數(shù)十年來，高昂的發(fā)射成本一直是制約航天業(yè)發(fā)展的主要因素，為了進(jìn)一步降低發(fā)射成本，世界各航天機(jī)構(gòu)紛紛提出各自的低成本火箭研制發(fā)展計(jì)劃。另外隨著技術(shù)進(jìn)步，近年來全球搭載發(fā)射的微小型衛(wèi)星也明顯增多，大規(guī)模微小衛(wèi)星計(jì)劃不斷涌現(xiàn)。受此影響，低成本的中小型運(yùn)載火箭憑借其快速、高頻率發(fā)射和單次發(fā)射價(jià)格低等受到運(yùn)營(yíng)商的歡迎。

 

　　美國(guó)的低成本運(yùn)載火箭

 

　　美國(guó)在20世紀(jì)50年代末開始研制偵察兵系列固體小型運(yùn)載火箭，旨在利用已有的成熟導(dǎo)彈技術(shù)，發(fā)展一種價(jià)廉可靠的小型運(yùn)載火箭。該系列火箭1960年首飛，1994年退役。20世紀(jì)90年代，美國(guó)一些私營(yíng)公司相繼推出了“大篷車”、“雅典娜”、“飛馬座”、“金牛座”等固體小型運(yùn)載火箭，競(jìng)爭(zhēng)中、小型有效載荷發(fā)射市場(chǎng)。其中，“飛馬座”和“金牛座”充分利用了美國(guó)已有的彈道導(dǎo)彈技術(shù)。

 

飛馬座火箭 “B-52”同溫層轟炸機(jī)上拋出(水平發(fā)射)

 

　　美國(guó)在簽訂《削減戰(zhàn)略武器條約》后，也利用退役的洲際彈道導(dǎo)彈技術(shù)和產(chǎn)品研制出“米諾陶”固體小型運(yùn)載火箭，專門用于政府有效載荷的發(fā)射。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著新軍事變革的迅猛發(fā)展，快速進(jìn)入空間成為實(shí)現(xiàn)快速空間作業(yè)、快速遠(yuǎn)程精確打擊和空間攻防對(duì)抗的基礎(chǔ)。在此背景下，美國(guó)空軍開始實(shí)施“作戰(zhàn)快速響應(yīng)空間”(ORS)計(jì)劃，發(fā)展快速響應(yīng)、低成本的小型固體運(yùn)載火箭成為該計(jì)劃的重要組成部分。美空軍專門訂購(gòu)了具有低成本、快速響應(yīng)能力的“米諾陶”固體運(yùn)載火箭作為小型有效載荷的主要運(yùn)載工具。

 

米諾陶4火箭在范登堡空軍基地升空

 

　　“米諾陶”-I型火箭成本1800萬(wàn)美元，在傾角為28.5°、高185km的近地軌道時(shí)，發(fā)射質(zhì)量為580kg，400km高的極軌道時(shí)，發(fā)射質(zhì)量為318kg。“米諾陶”-4火箭成本2000萬(wàn)美元，在傾角為28.5°、高185km的極地軌道時(shí)，發(fā)射質(zhì)量為1723kg，740km高的極軌道時(shí)，發(fā)射質(zhì)量為997kg。該系列火箭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用了有效載荷適配器，以適應(yīng)多種有效載荷。

 

　　“Falcon”獵鷹系列是美國(guó)航天探索技術(shù)公司(SpaceX)按照模塊化、通用化、組合化的原則設(shè)計(jì)、研制和生產(chǎn)的系列液體運(yùn)載火箭，火箭在設(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)高可靠性、低成本以及易操作。

 

　　“獵鷹”1是美國(guó)FALCON計(jì)劃(FALCON，即兵力從美國(guó)本土發(fā)射和運(yùn)用)發(fā)展的小型發(fā)射火箭(SLV)方案。獵鷹計(jì)劃是由美國(guó)空軍和美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局(DARPA)2003年聯(lián)合制定的，其主要目標(biāo)是發(fā)展和驗(yàn)證一套通用技術(shù)，滿足近期和遠(yuǎn)期全球快速精確打擊任務(wù)的需求，同時(shí)驗(yàn)證低成本、快速發(fā)射能力。“獵鷹”1是一種低成本、可快速發(fā)射的兩級(jí)小型液體推進(jìn)劑運(yùn)載火箭，長(zhǎng)21.3m，底部直徑1.7m，起飛質(zhì)量27.2t，起飛推力342kN，極地軌道運(yùn)載能力570kg。“獵鷹”1在設(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)高可靠性、低成本和飛行安全，最大限度地減少發(fā)射前操作，通過減少發(fā)射前準(zhǔn)備時(shí)間來降低發(fā)射費(fèi)用，該火箭每次的發(fā)射價(jià)格約670萬(wàn)美元(2007年幣值)。

