2022年国外重复使用运载器发展综述

  重复使用是航天运输系统的未来发展趋势，是实现安全、可靠、快速、自由、低成本进出空间的有效途径。当前，垂直起降、重复使用方案渐趋成熟，“猎鹰”9火箭已经实现常态化的回收复用，“超重-星舰”或将借此实现全箭复用，美俄欧日等国家和地区的主力火箭也都瞄准采用垂直起降方案实现重复使用。在航天飞机实现升力式火箭动力重复使用方案突破和有关技术基础的积淀后，近年来轨道级和亚轨道级重复使用运载器持续取得进展，2022年X-37B和“追梦者”等轨道飞行器均有所突破，美国商业公司也在推进亚轨道级的研制。在组合动力方面，英国喷气发动机公司继续面向远期单级入轨开展“佩刀”预冷组合循环发动机的研制，美国则着重关注超燃冲压发动机和涡轮基组合循环动力（TBCC）的技术方案验证。另外，伞降回收技术在整流罩回收和小型火箭一子级或发动机部段回收方面也在2022年取得一定进展。

  2022年，“猎鹰”9火箭共发射60次，超过全球火箭发射总数的1/3，共将2009个载荷成功送入轨道。在60次发射中，成功回收一子级58次，2次任务因一子级复用次数接近上限及商业用户想要发射到更高的轨道而放弃回收。其中，陆地回收10次，海上回收48次，在48次海上回收中使用“缺少庄重”（ASOG）回收船22次、“读读说明书”（JRTI）回收船18次和“当然我还爱着你”（OCISLY）回收船8次。

  60次任务仅使用4枚新的一子级，其余56次均采用复用一子级执行发射任务；执行任务时复用10次及以上的子级发射共计19次，一子级复用的平均间隔为95天。2022年复用次数排名前四的子级分别是编号B1062子级8次，编号B1058、B1071和B1061子级复用次数都是6次。2022年6月，“猎鹰”9火箭采用编号B1060一子级助推器执行“星链”发射任务，复用次数达到13次，是太空探索技术（SpaceX）公司第100次使用回收复用的一子级完成飞行任务；4月，编号B1062的一子级创下21天的最短复用间隔；12月，编号B1058的一子级助推器执行“星链”发射任务时复用次数达15次，创下子级复用记录。

  上述数据不仅表明“猎鹰”9火箭的垂直起降复用技术愈加成熟，而且也初步显现出类似航班化运营的模式，新制造的硬件越来越来少，复用次数慢慢的变多，复用周期和间隔越来越短，检测维护投入更多。SpaceX公司更关注复用准则方面的探索，关注工艺流程的每一个环节，包括助推器维护、发射台、回收小组、整流罩，研究怎么样优化、加快回收速度和缩短发射间隔。通过振动试验验证重要部件的疲劳寿命能达到15次飞行任务时长的4倍，建立3个级别复用检测维护准则，即每次任务后都进行A级检测，执行6~7次飞行任务后进行B级定期维修，发射次数最多（13次以上）和执行载人任务后需进行C级彻底维护。SpaceX公司正在试图将可靠性工作的重点从整一个流程末端的检测工作转移到火箭的制造和装配过程中，由此减少成品火箭的检测要求。

  虽然“猎鹰”9火箭各项技术已处于世界领先，但2022年11月30日，在不到2周的时间里SpaceX公司第2次推迟了“猎鹰”9火箭发射任务，具体原因未公布。

  另外，时隔3年，“猎鹰”重型火箭于2022年11月1日成功发射，执行军方发射任务，将卫星直接送入地球静止轨道（GEO），火箭芯级未回收，仅回收了2枚助推器。自2018年以来“猎鹰”重型火箭共发射4次，助推器回收均取得成功，但芯级都没能回收。

  SpaceX公司向美国航空航天局（NASA）和美国国防部承诺“猎鹰”9的发射服务至少要维持到2030年，并打算在未来将商业客户连同自己的“星链”卫星发射业务转由目前正在开发的完全可重复使用的“超重-星舰”运输系统来负责。

  在“猎鹰”9火箭实现常态化复用的同时，其“超重-星舰”全复用重型运载火箭仍持续快速迭代，或将变革未来进入空间的方式，而美国五角大楼则探索利用“超重-星舰”实现军事物资快速投送。

