2023年国外重复使用运载火箭发展综述
1 概述近年来，美国太空探索技术公司（SpaceX）的“猎鹰”（Falcon）系列火箭凭借复用能力，实现了高频次发射，极大提升了进入空间能力，支撑了“星链”（Starlink）低轨巨型星座的部署和应用，同时还有效降低了发射成本。当前，SpaceX公司正在发展完全重复使用的“星舰”（Starship）系统，百吨级的低成本、高频次发射能力或将进一步推动航天产业的颠覆性变革。随着SpaceX公司重复使用火箭的工程研制和应用逐步走向成熟，国外航天机构和企业对重复使用火箭的态度从质疑和观望，转变为认同和跟随，使得重复使用运载火箭在世界范围内成为大势所趋。
从重复使用火箭的发展路径看，主要包括三种：一是类似于猎鹰-9火箭的一子级垂直起降方案，采用多台发动机并联，完成发射任务后，通过发动机反推和栅格舵气动控制，最终利用着陆支架在海上平台或陆地着陆工位，实现返回着陆；二是利用降落伞技术，在发射后对火箭子级、整流罩或发动机进行控制和减速，落海后，再对关键高价值部件进行打捞回收；三是在火箭子级上增设翼面和着陆支架等硬件，子级执行任务后，利用翼面升力滑行返回着陆场着陆。目前，垂直起降方案的应用最为成熟和广泛，伞降回收作为一种补充形式也已得到应用，而采用带翼飞回方案的运载火箭还处于研究阶段。
从重复使用运载火箭的运载能力而言，绝大多数为重型或大中型运载火箭，仅有少部分为小型火箭。本文根据运载火箭规模，从重型、大中型、小型三类重复使用运载火箭，梳理国外发展情况，分析研判总体态势。
2 重型重复使用运载火箭
美国“星舰”持续快速迭代，
系统方案已得到初步验证
SpaceX公司自2016年首次发布“星际运输系统”（ITS）方案，以每年一轮全面迭代的速度，到2019年更新“星舰”的代号及构型方案，确定了9m直径、不锈钢舰体结构、被动热防护等基本特征，并利用工艺粗糙、外形类似水塔的星跳号（Starhopper）开展百米高度的低空跳跃试验，使整个系统研发走上了快车道。此后，SpaceX公司从2020年开始先后利用MK和SN系列的“星舰”全尺寸样机开展地面试验和飞行试验，在经历大量事故、失利和故障，且大部分验证机遭遇损毁后，SpaceX实现了“星舰”方案的快速迭代和优化，并在2021年成功利用SN15星舰样机完成10km高度的垂直起降飞行试验，验证了系统方案及关键技术，并使其迈入轨道级飞行试验阶段。同样，在多个“超重”火箭级和“星舰”飞船级全尺寸样机的迭代过程中，伴随着大量硬件的快速制造、试验和损毁，使得技术方案得到持续优化，并在2023年开展了2次“星舰”的入轨飞行试验（见图1）。尽管两次都遭遇失利，但在改进后，“热分离”方案取得成功，“猛禽”（Raptor）发动机在上升过程中正常工作，距离入轨仅一步之遥。2024年，SpaceX公司计划开展5次“星舰”入轨飞行试验，不仅大概率会达成入轨的目标，“超重”火箭级返回着陆的能力也有望得到验证。
图1“星舰”第二次入轨飞行试验
俄罗斯再提发展“叶尼塞”火箭
俄罗斯重型火箭研制计划几经沉浮后，俄罗斯航天国家集团公司（Roscosmos）负责人在2023年对外公布，将在2024年重启“叶尼塞”（Yenisei）重型火箭研制工作，并强调其将具备重复使用能力。但是，关于重型运载火箭的项目申请仍待提交审批，尚未得到确定。加之本就不充裕的航天预算可能因俄乌冲突被进一步压缩，因此其重复使用重型火箭前景还不明朗。俄罗斯最初在2020年提出“叶尼塞”重型火箭研发，原计划采用渐进式研发模式，基于在研的联盟-5（Soyuz-5）火箭一子级作为助推器，通过捆绑6枚助推器替代大直径箭体结构实现百吨级的运载能力，但主要结构直径均在4m左右，芯级采用1台双喷管的RD-180MV液氧煤油发动机，助推器采用1台四喷管的RD-171MV发动机；二子级采用2台RD-0146氢氧发动机。到2023年，联盟-5火箭和安加拉-A5（Angara-A5）氢氧二子级研制的进展都不算顺利，因此“叶尼塞”重型火箭后续发展仍存在很大的不确定性。