 

獵鷹一號(hào)

 

　　歐洲的低成本運(yùn)載火箭

 

　　歐洲于1998年批準(zhǔn)研制以固體推進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)的“織女號(hào)”固體運(yùn)載火箭，作為阿里安系列大型火箭和聯(lián)盟號(hào)中型火箭的補(bǔ)充，用于發(fā)射小型有效載荷，目的是降低發(fā)射成本;其一級(jí)大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)改進(jìn)后作為阿里安5改進(jìn)型火箭的固體助推器。

 

“織女星”(Vega)號(hào)小型運(yùn)載火箭

 

　　該火箭于2012年2月13日首飛獲得圓滿成功，標(biāo)志著歐洲擁有了滿足中小型有效載荷發(fā)射需求的理想運(yùn)載火箭，彌補(bǔ)了中型火箭的不足。“織女號(hào)”火箭第一級(jí)P80發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的性能。發(fā)動(dòng)機(jī)高約11.2m，直徑3m，裝有88t固體推進(jìn)劑，質(zhì)量比大于0.92，是歐洲新研制的、迄今為止最大的整體式纖維纏繞殼體固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，代表了整體式大推力固體發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向。

 

　　日本的低成本運(yùn)載火箭

 

　　日本自20世紀(jì)60年代初開始在探空火箭的基礎(chǔ)上研制固體小型運(yùn)載火箭，至今已經(jīng)研制出L-4S型、M系列和J-1固體小型運(yùn)載火箭。目前，這三型火箭都已退役，日本先進(jìn)的3級(jí)先進(jìn)固體運(yùn)載火箭“艾普斯龍”(Epsilon)代表了日本低成本通用中小型運(yùn)載火箭的最高實(shí)力。該火箭旨在低成本發(fā)射中型科學(xué)有效載荷，同時(shí)滿足快速發(fā)射的需求。

 

“艾普斯龍”(Epsilon)火箭發(fā)射

 

　　俄羅斯的低成本火箭

 

　　俄羅斯在重型運(yùn)載火箭方面走在世界前列，在小型火箭快速響應(yīng)及低成本方面也不斷拓深其技術(shù)水平。俄羅斯在20世紀(jì)90年代初與美蘇簽訂《削減戰(zhàn)略武器條約》后，將削減的彈道導(dǎo)彈改造為運(yùn)載火箭，成功研制出“起跑號(hào)”固體小型運(yùn)載火箭。

 

　　“起跑號(hào)”固體運(yùn)載火箭是以“白楊”洲際彈道導(dǎo)彈技術(shù)為基礎(chǔ)研制的4級(jí)固體運(yùn)載火箭，重約60000kg，直徑1.8m，長(zhǎng)28.9m，其目的是將小型衛(wèi)星送入近地軌道，該火箭具有可機(jī)動(dòng)、整箭貯存、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，可采用車載發(fā)射。

 

“起跑號(hào)”固體運(yùn)載火箭

 

　　其他國(guó)家的低成本運(yùn)載火箭

 

　　印度自1973年開始在探空火箭的基礎(chǔ)上研制固體小型運(yùn)載火箭：衛(wèi)星運(yùn)載火箭3(SLV-3)和加大推力衛(wèi)星運(yùn)載火箭(ASLV)，目前均已退役。

 

衛(wèi)星運(yùn)載火箭3(SLV-3)

 

　　以色列曾研制“沙維特”(Shavit)小型3級(jí)固體運(yùn)載火箭，用于發(fā)射軍事偵察衛(wèi)星，后來又發(fā)展了第二代固體運(yùn)載火箭“沙維特”-1，這種火箭沿用至今。目前，以色列正在與美國(guó)合作研制4級(jí)固體運(yùn)載火箭LK-1。