  2022年2月，SpaceX公司举办“超重星舰”最新进展发布会，全面介绍了最新的设计的具体方案。“星舰”飞船级基础构型采用6台“猛禽”发动机，其中，3台是线台是海平面型发动机，未来增至9台后可具备单台发动机故障冗余能力，且具备整级逃逸能力；超重火箭高度69m，发动机增加至33台海平面型“猛禽”发动机，起飞推力达到75900kN。全箭直径仍为9m，近地轨道运载能力达到100~150t，执行“星链”发射任务时运载能力为100t。在热防护方面，采用耐高温、可复用的低成本防热瓦，在SpaceX公司称为“面包店”的工厂内自行研发制造，马斯克称采用了很多房屋屋顶瓦的技术。另外，该公司公布的新版“星舰”飞船采用翻盖式整流罩设计，能够允许工程师开发一种机制来收集卫星，实现在轨卫星捕获，以便对卫星进行在轨维修，或将其带回地球处理，亦或将其转移到新的运行轨道。此外，马斯克在6月透露了“星舰”在轨部署“星链”V2.0卫星的新方式，卫星在“星舰”有效载荷整流罩内同样采用多层堆叠布局方案，每一层并排布置2颗“星链”V2.0卫星，“星舰”进入预定轨道后，会在有效载荷空间底部打开一个扁平出口，位于堆叠载荷底层的2颗“星链”卫星利用类似冷弹射的方式从扁平出口顺序弹射出来进入轨道，之后，堆叠载荷整体下移，下层的2颗卫星再从“星舰”弹射出来，不断循环部署。

  2022年7月，SpaceX再度公布“猛禽”发动机最新进展，发布了“猛禽”V2发动机相关信息，相比前一代“猛禽”，V2发动机取消大量电线和敏感元件，利用焊接替代法兰连接结构，大幅度降低复杂度，使得发动机整体上更加简洁，在制造方面变得更容易、更快捷、更便宜，最终将生产所带来的成本降低到1000美元/t，在2300kN推力目标下生产所带来的成本降低至23万美元，而且SpaceX成功验证1周制造完成7台“猛禽”V2发动机的批产速度。另外，SpaceX公司取消了主燃烧室内的火炬点火器，利用高温甲烷和氧气实现自燃，简化结构；线发动机改为固定喷管设计；增大了喷管喉部面积，通过降低比冲换取更大推力。改进之后，海平面型“猛禽”V2发动机结构质量降至1.6t，推力提升至2300kN，燃烧室压力达到30MPa，比冲327s，推重比和燃烧室压力创下新纪录。不过，“猛禽”发动机地面试车遭遇多次爆炸事故，但是极高的批产能力能够支撑其快速迭代和试验验证。

  除了火箭与发动机设计改进外，“超重-星舰”系统最大的变化在于发射和回收地面系统的改进，SpaceX将发射/回收塔架称为整个“超重-星舰”系统的“第0级”，它的重要程度与“超重-星舰”的一、二级相同，从设计到制造完成历时13个月。SpaceX公司使用类似于“筷子”的机械臂回收超重火箭级，能实现快速翻新和再次飞行。2022年3月，SpaceX公司利用发射塔架上的机械臂将“星舰”飞船级垂直提升后，与B4超重原型机完成垂直对接装配，这是超重B4原型机和S20星舰样机的第2次装配对接。然而，原计划与其组合进行首次轨道试飞的超重B4原型机从未达到类似的飞行准备水平，最终，在飞行硬件、发射台设计进度和政府审批等多方面因素被长期推迟的情况下，B4和S20的技术出现严重过时问题，SpaceX决定利用新的原型机进行首次轨道试飞。首次轨道试飞使用超重B7原型机和星舰S24原型机，10月，SpaceX首次将超重B7和星舰S24原型机进行堆叠试验，即将进行全箭射前演练，并先后完成B7和S24样机的多次静态点火试车，“超重-星舰”发射脚步越来越近。

  SpaceX公司在2022年年初得到美国空军价值1.02亿美元的“火箭货运”合同，旨在验证利用重型重复使用火箭实现100吨级军用物资的全球1h快速投送，未来很可能会对作战后勤补给产生颠覆性影响。而NASA也在11月给予SpaceX公司价值11.5亿美元合同，再购买一次登月版“星舰”飞船级任务，支撑NASA的第2次载人登月任务。显然，政府对SpaceX的支持也极大促进了“超重-星舰”的进展。

