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2017年世界航天運輸領域發展綜述及啟示

宇航總體技術2020-03-04 07:55:40

?本文對2017年世界航天發射情況進行了統計,對2017年世界重大航天發射活動進行了分析。

?

2017年,世界主要航天國家從戰略政策、型號研制及技術研發等方面,積極推動航天運輸領域發展。美、俄、歐、印等國家和地區繼續推進新一代運載火箭研制和發射,以美國太空探索技術公司(SpaceX)為代表的私營航天企業發展迅速……

一、2017年世界航天發射統計

2017年,世界航天共進行了90次發射,成功85次(含1次部分成功),失敗5次,成功率94.44%。其中,美國以29次(全部成功)蟬聯發射首位,俄羅斯20次(失敗1次),中國18次(失敗1次,部分成功1次),歐洲9次(全部成功),日本7次(失敗1次),印度5次(失敗1次),烏克蘭1次(成功),新西蘭1次(失?。?。具體數據如表1所示。

1? 2017年世界各國/地區主要發射統計

國家

發射次數

所占比例

成功

成功率

美國

29

32%

29

100%

俄羅斯

20

22%

19

95%

歐洲

9

10%

9

100%

日本

7

8%

6

86%

印度

5

6%

4

80%

烏克蘭

1

1%

1

100%

新西蘭

1

1%

0

0%

2017年各系列火箭發射情況可以看出(見表2),法爾肯9火箭、聯盟號系列火箭、宇宙神5系列火箭、阿里安5火箭和H-2A火箭的發射次數居于前列。近地軌道、地球同步轉移軌道仍然是有效載荷主要入軌軌道(見表3)。

2? 2017年各系列火箭發射情況

序號

運載火箭

國家

發射次數

失敗/異常

備注

1

法爾肯9 FT

美國

18

2

宇宙神5

美國

6

3

德爾它4

美國

1

4

德爾它2

美國

1

5

安塔瑞斯230

美國

1

6

米諾陶4

美國

1

7

米諾陶-C

美國

1

8

聯盟號2

(含2-1a、2-1b、2-1v)

俄羅斯

10

1

發射失敗

火箭更換新發射場后發射方位角與原發射場存在較大差別,上面級計算機軟件未作相應修改,導致上面級點火姿態有誤

9

聯盟號

(含聯盟FG、聯盟U)

俄羅斯

5

10

質子號

俄羅斯

4

11

天頂號

烏克蘭/

俄羅斯

1

12

隆聲號/微風KM

俄羅斯

1

13

阿里安5

歐洲

6

14

織女星

歐洲

3

15

H-2A

日本

6

16

SS-520-4

日本

1

1

發射失敗

起飛約20s后,地面失去遙測信號,火箭墜毀

17

PSLV

印度

3

1

發射失敗

整流罩未能分離,導致發射任務失敗

18

GSLV MK3

印度

1

19

GSLV MK2

印度

1

20

電子號

新西蘭

1

1

發射失敗

地面遙測設備故障,遙測信號中斷導致靶場安全人員觸發了火箭飛行中止系統



3? 2017年世界航天發射任務入軌情況

軌道類型

發射次數

到達次數

未到達次數

備注

低地球軌道LEO,含SSO

52

48

4

13次國際空間站任務

1次天舟一號技術驗證

地球同步軌道GEO

35

34

1

中高地球軌道MEO

3

3

0

二、2017年世界航天運輸領域重要事件

2017年,世界主要航天國家高度重視推動航天運輸領域技術發展,不斷提升進入空間的能力。

(一)運載火箭持續更新換代,搶占商業發射市場份額

2017年,美、俄、歐、印、日等國家和地區都在積極推進新一代大中型運載火箭的研發計劃,促進火箭的更新換代,以提高市場競爭力。

201710月,美空軍發布了“發射服務協議”(LSA)招標文件,旨在研制與“改進型一次性運載器”(EELV)性能相當的新火箭,以取代宇宙神5和德爾它4火箭,擺脫對俄制RD-180發動機的依賴。SpaceX公司、聯合發射聯盟公司(ULA)和軌道ATK公司預計都將參與競標。SpaceX的法爾肯重型火箭、ULA的“火神”火箭、軌道ATK的新型火箭“下一代發射系統”(NGL)都位列其中。其中,法爾肯重型火箭計劃于20181月首飛,“火神”火箭計劃于2019年首飛。

根據《2016~2025聯邦航天計劃》,俄羅斯將在2018~2025年期間研制新一代中型運載火箭——聯盟號5火箭。該火箭預計在2022年執行不載人的聯邦號飛船發射任務,2024年開始執行載人任務。此外,俄自2014年成功首飛安加拉1.2與安加拉A5火箭后,持續開展安加拉A5V火箭的研制工作,該系列火箭預計于2025年取代質子號M等火箭。