欧洲航天局开展重型火箭方案研究
欧洲航天局（ESA）与阿里安集团（ArianeGroup）和奥格斯堡火箭工厂（RFA）签订了研究合同，评估开发“欧洲重型运载火箭”（EHLL）的可行性并确定所需的关键技术。ESA规划论证的重型运载火箭计划采用重复使用技术，针对近地轨道任务优化，并与欧洲“太空运输工具”（ISTV）配合协同，支撑“欧洲净排放和数据先进太空云”（ASCEND）计划和“欧洲天基太阳能”（SOLARIS）项目，实现太空基础设施大规模部署，提升自主进入空间能力。同时，ESA在2023年5月与阿里安集团、艾维欧公司（Avio）等签署了研究合同，探索未来航天运输系统的新方案，意图构建涵盖重型重复使用火箭在内的通用模块化火箭型谱。不过，目前ESA重在方案论证以及大推力发动机等关键技术的积累，尚未明确研制计划。
3 大中型重复使用运载火箭
美国“猎鹰”火箭引领潮流，
多款在研型号持续创新方案
美国SpaceX公司的猎鹰-9火箭是最早实现重复使用的运载火箭，猎鹰-9及“猎鹰重型”（FalconHeavy）也是目前唯一在用的轨道级重复使用火箭，并且正在持续刷新复用次数纪录、周转时间等纪录，成为技术发展的引领者。截至2024年2月底，猎鹰-9火箭已经完成303次发射任务，其中234次任务均采用重复使用一子级执行，最大复用次数已经达到19次。2023年，SpaceX公司在一年内仅用15枚一子级支撑完成了91次猎鹰-9火箭发射，单枚一子级两次发射间的平均时间间隔仅为55.8天。在重复使用指标和数据快速突破的同时，SpaceX公司也在不断挖掘火箭的运载性能，猎鹰-9火箭在一子级复用状态下的最大近地轨道运载能力已经达到17.5t，而“猎鹰重型”也在2023年成功将约9.2t的世界最大通信卫星木星-3（Jupiter-3）送入地球同步转移轨道（GTO），创下了该型号的最高GTO载荷质量纪录。
SpaceX公司的猎鹰-9、“猎鹰重型”火箭在发射应用方面一枝独秀，但还有多家商业航天公司紧跟步伐，在借鉴成熟经验的基础上进一步创新，包括蓝色起源公司（BlueOrigin）的“新格伦”（NewGlenn）、火箭实验室（RocketLab）的中子号（Neutron）、相对论空间公司（RelativitySpace）的人族-R（Terran-R）、斯托克航天公司（StokeSpace）的“新星”（Nova）等。虽然上述型号均采用两级串联构型和一子级垂直起降方案，但又各有特色，体现出技术上的差异性。
蓝色起源公司的“新格伦”火箭，直径7m，高90m，规模相比“猎鹰”大幅提升，近地轨道运载能力达45t。重复使用一子级采用了7台240t的BE-4液氧甲烷发动机并联，上面级沿用该公司较为成熟的BE-3U氢氧发动机，充分发挥氢氧动力在空间的高比冲优势提升性能。“新格伦”火箭的全尺寸试验箭已经在2024年2月运抵发射台，开展推进剂加注等地面验证活动，计划在2024年实现首飞。
火箭实验室的中子号火箭总体轮廓为锥形，底部最大直径为7m，可容纳9台“阿基米德”液氧甲烷发动机并联，整流罩直径为5m，高度为45m，起飞质量480t，近地轨道运载能力约13t。中子号火箭的主要特点包括：一是全箭采用复合材料结构，发挥火箭实验室在复材结构制造装配上的技术储备和优势；二是将重复使用一子级和整流罩一体化设计，两者不分离，而是依靠旋转机构展开/闭合整流罩，将包裹在内的一次性上面级和载荷部署到预定高度后，两者一同返回，垂直着陆后。火箭实验室虽然计划在2024年进行中子号首飞，但仍未开展“阿基米德”发动机试车，总体计划很可能会被推迟。