 

“沙維特”(Shavit)小型3級(jí)固體運(yùn)載火箭

 

　　巴西于1976年成功發(fā)射了2級(jí)固體探空火箭Sonda，在加入導(dǎo)彈技術(shù)限制性條約(MTCR)后，研制基于Sonda4火箭技術(shù)的捆綁式3級(jí)固體運(yùn)載火箭VSL-1。盡管首飛失敗，巴西仍積極尋求國(guó)際合作，推進(jìn)VLS計(jì)劃。

 

　　作為參與國(guó)際空間站建設(shè)的回報(bào)，2006年巴西航天員龐泰斯搭乘聯(lián)盟號(hào)飛船進(jìn)入國(guó)際空間站，成為了首位巴西宇航員。而巴西與中國(guó)在航天領(lǐng)域的合作一直都卓有成效，與中國(guó)合作的地球資源衛(wèi)星項(xiàng)目也是目前巴西航天研究的重要組成部分。在與中國(guó)航天技術(shù)的合作中，巴西也接觸到了遙感衛(wèi)星的設(shè)計(jì)與制造工作，為其日后獨(dú)立研制中型衛(wèi)星打下了良好的基礎(chǔ)。

 

　　通過對(duì)國(guó)外主要的低成本通用中小型運(yùn)載火箭項(xiàng)目進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、新型推進(jìn)劑、電子電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、先進(jìn)的制造與管理、發(fā)射與回收等六個(gè)方面擁有以下研制特點(diǎn)：

 

　　1) 運(yùn)載火箭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)載效率影響很大，因此一般從采用模塊化設(shè)計(jì)、新型復(fù)合材料、回收輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等技術(shù)降低成本。

 

　　2) 發(fā)動(dòng)機(jī)方面目前大多通過采用技術(shù)繼承與改進(jìn)、簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)新型發(fā)動(dòng)機(jī)、設(shè)計(jì)推力可調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)等方式來降低成本。

 

　　3) 采用具良好性能的新型推進(jìn)劑，能夠增加推進(jìn)劑儲(chǔ)存、運(yùn)輸、生產(chǎn)的安全性，或者提高發(fā)動(dòng)機(jī)比沖。隨著載荷發(fā)射效率的提高，發(fā)射總成本得以降低，目前，新型甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)已成為研制新一代可重復(fù)使用運(yùn)載火箭關(guān)鍵。

 

　　4) 運(yùn)載火箭的電子電氣系統(tǒng)也占據(jù)了火箭的相當(dāng)一部分成本，但目前這部分仍難以回收。因此，采用商業(yè)化器件、智能化技術(shù)和可靠性設(shè)計(jì)方法能適度降低火箭發(fā)射總成本。

 

　　5) 運(yùn)載火箭各系統(tǒng)組成復(fù)雜，綜合采用3D 打印、批量生產(chǎn)、全球采購(gòu)、商業(yè)化運(yùn)作模式，也能夠大幅降低運(yùn)載火箭研制和發(fā)射成本。

 

　　6) 為降低航天發(fā)射總成本，目前主要從簡(jiǎn)化發(fā)射操作及設(shè)施復(fù)雜程度，采用海上移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)，采用空中發(fā)射平臺(tái)，回收復(fù)用運(yùn)載器主要部件，以及研制新型組合動(dòng)力飛行器等方面進(jìn)行研究。

 

　　在全球航天技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，我國(guó)航天事業(yè)取得了舉世矚目的成績(jī)，實(shí)現(xiàn)了載人航天?探月工程等航天工程的巨大成功?受航天領(lǐng)域體制?制度和整體工業(yè)水平限制，我國(guó)在國(guó)際航天領(lǐng)域的地位正受到新興航天國(guó)家，如印度?巴西以及SpaceX?OrbitalScience等私人航天公司的全面挑戰(zhàn)?Epsilon火箭的成功發(fā)射，為我們帶來了諸多方面的思考?

 

　　中小型運(yùn)載火箭方面，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

 

 

　　因此，我國(guó)新一代運(yùn)載火箭很有必要采用模塊化、通用化設(shè)計(jì)和產(chǎn)品化管理以降低研制、生產(chǎn)成本，這樣才能使我國(guó)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭在國(guó)外衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)占有一席之地。

 

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