20174月,歐洲阿里安集團公司表示,阿里安6火箭研制項目進入地面鑒定樣機生產階段,并計劃于2018年對固體助推器進行試車,2019年末到2020年初開展全箭試驗。

20176月,印度空間研究組織(ISRO)研制的新型地球同步軌道衛星運載火箭GSLV-MK3成功首飛,將質量為3136kgGSAT-19衛星送入GTO軌道。GSLV-MK3火箭于2002年啟動研制,上面級采用印度自主研制的C25液氫/液氧低溫上面級,GTO運載能力4t,LEO運載能力8t。

2017年,日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)積極為H-3火箭研制LE-9主發動機,于4月底開展了LE-9發動機首輪點火試車。新發動機將使H-3火箭GTO運載能力達6.5t(比H-2A火箭高出60%)。H-3火箭采用可從商業渠道采購的部件和可批量生產的箭體,使發射成本降至H-2A的一半,預計于2020財年投入使用,并逐漸接替現役的H-2A/2B火箭。

(二)載人探月迎來熱潮,重型運載火箭研制快速推進

201712月,美國總統特朗普簽署了其就任后的首項航天政策令——1號航天政策令,正式指示美國航空航天局(NASA)實施載人重返月球計劃。NASA隨后發表聲明稱,將“與商業和國際合作伙伴一道,開展一項具有創新性和可持續性的探索計劃”。未來美國的空間探索重心將發生重大變革,載人月球探索將迎來新一輪熱潮。

20171月,NASA完成航天發射系統(SLS)探索上面級(EUS)初步設計評審。5月,NASARS-25發動機進行了試車,標志著SLS完成了第一次探索任務(EM-1)的重要里程碑。10月,SLS芯級五個部段飛行件全部制造完成。11月,NASA宣布SLS首飛任務最早將于201912月進行。

SpaceX公司宣布將于2018年啟動載人繞月計劃,發射一個載有兩名私人旅客的飛行器。該任務將使用法爾肯重型火箭及天龍座V2飛船。法爾肯重型LEO運載能力64t,GTO運載能力22.2t,于20182月實現首飛。20179月,SpaceX公司對外發布改進的“星際運輸系統”(ITS)。整個系統具備150tLEO運載能力,能夠從軌道向地球運回50t載荷。飛船可以在軌補加推進劑,以執行近地軌道以遠的任務。SpaceX公司將在2022年利用ITS發射至少2艘登陸火星的貨運飛船,2024年發射4艘飛船,其中2艘載人。

美國藍源公司正研制新格倫火箭,最早計劃在2020年首飛,并嘗試將其設定為人類重返月球的重要運載工具。新格倫火箭全長82m,LEO運載能力達45t,GTO運載能力達13t,第一級將采用7BE-4發動機。BE-4發動機以液氧\甲烷為推進劑,已于20171019日進行首次熱點火試車。

俄羅斯能源火箭和航天集團在MAKS-2017國際航展上提出新探月計劃——通過2次重型火箭發射和1次聯盟號5火箭發射實現載人月球任務,重型運載火箭將在未來18~24個月內完成設計工作,并于2028年實現首飛。為節省成本,首飛火箭將采用芯級捆綁兩枚助推器的輕型設計,芯級和助推器均為聯盟號5中型火箭。

(三)SpaceX公司表現搶眼,沖擊商業航天發射市場

2017年,SpaceX公司在發射次數、火箭一子級回收等方面表現搶眼,并憑借較大的價格優勢承攬了多個國際商業發射任務乃至美國國家安全發射任務。

法爾肯9火箭在2017年共發射18次,占美國全年發射次數的近2/3,實施了14次一子級回收,其中6次陸地回收、8次海上平臺回收,并在5次發射任務中重復使用了回收的火箭一子級。623日和25日,法爾肯9火箭在2天多的時間內完成2次發射,創下了SpaceX公司的最短發射時間間隔紀錄,再加上75日的發射,SpaceX公司在12天內實施了3次發射。如此高的火箭發射頻率與法爾肯9火箭構型簡單、子級回收與重復使用縮短了生產制造周期等因素密不可分。

SpaceX公司在2017年使用法爾肯9火箭和天龍座飛船執行了4次國際空間站貨運補給(CRS)任務,占據了總任務的近一半(俄羅斯進步號飛船3次,軌道ATK公司天鵝座飛船2次),并在2CRS任務中使用了回收的天龍座飛船。其中,330SES-10通信衛星發射任務是人類歷史上首次利用回收的火箭一子級成功執行衛星發射任務。1215日,SpaceX公司執行CRS-13任務是利用“二手”火箭發射“二手”飛船的第一次。