相对论空间公司在2023年遭遇人族-1首飞的失利后，果断放弃小型火箭计划，聚焦人族-R大型重复使用火箭，主打全箭3D打印技术特色，研制出卧式3D打印机，用于大直径贮箱等箭体金属结构的快速、低成本制造。人族-R直径为5.5m，高度达82m，重复使用一子级采用13台推力120t的永世-R液氧甲烷发动机并联，近地轨道运载能力达33.5t。相对论空间公司正在开展发动机试车，以及全尺寸结构的制造验证，计划在2026年进行人族-R首飞。
斯托克航天公司正在研制完全重复使用的“新星”火箭，直径4m，高30m，一二子级均采用垂直起降方案，且全箭采用不锈钢材料结构。新星火箭一子级类似于猎鹰-9火箭，采用7台液氧甲烷发动机。二子级采用氢氧发动机，借鉴飞船返回舱底部大上部小的外形，大底朝下再入，并利用液氢输送管路进行主动冷却。另外，二子级氢氧发动机推力室分散在底部热防护周围，共计30个，不仅解决了再入热防护问题，而且具备大范围的推力调节能力和差动控制能力（见图2）。2023年，该公司利用二子级地面试验样机完成了首次低空跳跃试验，但总体方案还在持续优化过程中，尚未完全闭合，也未明确首飞时间。
图2“新星”火箭二子级（含整流罩）飞行概念图
除上述重复使用方案外，联合发射联盟（ULA）作为美国典型的传统火箭研发和运营公司，也为其“火神”（Vulcan）新型主力火箭提出了重复使用路径，利用伞降回收技术和充气式热防护技术，实现一子级发动机部段的重复使用。ULA公司已经在2022年的发射任务中对充气式热防护进行了飞行验证，正在开展海上打捞回收操作的演练，未来也可能为火箭重复使用探索出一条新路径。
俄欧日印明确下一代主力火箭路线，
重点聚焦垂直起降技术
在美国依靠商业公司实现重复使用运载火箭技术突破的背景下，俄罗斯、欧洲、日本和印度等国家的航天研发机构被迫应对，均在原有发展规划的基础上做出调整，相继提出下一代主力火箭走向重复使用的技术路线，或是明确了火箭型号研制计划，或是启动了技术预研和飞行演示验证计划，重点都在于垂直起降重复使用技术的攻关。
俄罗斯率先在2020年批准和启动了“阿穆尔”（Amur）垂直起降重复使用火箭的研制，计划投入8.8亿美元。“阿穆尔”火箭对标猎鹰-9火箭，采用两级串联构型和复合材料结构，直径4.1m，重复使用一子级采用5台RD-0169液氧甲烷发动机，近地轨道运载能力为10.5t，发射价格2200万美元。俄罗斯正在开展发动机样机研制试验、控制系统设计分析等工作，预计2028—2030年实现首飞。另外，马克耶夫国家航天中心在2023年提出继续开展“科罗纳”（Corona）垂直起降火箭的研制，起飞质量302～315t，单级入轨构型的运载能力5.5t，两级入轨构型10.6t，但尚未获得政府立项，未来发展仍有很大不确定性。
在SpaceX公司猎鹰-9火箭于2015年底成功返回着陆后，欧洲也开始关注并重点探索垂直起降重复使用技术，先后利用“老鹰”（Eagle）、“青蛙”（FROG）等小型验证机进行技术研究，并研制直径1.1m的“克里斯托”（Callisto）垂直起降验证机，计划2024年开始飞行试验，演练回收操作。ESA在2016年批准研制推力100t的“普罗米修斯”（Prometheus）重复使用液氧甲烷发动机，已完成多次地面试车。ESA还在2020年开始发展直径3.5m的“塞米斯”（Themis）垂直起降验证机，采用3台“普罗米修斯”发动机，计划从2024年启动飞行试验。欧洲目前重点在于技术验证，尚未确定型号研制计划，规划中“下一代阿里安”（ArianeNext）重复使用火箭要到21世纪30年代才能够达成目标。
日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）最早从2016年参与欧洲“克里斯托”验证机的研制计划，并在2023年10月开始联合三菱重工等工业部门开展日本下一代主力运载火箭方案研究，提出采用垂直起降重复使用一子级。而日本内阁府的太空政策文件也强调重复使用是下一代火箭所需的关键技术。印度空间研究组织（ISRO）在2023年表示，该机构针对下一代运载火箭（NGLV）的方案论证工作已经达成了阶段性成果，为部分重复使用的火箭方案，将采用新型火箭发动机。
