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2017年国外航天运输系统发展综述(节选)

时间:2018年02月09日 信息来源:国际太空 点击: 【字体:

2017年,航天运输系统的研发和技术进步达到新高潮,政府主导的重型火箭仍在持续推进,各国积极推进新一代大中型火箭的研制并重视降低成本提高竞争力,新兴公司的多个小型运载火箭取得重要进展,垂直起降重复使用火箭实现应用,新技术在行业中得到推广应用。


1  重型火箭研制进度滞后,凸显技术难度之高及经费需求规模之大

2017年12月底,美国总统特朗普签署新版国家航天政策指令,确定重返月球战略,进一步明确了深空探索的战略。但是,“航天发射系统”(SLS)重型火箭的进度却并不乐观,美国国家航空航天局(NASA)在2017年底宣布SLS首飞时间至少要推迟至2019年12月。具体原因包括:芯级氢箱和氧箱的焊接强度不足,临时更换焊接方案导致进度推迟;首飞箭芯级错过预定交付日期;尽管每年平均拨付预算接近19亿美元,但随着项目开展仍出现经费紧张的情况。不过,SLS的研制活动仍取得进展,包括完成芯级结构试验样机主要部件制造,完成首飞箭芯级主要结构的制造,对RS-25发动机进行了8次试车,完成部分发射设施升级改进等。但从SLS首飞计划的推迟

 

可以看到,重型火箭的研制难度之高和经费需求规模之大。另外,同样出于降低研制难度和缩减经费需求的目的,美国太空探索技术公司(SpaceX)降低了2016年提出的“星际运输系统”(ITS)重型火箭的规模,将其直径从12m降至9m,高度从122m降至106m,发动机数量也从51台降至37台,近地轨道运载能力从300t降低至150t。 


俄罗斯则更是受制于经济实力,没有足够的经费支撑全面开展重型火箭研制。俄罗斯能源火箭航天集团(RSC Energia)为得到政府支持,提出以联盟-5(Soyuz-5)中型火箭为基础的渐进式研制途径,降低经费需求,但后续发展仍存在较高不确定性。上述方案以联盟-5火箭一子级作为芯级,捆绑5枚“联盟”一子级作为助推器,根据二三四子级的不同分为2种构型,近地轨道运载能力分别为108t和88t。为实现中型火箭向重型火箭的过渡,俄罗斯计划研制一型捆绑2枚联盟-5一子级的火箭,近地轨道运载能力为50t。



2  新一代大中型火箭取得重要进展,降低成本瞄准商业发射

“ 火神” (Vulcan) 、“ 新格伦” (New Glenn)、联盟-5、阿里安-6(Ariane-6)、H-3等新一代大中型运载火箭,作为未来航天发射的主力火箭,在2017年都取得重要进展。由于商业发射需求增长,政府逐渐从投资分包研制转向采购发射服务,新型火箭都以商业发射作为重要目标,通过优化工业流程、引入新技术、充分继承等降低发射价格,提高竞争力。

 

联合发射联盟公司(ULA)选择L3公司为其“火神”火箭提供电气系统,“火神”火箭的两型备选发动机—AR-1液氧/煤油发动机和BE-4液氧/甲烷发动机分别开展预燃器和发动机试车。蓝色起源公司(Blue Origin)启用位于肯尼迪航天中心的“新格伦”火箭制造厂房,在卡纳维拉尔角空军基地第36号发射台进行适应性改进和升级,并将火箭整流罩直径从5.4m调整至7m。轨道-ATK公司公布其“下一代运载器”(Next Generation Launch System)的设计方案:包括500和500XL两个系列,都为三级构型,一、二级为固体级,三子级为低温氢氧级,地球同步转移轨道的运载能力为5.25~8.5t。三家公司都提出,新型火箭既要面向政府发射需求,也要参与未来的商业发射竞争。

 

俄罗斯能源火箭航天集团提出联盟-5的新方案,在2017年底通过初步设计评审,该方案一子级采用RD-171MV发动机、二子级采用RD-0124发动机、三子级采用Block DM系列上面级,全部都基于已有的型号和基础,既能够快速投入使用,又能够大幅降低成本。俄罗斯表示现在已经具备联盟-5制造能力,并在改建发射设施,2022年首飞。而其发射价格能够降低至5500万美元,希望能够提高在商业市场上的竞争力。

