世界前沿技术发展报告2023《世界航天技术发展报告》（三）运载火箭技术
（三）运载火箭技术
资料来自：《世界前沿技术发展报告2023》和网络
1. 概述
2022年，主要国家共实施186次航天发射任务，打破了2021年创下的146次史上最高发射次数纪录。其中，美国发射87次，中国发射64次，俄罗斯发射22次，欧洲和印度各发射5次，伊朗、韩国和日本各发射1次。其中7次发射任务失败，主要发生在新研火箭的试飞任务中。在美国实施的航天发射任务中，SpaceX公司独占61次，其中由“猎鹰”-9火箭完成60次，“重型猎鹰”火箭完成1次。
2. 一次性使用运载器
2.1 美国维珍轨道公司“运载器一号”火箭成功执行两次空中发射任务
2022年1月，美国维珍轨道公司的“运载器一号”空射型小运载火箭由波音747型飞机携带到高空进行了第4次发射。相较于前3次发射，此次发射将火箭着陆点变更至西海岸西南方向的太平洋上空，使火箭能够以45度倾角将卫星送入轨道，提高了发射效率。此次发射任务将7颗3U立方星送入低地球轨道，其中包括4颗美国国防部的“太空测试项目”-27VPB(Space Test Program-27VPB, STP-27VPB)卫星，2颗波兰卫星革命公司(SatRevolution)STORK星座地球观测卫星及1颗美国顶尖全球公司(Spire Global)用于观测轨道碎片环境的立方星。
2.2 美国萤火虫航天公司“阿尔法”火箭首次发射成功
2022年10月，美国萤火虫航天公司“阿尔法”火箭首次成功发射，将3颗卫星有效载荷送入轨道，具体包括：用于收集数据与教育社区共享的“太空教师宁静号”(Teachers in Space-Serenity, TIS-Serenity)教育立方体卫星；旨在优化立方体卫星数据传输的“科技教育”-15(TechEdSat-15, TES-15)NASA技术演示立方体卫星；以及携带了5颗微型卫星的“皮星巴士”(PicoBus)多星部署器。
“阿尔法”火箭为两级液氧煤油火箭，全长29米，箭体直径1.82米，起飞质量54吨。值得注意的是，此次是“阿尔法”火箭的第2次尝试发射。该火箭曾于2021年9月尝试进行初次发射，但在飞行经过最大动压后不久发生空中翻滚并爆炸，以失败告终。
2.3 美国旋转发射公司亚轨道加速器完成第10次飞行试验
2022年10月，美国旋转发射公司(Spin Launch)亚轨道加速器完成第10次飞行试验。此次试验验证了旋转发射公司合作伙伴的标准卫星组件与“旋转发射”系统的内在兼容性，提供了飞行数据，并顺利完成所有载荷的飞行和回收工作。此次亚轨道加速器发射的无动力航天器样机搭载6个有效载荷，其中4个来自旋转发射公司的合作伙伴，包括NASA、空客公司、康奈尔工程公司(Cornell Engineering)和前哨公司(Outpost)，另外2个为旋转发射公司的测量仪器。
2.4 俄罗斯国家航天集团公司完成RD-171MV发动机的点火测试
2022年8月，俄罗斯国家航天集团公司下属的格鲁什科院士动力机械制造科研生产联合体公司(NPO Energomash)顺利完成用于“联盟”-5(Soyuz 5)运载火箭的RD-171MV发动机系列点火测试。该公司负责人伊戈尔·阿尔布佐夫(Igor Arbuzov)表示，RD-171MV发动机点火测试包括在不同工况下对改进后的发动机控制和事故保护系统，以及联动装置及其组件等发动机相关资产的测试。该发动机基于“萘基-氧”绿色组合燃料，推力高达806吨，是全球功率最强的液体燃料火箭发动机。RD-171MV发动机拟作为“联盟”-5运载火箭的第一级，于2023年执行首次发射任务。
2.5 欧洲航天局“织女星”-C运载火箭成功执行首飞任务后遭遇失败
2022年7月，欧洲航天局新型“织女星”-C运载火箭将7个有效载荷成功送入预定轨道，标志着首飞任务取得圆满成功。此次发射携带有效载荷总质量约为474千克，包括由意大利航天局(Italian Space Agency, ASI)研制的“激光相对论”-2(LARES-2)卫星，法国、意大利和斯洛文尼亚的6个立方体卫星等。欧洲航天局称，“织女星”-C运载火箭采用三级固体助推器和液体上面级的四级构型，可将2.3吨有效载荷送入距地700千米的地球极地轨道，具有灵活性更强、性能更高、承载有效载荷更大和竞争力更强等特点。
2.6 韩国成功发射“世界”号运载火箭，成为全球第7个拥有自主太空发射能力的国家
