全球航天这十年 • 运载火箭篇

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航天新观察

2020/1/1

                                                    第 228期

今天的阳光，醒得比你早。这是新年第一个清晨，这是新一个十年的第一天。

从单纯满足国家政治、军事和重大科技需求到逐步倚重商业，上个世纪90年代开始兴起的“新航天”大潮在过去十年间真正地席卷全球，空间探索事业沿着降成本、求创新的河道，留下太多大事，发生了太多变化——当然，在地球与宇宙的历史中，这都是微不足道的瞬间；毕竟，人类航天器第一次飞出大气层至今，不过63年。

从运载火箭、人造地球卫星、载人航天到深空探测，宙叔为你梳理这十年发展。今天，我们先看看国外的运载火箭。十年前的运载火箭主力与当前大不相同，几乎有70%已被替代，人类对运载工具的研究、发展、更新从未停歇。



曾经的全球发射量第一，俄罗斯辉煌不再

十年前，俄罗斯凭借联盟号、质子号、隆升号、第聂伯、天顶号等运载火箭，稳居全球火箭发射能力最大的国家，年发射次数也连续多年保持第一。2010年的全球74次发射中，俄罗斯的火箭（含乌克兰）占据了42%——也就是说全球的航天发射，近一半是用俄罗斯研制的火箭完成的。2011年全球84次发射中，俄罗斯的火箭占据39%。

十年前的俄罗斯以强大的研制能力、巨大的航天投入、火箭运力的多元化以及火箭优质的可靠性，稳居火箭发射市场第一位。以商业发射市场为主要方向的质子号火箭、在海上平台发射的天顶号3SL火箭、承担俄罗斯军星发射和空间站货物运输及宇航员往返任务的多面手联盟号火箭等多种型号的火箭，支撑了各类发射需求，让十年前的俄罗斯火箭有着广阔的展示空间。

然而，由于俄罗斯火箭经济性不足、成本高昂且发射市场需求不饱满，到了2019年，只有联盟号火箭在挑大梁了——发射了17次。天顶号火箭、第聂伯火箭退出历史舞台，老质子号的后续制造几乎停止但又不得不消化剩余产能，近两年转为发射政府或军用卫星。新的火箭型号服役遥遥无期，老火箭型号纷纷退役，未来很长一段时间内或将由联盟号独担大任。

从领跑全球发射到如今的发展前景不明，俄罗斯运载火箭的局面正是“新航天”淘汰的结果：巨额投入的火箭产业没有经济性作为支撑，必然陷入青黄不接的困局。



2010年全球发射次数（来源：Wikipedia）



后航天飞机时代，美国持续颠覆火箭产业

美国航天发射次数，曾多年保持全球第二。十年前，其主力运载工具为航天飞机、德尔它4、德尔它2、宇宙神5、米诺陶火箭等。虽然种类不如俄罗斯丰富，也基本上也做到了大中小型齐备、以大中型为主。

美国的运载火箭以可靠性为最大优势，十年前至今一如既往。与俄罗斯不同的是，美国NASA、政府部门和国防部并未在发射数量上有刻意的争取，即便年发射次数有所下降也不会很在意。例如，2010年至2012年年发射次数分别为15、18、13次。目前如果不计算猎鹰火箭，美国的其他发射次数加起来甚至还不如十年前。但美国仍然多年来顺水推舟地支持SpaceX公司火箭发展壮大，同时顺水推舟地促使老牌火箭退役。目前，美国十年前的所有运载火箭无一例外均已进入退役行列。2011年完成最后一飞的航天飞机曾是人类天地往返的巅峰时刻，却不得不因为高昂的费用和安全问题黯然谢幕。

美国火箭在2019年的发射次数为21次，其中13次来自猎鹰9。第二位的是电子号火箭，6次发射。其它次数是老牌火箭加在一起贡献的。可见，以市场机制、经济性为重要考量，美国这十年基本完成了运载火箭的更新换代。比如SpaceX的猎鹰9火箭，2010年至今，从刚刚成功发射卫星、刚刚开始考虑伞降回收一子级的1.0版本，发展到了今天一子级回收常态化、回收再发射流程固化、1.2版本的B5型火箭，并将回收能力扩展至猎鹰重型、“星船”火箭，彻底颠覆了火箭产业。