 

欧洲的阿里安-6在2017年完成2次重要评审,验证了火箭的技术特征以及项目流程,已开始进行首飞火箭的制造。欧洲希望通过采用面向制造的设计方法、优化产业结构等方式,使阿里安-6火箭的发射价格降至现役阿里安-5火箭的50%~60%,单位载荷的发射价格甚至低于SpaceX公司的猎鹰-9(Falcon-9)火箭。

 

日本新一代大型火箭H-3主要在动力系统方面取得多项进展:完成LE-9主发动机和LE-5B-3上面级发动机装配并开展试车,进行LE-9发动机涡轮泵试验,对固体助推器SRB-3的全尺寸壳体进行强度试验等。日本在H-3火箭的研制中强调降低成本,具体措施包括简化设计、减少零部件数量、采用新工艺、继承现有技术等,将H-3火箭的成本降至现役H-2A火箭的50%,即4430万美元。同时,还要缩短H-3火箭发射周期,实现30天内发射2次,每年可执行10次发射任务,从而能够争取更多商业发射。



3  小型火箭受益于成熟技术和低门槛,多个新研型号取得阶段成果

由于小型火箭规模小,技术和经费门槛相对较低,再加上行业人才和技术的积累,多个型号发展迅速,并在新技术应用方面大胆创新。

 

维珍-轨道公司(Virgin Oribit)为空射发射器-1(Launche r One)开展发动机试车、火箭加注和装配试验,完成波音747载机改装并开展飞行验证,预计2018年开始进行商业发射;向量空间系统公司(Vector Space System)完成2100万美元的A轮融资,开始新工厂建设,并进行了2次向量-R(Vector-R)火箭的低空飞行试验,预计2018年夏天进行首飞;火箭实验室(Rocket Lab)获得7500万美元融资扩展产能,完成“电子”(Electron)火箭首飞;日本SS-520火箭在2017年初首飞,但因箭上线路故障导致发射失败;西班牙零至无穷公司(Z2I)的气球星小型火箭完成高空气球发射试验。发射器-1、向量-R和“电子”三型火箭在2017年共签订5份发射合同,总计15次发射任务,在火箭研制取得突破的同时,也得到了市场认可。


此外,上述在研小型火箭在电动泵替换涡轮泵、复合材料替代金属材料、飞机空射、气球高空发射、3D打印等方面进行创新和尝试,拓展了新技术在航天运输系统中的应用。



4  垂直起降复用火箭走向应用,带翼复用方案由军方主导开展

SpaceX公司在2017年实现猎鹰-9火箭一子级复用,标志着垂直起降复用技术从验证阶段走向应用,虽然还未公布复用火箭的成本能否有大幅度降低,但部分客户主动提出愿意采用复用火箭,说明复用火箭在价格上可能存在一定优势。该公司全年18次发射,5次任务使用复用火箭,占比接近1/3。另外,全年共有14次发射任务后进行一子级回收,并全部取得成功,也在很大程度上证明了其回收技术的稳定性。

 

商业火箭复用计划取得进步的同时,美国国防高级研究计划局(DARPA)的试验性太空飞机-1(XS-1)带翼水平返回重复使用飞行器也转入新的研制阶段。DARPA选择波音公司(Boeing)的“鬼怪快车”(Phantom Express)设计方案,由波音公司作为该项目第二三阶段的主承包商,并为其提供1.46亿美元的研制经费。“鬼怪快车”采用航天飞机主发动机,基于得到验证的成熟技术,保证项目顺利开展。第二阶段要在2019年前完成技术验证飞行器的设计、制造和地面试验。第三阶段从2020年开始进行飞行试验,最终要以马赫数Ma 为10的最高速度实现10天内飞行10次的目标,同时还要将400~1360kg的载荷送入轨道。XS-1之所以持续受到军方重视,主要是因为其快速响应能力,而且该飞行器还可以作为高超声速飞行试验的平台。


(全文见《国际太空》2018年第2期)

(作者:佚名)
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