2022年6月，韩国自主研发的首枚运载火箭“世界”号搭载1颗180千克的卫星和4颗立方体卫星于罗老航天中心(Naro Space Center)顺利发射升空，标志着韩国成为全球第七个拥有自主太空发射能力的国家。
“世界”号火箭是韩国首枚完全自主研制的运载火箭，整体工程耗时12年左右，总投资近16.1亿美元。该火箭长47.2米，最大直径3.5米，推进剂为液氧煤油，可将1.5吨有效载荷送入600～800千米太阳同步轨道。该火箭为三级火箭，其中一子级采用4台KRE-075发动机，单台推力75吨级；二子级采用1台KRE-075发动机，单台推力75吨级；三子级采用1台KRE-007发动机，单台推力为7吨级。
2.7 法国、德国和意大利三国达成欧洲运载火箭开发协议
2022年11月，法国、德国和意大利三国政府宣布达成“欧洲运载火箭开发的未来”(Future of Launcher Exploitation in Europe)协议，以提升欧洲运载火箭的竞争力。该协议规定三国将于2024年6月前建立投资框架，为“阿里安”-6(Ariane 6)和“织女星”-C(Vega C)等运载火箭吸纳社会资本，并允许数家欧洲公司小型运载火箭竞标欧洲航天局的发射任务。同时，该协议打破了欧洲航天局的“地域返还”原则，即根据各国对欧洲航天局项目的贡献份额分配合同。此协议的签署可保证运载火箭开发的短期资金，影响未来项目的长期融资方式，并确保欧洲具备独立进入太空的能力。
2.8 中国最大固体燃料火箭“力箭一号”首飞成功
2022年7月，中国最大固体燃料运载火箭“力箭一号”于酒泉卫星发射中心成功首飞，将6颗卫星送入预定轨道。此次搭载的卫星包括：太空新技术试验卫星、轨道大气密度探测试验卫星、低轨道量子密钥分发试验卫星、电磁组装试验双星和南粤科学星，将用于开展太空探测、大气密度探测等相关技术验证及试验应用。
3.可重复使用运载器
3.1 美国SpaceX公司实施“一箭105星”拼单发射任务
2022年1月，美国SpaceX公司利用“猎鹰”-9火箭于佛罗里达州卡纳维拉尔角太空部队40号发射场成功发射了105颗小型卫星，加快了低成本有效载荷拼单发射任务模式转型，将加剧微小卫星发射市场的竞争。
3.2 美国SpaceX公司“重型猎鹰”火箭执行首个美国国家安全任务，将多颗军事卫星送入地球同步轨道
2022年11月，美国SpaceX公司“重型猎鹰”火箭于佛罗里达州肯尼迪航天中心39A发射场成功发射升空，执行USSF-44任务，将美国太空军6颗军事有效载荷送入地球同步轨道。
3.3 美国SpaceX公司对“星舰”飞船开展测试，为其首次轨道试飞做准备
2022年2月，美国SpaceX公司创始人兼首席执行官埃隆·马斯克(Elon Musk)表示，超重型火箭助推器装配的“猛禽”(Raptor)发动机数量将从29台增加至33台，“星舰”(Starship)飞船装配“猛禽”发动机数量将从6台增加至9台。2022年9月，SpaceX公司进行超重型火箭助推器7台发动机静态点火测试。2022年11月，SpaceX公司进行“星舰基地”(Starbase)轨道发射和回收塔测试，为“星舰”回收复用提供支持。该塔架配有“快速断开臂”(Quick-Disconnect, QD)火箭捕获臂，将被用于抓取、提升和安装超重型火箭助推器。
3.4 美国空军推进“火箭货运”项目，验证全球点对点运输技术
2022年1月，美国空军授予SpaceX公司一份价值1.02亿美元合同，以开展“火箭货运”(Rocket Cargo)项目，验证利用重型火箭向全球运送军用货物和人道救援物资的技术和能力。SpaceX公司“火箭货运”项目经理格雷格·斯帕杰斯(GregSpanjers)称，该合同正式确立美国政府与企业的合作伙伴关系，将明确项目所使用的具体火箭类型、火箭用于货物运输时的具体效果、火箭实际运力及整体系统成本等事项。斯帕杰斯还表示，美国空军将在未来几年内通过SapceX公司开展的相关商业飞行任务采集数据。
3.5 美国火箭实验室两次尝试利用直升机捕获“电子”号一级助推器，推进火箭可重复使用计划
2022年5月，美国火箭实验室首次利用改进型“西科斯基”S-92直升机(S-92Helicopter)在太平洋上空成功捕获执行轨道级发射任务的“电子”号(Electron)一级助推器。直升机在捕获助推器20秒后，因载荷超出此前测试和仿真时的承载范围，被迫释放了助推器。