虽然美国火箭发射总次数十年来变化不大，但无论是猎鹰9、猎鹰重型这类大中型火箭还是电子号小运载，都是对产业的巨大革新，将火箭发射带入了一个全新时代。



2010年，猎鹰9首飞（来源：SpaceX）



反正阿里安多项全能，欧洲火箭懒得创新

十年前后，欧洲运载火箭格局没有太大变化，以阿里安5火箭作为大中型运载的主力，织女星火箭作为小型运载进行补充，发射次数也一直在5到10次之间浮动。对航天发射次数欧洲从不奋力追求，甚至连未来新型火箭的研发也似乎没有太多想法。在研的新型号阿里安6火箭，也是在受到SpaceX公司猎鹰火箭的竞争压力下半推半就一点点成型的，未来发射预计也不会如计划中那么快。而近十年来欧洲更多的火箭研发工作，仅仅是对阿里安5火箭的一级、二级及助推器做各种改进，以形成不同运力的版本。似乎这就是欧洲火箭的风格：不求创新与改变，很难增加新型号，也不愿过早淘汰老型号。

欧洲火箭十年不变的主要原因，一在阿里安5火箭确实是一款可靠性极高的火箭，近20多年来106次发射仅有2次失败和3次部分成功，而且失败和部分成功还主要集中于最早期的发射任务。如果除去那几次发射，阿里安5火箭几乎全部成功。织女星火箭任务虽然很少，2012年服役以来也一直保持成功记录，直到2019年7月11日令人意外地遭遇一次失败。这两款火箭近十年来运力互补且稳定性极高，让欧洲并没有太多动力去改变。

原因之二在于，阿里安5属于大型火箭，但往往又执行双星或3星的多颗主星发射任务，其发射能力涵盖了市场上（包括军事在内）几乎所有的大中小型（单星重量1吨到7吨）卫星发射需求。即使没有织女星火箭作为补充，阿里安5也能承担全球几乎所有的发射需求——不考虑档期和价格的话。

火箭能力更新换代的动力不足，导致欧洲火箭十年前和现在几乎无异。SpaceX公司的猎鹰火箭悍然“搅局”，也未能让欧洲摒弃火箭发展领域的惰性。当然，虽然进度并不乐观，阿里安6和织女星后续新型号的研发仍在进行中，也算是在寻求改变吧。



劳模阿里安5火箭（来源：ESA）



运力受限但成本低，印度火箭拓展国际市场

对于印度主要的运载工具——PSLV火箭而言，2010年是一个转折点。2010年及此前，PSLV火箭发射数量极少，每年只有1到2次，且多星发射数量不多，毕竟当时的PSLV火箭尚不成熟，需要积累经验。GSLV火箭就更不用说了，2010年以前几乎全是失败。

从2011年开始，这两型火箭开始步入正轨。GSLV火箭保持连续发射成功，PSLV火箭的一箭多星卫星数量更多，技术已非常成熟。PSLV的主星大多为印度政府或军用卫星，搭载的国外微纳卫星客户已遍及全球——2017年的104星发射，至今保持着人类单次卫星发射数量的最高纪录。尽管数量并不代表一切，至少证明了印度火箭低成本优势在国际市场上的显著竞争力。

在能力提升方面，印度火箭十年来几乎没有太大改进，PSLV火箭LEO运载能力约在3吨左右，GSLV也只是稍稍高出一点。受限于技术能力不够带来的运力瓶颈，印度航天十年来尽管大力投入，在载人航天、深空探测等领域未能实现大的突破，载人空间站任务、月球探测任务心有余而力不足。



104星中的101颗国际搭载微纳卫星



商业航天遇冷，日本火箭老样子

日本的火箭型号比较单一。主力火箭H-2A火箭属于大中型，另一个型号H-2B火箭运力稍大，主要用于发射空间站货运飞船。十年来，这两型火箭基本不参与国际竞争和商业任务，全部服务于日本政府、JAXA或军事任务，因此年发射次数完全取决于国家自身需求。火箭性能上也几乎没有变化，甚至连大的改进都没有。

看上去，日本航天对运载火箭的发展似乎没有太多型谱上的考虑；满足目前任务需求，用H-2A火箭基本就够了。唯一有新意的地方是从2013年开始，JAXA发展起了伊普西隆（Epsilon）这个百公斤级的小运载型号，到目前为止完成了4次入轨任务。火箭虽小，但对日本十分必要，毕竟用H-2A火箭成本巨大，只有极高价值的载荷才能使用，这将很多普通载荷拒之门外。伊普西隆小运载火箭的日渐成熟，或将带动日本此前不太热的商业航天。

总体而言，日本这十年在火箭领域创新不足。虽然有未来发展计划（如H-3火箭），但发展进度预计也不会太快。（待续）



H-2火箭（来源：Jaxa）



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