的增强型,用于填补阿里安系列火箭的运载能力空白,而天琴座火箭重点展示的是意大利与俄罗斯
联合研制的液氧/甲烷发动机。


图5意大利展示织女星火箭(左)及液氧/甲烷发动机(右)


  5.德国


  德国航空航天中心在本届航展中继续推介其“太空航班”的概念,展示了用亚轨道飞行器取代吸气式高超音速客机的方案。该方案为使用一型亚轨道飞行器,以火箭助推器的形式由两级可重复使用的运载火箭发射到80kin左右的高空,飞行器以最高24000km的时速滑翔,实现乘客的洲际间快速旅行。该方案计划于2050年投入使用,每次“航班”载客50人,届时从欧洲到澳大利亚仅需90rain,欧洲与美国西北部之间的飞行时间仅1个多小时,比传统飞行的实际时间可减少约70%。


 

  

  6.日本


  日本展出了H一2系列火箭和新型的艾普西龙火箭,而后者是本次展会推介的重点。艾普西龙火箭是日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)研发的新型固体燃料火箭,全长24.4m,直径2.6m,重9lt,外观仅有日本主力火箭H2A的一半。火箭分三级,第一级使用的是H2A的固体燃料助推器,第二级和第三级则使用M5火箭的技术,近地轨道运载能力为1.4t,SSO运载能力0.6t。艾普西龙火箭曾以其较高的技术集成性、可靠性、入轨精度和快速发射响应、低成本运营等优势引起世界航天界瞩目。


  

  7.中国


  中国长城工业集团公司代表中国航天第15次参加巴黎航展,在航天运输领域主要展出了长征2D、长征3B、长征4B和长征7等4型长征系列运载火箭模型,同时还向国外客户推介了“天鹰” (TY)系列探空火箭。就现场展出效果而言,国外客户对长征5火箭兴趣较高,对其首飞时间以及所使用的新一代发动机性能较为关注。



二、对我国运载火箭发展的启示


  1.“继承成熟技术,降低发射成本”是世界主力火箭未来发展的趋势

  航天运输是一个难度高、风险高、投入高的“三高”产业,而技术的高可靠又是国际商业航天竞争之根本。纵观本届航展中各国展示的主力运载火箭,以联盟号、阿里安、织女星以及艾普西龙为代表的国际主流火箭无一不是充分继承了各行业各领域的成熟技术,在提高火箭发射服务性能的同时,提高可靠性。
  此外,由于航天发射服务的竞争日益激烈,发射价格也成为决定国际发射市场份额的重要因素。高可靠的航天产品、低廉的发射价格无疑是各个航天大国竞相追逐的发展目标。阿里安6系列、织女星系列、艾普西龙系列,甚至未参展的太空探索技术公司的猎鹰系列运载火箭,均在方案设计之初就将火箭发射成本列为方案抉择的重要因素之一。世界各国对于降低成本的手段层出不穷。以日本艾普西龙火箭为例,其主要从箭上产品和发射服务两方面降低成本。箭上产品方面,火箭第一、二级借用其他型号发动机,借助批量生产降低成本;第三级采用自旋稳定姿态校准技术,通过应用新材料简化制造过程,不但降低了成本,还起到减重和提高性能的作用。在发射服务方面,该型火箭射前通过箭上“人工智能”进行自动检查,使用马氏方法进行动态故障判断,利用高速网络实现智能化自动发射。上述新技术简化了地面设备和操作流程,使其发射操作时间仅为6天,火箭发射成本大大降低。

  因此,我国新一代运载火箭很有必要采用模块化、通用化设计和产品化管理以降低研制、生产成本,这样才能使我国长征系列运载火箭在国外卫星发射市场占有一席之地。


  2.微小卫星需求旺盛,小型运载火箭竞争日趋激烈

  在全球航天技术领域低成本运营的大环境下,微小卫星越来越受到世界各国用户的青睐,从而导致发射微小卫星的小型火箭竞争日趋激烈,)H2015年6月中旬一网公司和阿里安航天公司以及维珍银河公司签订了大约700颗小卫星的发射合同。
  相比大中型运载火箭而言,小型运载火箭的研制、生产等各方面的投入都比较低,传统的宇航公司和新型的私营航天公司都已开始了对小型运载火箭的技术研发以及市场推广应用工作。如维珍银河公司的空射运载器l号、萤火虫(Firefly)公司的萤火虫1号、火箭实验室公司的埃雷克特等。此次航展,欧空局提出了织女星小型火箭的改进计划,乌克兰提出了“微空”2空射运载火箭,日本进一步推广其艾普西龙小型运载火箭,我国长城公司则推出了“天鹰”系列探空火箭。
  从目前的发展形势来看,小型卫星载荷由于经济规模小,从某种意义上说,变相地降低了航天行业的准入门槛,因此世界各国以及科研机构对其后续需求将持续旺盛,参与竞争的小型火箭型号也会越来越多,甚至可以预见中型运载火箭也会通过多星发射的途径来竞争小型卫星载荷发射。


  3.航天技术领域国际合作的广度与深度不断加强

 航天事业需要强大的工业基础、雄厚的财力和众多的人才。考虑到航天与国防的密不可分,尽管航天技禾领域的国际合作极易受到国际关系与形势的影响,但随着航天技术的不断发展,国际合作的广度与深度也在不断加强。仅在本届巴黎航展参展型号中,就有多个火箭型号或重要单机系统由数个国家联合研制而成。其中乌克兰南方设计局推出的旋风4运载火箭由乌克兰与巴西合作研制,并计划在巴西新建发射场;意大利天琴座火箭则配置了意大利与俄罗斯联合研制的7500kg推力的液氧/甲烷发动机等。而不同国家的宇航公司强强联合,成立航天运营公司承揽国际航天项目也越来越多。
  国际合作最大的优势莫过于实现技术互补与共享,这对于我国实现航天强国梦具有积极的作用。在我国正积极推动航天国际合作的大环境下,各航天科研机构完全可以根据自身实际情况,开展技术研发领域或者经营投资领域的国际合作。


三、结束语


  近几年,我国航天运输领域取得了一些成绩,但离实现航天强国梦还有不小的差距。“他山之石,可以攻玉”。通过对国际航天强国航天运输系统的发展跟踪,从而总结规律、预测方向,可以使我国宇航领域规划更加科学有效、合理可行,这对我国航天运输领域的跨越式可持续发展意义深远。

  上文选自《中国航天》,如有需要请查阅该期刊。

(作者:刘晓 杨开 关嵩 惠兴晨 王华 马昆)
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