  “猎鹰”9火箭在垂直起降技术方案上的成功和突破，明显降低了发射成本和价格，凭借低成本优势快速部署占据了大量的市场占有率，迫使各国争相创新研制重复使用技术。

  欧洲政府机构和工业部门也都在积极研制重复使用技术，欧盟委员会和欧空局纷纷投资“普罗米修斯”液氧甲烷发动机和“塞米斯”垂直起降验证机，“普罗米修斯”发动机推力为1000kN，采用了大量的新材料和新工艺，并于2022年11月成功进行首次点火试车。同时，欧空局部长级理事会提出未来航天运输新方向，推进“太空骑士”重复使用运输系统完成在轨演示与验证。欧洲委员会支持阿里安集团开展可重复使用火箭研制，阿里安集团成立马伊亚航天（Maiaspace）公司，专注于小型垂直重复使用火箭的研制。另外，“阿里安”6后续也会向垂直起降重复使用方向发展。日本也在和欧洲合作开展“克里斯托”垂直起降验证项目，计划在H-3火箭未来改进和演进构型中引入重复使用技术。俄罗斯新闻媒体报道，采用液氧甲烷动力的“阿穆尔”垂直起降复用火箭在2022年11月完成设计的具体方案评审，而且俄罗斯提出在“安加拉”A5火箭上采用集束式回收的方案，后续也可能实现助推器和芯一级的回收复用。

  美国火箭实验室公布更详细的“中子”火箭设计的具体方案，箭体结构采用碳复合材料制造，设计高度42.8m，直径7m，整流罩直径5m，一子级使用9台“阿基米德”发动机，二子级使用1台发动机，燃料为液氧/甲烷，一子级复用状态下近地轨道最大运载能力13t，一子级一次性状态下最大运载能力15t。其方案特点包括：整流罩包裹一次性上面级，两瓣整流罩打开但不分离，上面级携带载荷分离后入轨，整流罩重新闭合随一子级返回；一子级采用固定支撑，部分替代地面发射支撑机构的功能。相对论太空公司“地球人”R完全复用火箭也取得了新进展，直径5.5m，全长66m，采用全3D打印制造，被称为迷你版“超重-星舰”，该火箭采用“永世”R发动机燃烧室和涡轮泵，已经在2022年完成多次地面试车试验。

  2022年11月，X-37B轨道飞行器在轨运行908天后返回地面，在NASA肯尼迪航天中心的航天飞机跑道着陆，这是X-37B第6次执行任务，刷新此前在轨780天的纪录。本次OTV-6任务于2020年5月17日利用美国联合发射联盟（ULA）公司的“宇宙神”5火箭从卡纳维拉尔角空军基地的41号发射台执行发射操作，成功将X-37B轨道试验飞行器送入空间。与此前的5次OTV任务不同，OTV-6任务第一次增加服务模块，服务模块是附在X-37B飞行器尾部的一个环，可以在执行任务期间增加实验的数量。服务舱在X-37B从轨道返回前，成功地与X-37B分离。

  在商业轨道飞行器方面，美国山脉航天公司持续推进“追梦者”轨道飞行器的研制工作，启动首架飞行器的总装工作，并选定日本大分机场、美国航空航天港等多个新着陆点，计划2023年利用“火神”火箭发射执行首飞任务，为“国际空间站”提供货运补给。此外，山脉航天公司也参与到美国军方“火箭货运”计划，探索利用“追梦者”飞行器为军方提供3h全球到达能力。

  在升力式亚轨道飞行器方面，美国维珍银河公司的“太空船二号”飞行器在2021年遭遇事故接受调查后，2022年未能实现复飞，公司股票价格也受到非常严重影响，目前正集中资源实现在2023年第2季度复飞的计划。另外，商业初创公司——弧度宇航公布“弧度”1火箭动力的单级入轨飞行器方案，并宣布获得2750万美元融资，飞行器采用水平起降的方式，可在 48h内进行翻新返回太空。

  另外，阿里安集团在国际宇航大会（IAC）上提出“苏西”重复使用轨道飞行器，它采用动力反推的方式垂直降落软着陆后实现可重复使用，外形和返回着陆方式类似于SpaceX公司的“超重-星舰”飞船，但在轨运行期间，两扇舱门可展开，又类似于美国的航天飞机。“苏西”可以执行各种任务，包括卫星在轨服务、建设轨道设施、处理空间碎片及为航天员运送补给物品等。