2022年11月，火箭实验室再次尝试空中捕获“电子”号火箭一级助推器失败，助推器坠入大海。此次任务原计划是利用改进型“西科斯基”S-92直升机通过长绳末端的钩子空中钩住返地“电子”号火箭一级助推器的降落伞，以完成空中回收作业。但由于“电子”号火箭一级助推器在重返大气层期间遥测信号丢失，因而未能顺利进行捕获任务。
火箭实验室开展一系列空中捕获回收任务旨在测试火箭一级助推器重复使用的可行性，使“电子”号火箭成为可重复使用火箭，以提高火箭发射频率，降低发射成本。
3.6 美国X-37B空天飞机创造新的在轨时间纪录
2022年11月，美国太空军无人驾驶、可重复使用的X-37B“轨道试验航天器”-6(Orbital Test Vehicle-6, OTV-6)空天飞机，在轨运行908天后降落于佛罗里达州肯尼迪航天中心，完成了第6次任务。该空天飞机在此次飞行任务中进行了包括光能转化为直流电能在内的多项美军科学实验，并打破了先前创造的780天在轨时间纪录。
X-37B空天飞机的发射重量为4990千克，可在240～805千米间的任意高度运行，具有全自动脱离轨道着陆能力，是美国太空军和美国空军快速能力办公室(RapidCapabilities Office, RCO)联合运营的无人驾驶可重复使用飞行器，是目前唯一能够全自主返航的太空航天器。此外，该航天器首次引入可增加载荷数量的有效载荷适配环，进行了太空中材料暴露和技术创新(Materials Exposure and TechnologyInnovation in Space, METIS-2)、长时太空育种等试验，并搭载光伏射频天线模块(Photovoltaic Radiofrequency Antenna Module)，以测试在轨道上将太阳能转化为微波并向地球发射的技术。
3.7 美国蓝色起源公司开展BE-4发动机测试
2022年10月，美国蓝色起源公司研发的大型火箭发动机BE-4(Blue Engine 4)成功通过长达4.5分钟的测试，证实所有组件都可承受实际发射产生的压力，标志着BE-4发动机研发工作进入新阶段。BE-4发动机将用于蓝色起源公司“新格伦”号(New Glenn)重型运载火箭，还将提供给美国联合发射联盟公司(United LaunchAlliance, ULA)用于“火神”(Vulcan Centaur)运载火箭等。BE-4发动机与SpaceX公司研发的“猛禽”发动机均属重型火箭发动机，使用甲烷作为燃料。BE-4发动机是全球推力最大的火箭发动机之一，单台BE-4发动机提供的推力高于“猛禽”发动机，两者分别可产生约245吨和约231吨推力。
3.8 法国阿里安公司公布欧洲全复用火箭第一级方案
2022年9月，法国阿里安(Ariane)公司在巴黎举行的2022年度国际宇航大会(International Astronautical Congress, IAC)上首次展示了“苏西”(Smart UpperStage for Innovative Exploration, SUSIE)全复用火箭第一级，但未明确公布该项目的时间线。“苏西”采用垂直发射垂直返回(Vertical Takeoff and VerticalLanding, VTVL)模式，加压舱容量达40立方米，可用于执行货物和有效载荷运输及载人飞行等任务。“苏西”在执行载人飞行任务时最多可搭载5名航天员，初期将由“阿里安”-6火箭发射。
“苏西”是欧洲航天局主导的新欧洲太空运输解决方案(New European SpaceTransportation Solutions, NESTS)的组成部分，预计将用于欧洲下一代可复用重型运载火箭，为实现欧洲未来完全可重复太空运输系统铺平道路。
3.9 中国首次实现液体火箭发动机的重复使用
2022年9月，中国自主研制的某型液氧煤油发动机成功完成重复飞行试验，标志着中国首次实现液体火箭动力系统重复使用，也标志着中国液体火箭发动机重复使用技术进入工程应用阶段。此次试验进一步验证了该型发动机全任务剖面复杂力热环境适应性和飞行后回收重复使用的可行性，探索了液氧煤油发动机快速简化处理方案、检测维护及健康管理方案，初步建立了液体火箭发动机重复使用设计评估准则，推动了重复使用航天运输技术的发展和工程应用。
液氧煤油发动机是中国新一代运载火箭的主要动力装置，具有高性能、大推力、任务适应强、研制周期长及无毒无污染等优点。该型液氧煤油发动机曾于2021年作为某飞行器主动力装置参加首飞试验，经检测维护后成功参加重复飞行试验任务。