4 小型重复使用运载火箭
美国电子号小型火箭伞降回收进展顺利，
在发射任务中逐步得到验证
美国火箭实验室的电子号（Electron）火箭是目前世界上发射频率最高的小型火箭之一，在2023年完成9次发射（含1次失利）。作为众多小火箭创企中的佼佼者，火箭实验室正在开展电子号火箭一子级伞降回收方案的试验验证，以进一步提升其发射频率。一子级分离后，无动力返回大气层并先后通过减速伞和主伞降低一子级速度，最后以较低的速度落到海上，再利用打捞船打捞回收，之后进行分析并评估是否复用。2023年7月，电子号小型运载火箭执行第39次发射，首次采用伞降落海打捞的新方案，并成功回收火箭一子级。2023年8月，电子号执行发射任务时采用1台此前海上回收的一子级发动机，并成功将载荷送入轨道，实现了关键部件的重复使用，验证伞降落海回收的可行性。
俄罗斯缓慢推进带翼飞回式
小型重复使用火箭
俄罗斯自苏联解体后一直在研究采用带翼飞回式的火箭一子级或助推器，从20世纪90年代计划用于“安加拉”系列火箭的“贝加尔”（Baikal）助推器，到21世纪10年代的“重复使用火箭和航天系统”（MRKS），再到2018年提出的翼-SV（Krylo-SV）计划。翼-SV的缩比验证机直径0.8m，全长6m，配备1台电动泵火箭发动机，最高速度马赫数可达6，即将开展直升机挂飞投放试验，验证其滑翔和着陆能力。翼-SV全尺寸验证机长12m，可发射至110km高度，飞行400km后返回发射场，不需要采用复杂的热防护。俄罗斯计划将折叠翼构型的翼-SV作为小型运载火箭的一子级，近地轨道运载能力600kg，不仅能够提高航天发射的成本效益，而且还可能用于支撑国防领域的快速响应发射需求。
欧洲将“玛雅”小型垂直起降火箭作为先行者
在欧洲初步确定“下一代阿里安”采用垂直起降复用方案的基础上，阿里安集团作为“阿里安”系列火箭的主承包商，提出了渐进式的发展路径，计划将“塞米斯”验证机的成果转化应用到“玛雅”（Maia）小型运载火箭上，其一子级直径3.5m并采用3台“普罗米修斯”发动机并联，与“塞米斯”完全相同，将成为“下一代阿里安”火箭的探路者和先行者。然而，重复使用状态下“玛雅”小火箭运载能力仅为500kg，相比一次性使用状态下1500kg的运载能力，下降了2/3。欧洲已经在2023年针对其上面级开展了低温推进剂加注试验，计划在2025年实现首飞，2026年进行一子级回收试验（见图3）。
图3“玛雅”小型火箭示意图
5 小结
从国外发展总体情况看，美国处于绝对领先地位，既有成熟广泛的应用，也有更多方案和技术的创新。俄罗斯运载火箭技术积累深厚，特别是此前已经具备了重复使用火箭发动机技术，如果研制经费得到保证，“阿穆尔”按期在2028—2030年实现首飞，可能最早在主力大中型火箭上达成重复使用的目标，实现对美国的追赶。欧洲、日本目前是以技术演示验证项目为先导，充分掌握和验证方案后，才会在型号上应用，主力大中型火箭至少要到2030年后才能得到应用，而小型火箭有可能在2026年之后率先实现验证。印度仍处于论证阶段，动力技术较为落后，短期内难以实现应用。
从火箭规模上看，未来的重型和主力大中型火箭大多将具备重复使用能力，而且将面向近地轨道任务进行优化，以实现重复使用效益的最大化。小型火箭重复使用的运载能力折损较大，实际效益可能并不显著，其主要目标重在技术方案演示验证或者提升发射频率，并非重复使用火箭发展的主流方向。
来源/《国际太空》2024年第4期编辑/刘维德责编/王晓宇
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