與此同時,SpaceX公司2017年開始大規模涉足美國軍方衛星發射合同,為美空軍、海軍、情報偵查局等提供服務。51日,法爾肯9火箭首次為美國國家偵察局(NRO)發射絕密間諜衛星NROL-76。97日,法爾肯9火箭成功將美空軍X-37B軌道試驗飛行器送入預定軌道,開啟X-37B第五次太空試驗任務,此次任務是X-37B首次使用宇宙神5以外的火箭發射。另外,SpaceX公司2017年擊敗ULA公司贏得美國空軍一份價值9650萬美元的合同,將在2019年發射一顆GPS3導航衛星,這是SpaceX公司繼20164月之后所獲得的第二份空軍GPS3衛星發射合同。

此外,快速推進新一代銥星組網任務,發射四批二代銥星,使得新一代銥星系統在一年內在軌衛星達到40顆,預計2018年初即可完成系統建設;完成7次高軌衛星發射任務,其中衛星最重的為Intelsat35e,重6760kg,客戶涵蓋歐洲衛星公司、國際移動衛星公司、國際海事通信衛星公司等國際重要衛星公司。

(四)微小衛星發射頻繁,多國完成一箭多星發射

2017年,世界微小衛星發射市場需求旺盛,共完成了10次搭載微小衛星的一箭多星發射任務,共將269顆微小衛星送入軌道。此外,1128日俄羅斯聯盟號2-1b/弗雷蓋特M火箭搭載的18顆微小衛星因上面級故障未能入軌。

20172月,印度利用PSLV-XL火箭將104顆衛星送入505km太陽同步軌道,創造了新的一箭多星世界紀錄。本次任務的主載荷是印度制圖衛星-2D,重714kg,此外還搭載了2顆納衛星和101顆立方體星,103顆小衛星總重約663kg。

20177月,俄羅斯聯盟號2-1a/弗雷蓋特M火箭進行了一箭73星發射任務,主星為俄羅斯“老人星V-IK”小型遙感衛星,搭載星為其他國家的72顆微小衛星。本次發射中,弗雷蓋特M上面級先后7次點火工作,將73顆衛星送入3條不同的軌道,創下了俄羅斯火箭一次發射衛星數量最多的新紀錄。

201711月,美國軌道ATK公司安塔瑞斯230火箭從沃勒普斯發射天鵝座飛船,執行該公司第8次國際空間站貨運任務。本次任務中飛船攜帶約3350kg貨物,包括16顆立方星。

(五)各國推進小型運載火箭研制,多型火箭進行試飛

2017年,世界各國紛紛推進小型運載火箭研制,并開展飛行試驗,包括新西蘭的電子號火箭;日本的SS-520-4火箭等。美國藍源公司、英國維珍銀河公司、歐空局(ESA)等也在實施各自的微小型衛星發射專用火箭計劃。這些火箭大多具備設計簡單、成本低、快速發射等特點。

20175月,火箭實驗室(RocketLab)公司自主研制的電子號火箭在新西蘭馬希亞綜合發射場進行首次飛行試驗。由于地面遙測設備故障,導致試驗失敗。電子號火箭是世界上第一個采用電驅動推進劑泵的火箭,500kmSSO運載能力150kg,LEO運載能力225kg。

20171月,JAXA發射了SS-520-4微小型運載火箭,旨在收集數據,驗證采用探空火箭技術和簡易發射流程的微小衛星專用火箭?;鸺痫w約20s后,地面失去遙測信號,發射失敗。SS-520-4火箭全長9.54m,直徑約0.5m,起飛質量為2.6t,LEO運載能力為4kg,未來升級改進型LEO運載能力將達到140kg。

此外,藍源公司計劃在新謝帕德亞軌道重復使用飛行器火箭級的基礎上增加小型上面級,形成兩級小型運載火箭,以滿足微小衛星的發射需求。維珍銀河公司將小衛星發射業務分離出來,成立了維珍集團的第三家子公司——維珍軌道公司,運營運載器1號空射運載火箭,為全球提供小衛星發射服務。運載器1號預計2018年開展首飛試驗,SSOLEO運載能力分別為200kg400kg,發射成本為1000~1200萬美元。ESA的小型航天器任務服務(SSMS)項目預計2018年采用織女星火箭進行微小衛星專用發射任務,目前正在為此次任務尋找共載載荷。

(六)航天發射故障增多,質量管控與可靠性需提升

2017年,航天發射失敗5次,較2016年(2次)有所增加,其中印度PSLV-XL火箭、俄羅斯聯盟號2-1b/弗雷蓋特M運載火箭為成熟型號,新西蘭電子號火箭和日本SS-520-4火箭為新研火箭首飛。

2017年的多次火箭發射事故表明,再成熟的型號也會有失利的潛在可能,火箭型號質量管控需要長抓不懈;運載火箭技術復雜,即使是技術相對簡單的小型火箭也存在較大的難度,尤其是私營航天公司還需要相當的技術經驗與質量管理積累。


附表

2017年世界航天發射記錄表


中國運載火箭技術研究院研發中心/唐瓊 胡冬生

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