  目前，航天飞行器正在开发新型组合动力技术以实现先进的作战能力和进入空间能力，以超燃冲压发动机为基础的组合动力方案非常关注，主要还包括火箭基组合循环发动机和涡轮基组合循环发动机。

  英国喷气发动机有限公司为继续推动开发用于高马赫飞机、导弹和空间飞行器的预冷器技术，正在进行一项由美国空军支持的旨在明显提高预冷器系统性能的试验计划。该公司研制的以预冷循环方式为主的“佩刀”发动机取得很大进展，2022年7月，“佩刀”发动机的集成氢预燃器系统开始做地面试验。另外，美国赫尔墨斯公司完成新设计发动机的一项重大试验，加速了其可重复使用高超声速飞机的研制进程。该公司的“奇美拉”组合动力发动机在印第安纳州的圣母大学涡轮机械实验室进行了一系列试验，成功实现从涡轮喷气发动机到冲压吸气发动机的模态转换，该公司是首家完成这类试验的商业公司。

  组合动力发动机目前大范围的应用于高超声速武器中，2022年3月中旬，美国国防高级研究计划局（DARPA）开展了高超声速巡航导弹验证项目——高超声速吸气式武器概念的第2次样机自由飞行试验。该试验导弹样机由洛马公司研制，发动机由航空喷气•洛克达因公司研制，飞行器高度达到19.8km，飞行距离超过了555.6km。7月初，成功进行了第3次样机自由飞行试验，此次试验的飞行器由雷锡恩技术公司制造开发，飞行器以大于马赫数5的速度飞行了超过555.6km，飞行高度超过18.28km。DARPA在2023财年预算中通过了新项目支持超燃冲压发动机巡航导弹的第4次飞行试验。另外，7月，日本宇宙航空研究开发机构成功发射了一枚S-520-RD1试验火箭，装载了超燃冲压发动机的试验装置，这种发动机计划用在马赫数5以上的高超声速飞机上。

  美国火箭实验室在多次开展一子级伞降落海打捞及直升机空中捕获一子级样机的演示试验后，在2022年5月成功利用直升机空中捕获完成发射任务伞降返回的一子级，但由于直升机飞行受一定的影响，被迫又松开了一子级，使其落入海中，而在11月的回收尝试中则是因为一子级定位问题也未能成功将其捕获，虽然目前还没能完全将硬件带回，但是已经对方案进行了验证。

  SpaceX公司在“猎鹰”9火箭整流罩的回收和再利用方面已取得了坚实的成果，但是为了达到更好的效果，SpaceX对其整流罩支援船进行了改造，增加充气装置避免整流罩碰撞冲击，增加新索具提升操作效率。

  ULA公司计划在“火神”火箭上采用发动机部段伞降回收的方案，且为了更好的提高回收效率，降低操作成本，2022年将直升机捕获的环节取消，直接伞降到海上打捞回收。“火神”火箭伞降回收采用的充气式超声速减速装置已在“宇宙神”5火箭11月的发射任务中成功进行了验证，证明充气式热防护和减速装置具有非常好的热防护和减速效果。

  当前，航天运输正在由“解决如何进入空间”问题转向“解决如何低成本进入空间”问题。发展重复使用技术可实现快速和高频次进出空间。确保安全、可靠、快速、低成本进出空间是大规模开发利用空间资源的前提，实现低成本、快速周转发射进出空间，将有力支撑未来规模化发射、应急发射等高密度发射活动，有利于发展绿色航天。另外，发展重复使用技术能引领科学技术创新，推进航天技术自主可控，带动航天产业变革与国民经济建设。实现航天运输由一次性向重复使用的重大跨越，将有力带动先进空天动力、耐高温轻质材料、先进制造与检测等基础学科进入世界领先水平，推动航天技术自主可控。最后，重复使用技术将大幅推动空间产业变革，亚轨道重复使用运载器未来可应用于亚轨道旅客高速运输、货物快速运输、太空观光旅游等，还能以此为基本的建设舒适的航天港，实现太空度假，以及在失重、真空、无菌环境下进行产品加工、生物制药等，极大地改变人们的生产和生活方式。（原载于《中国航天》2023年第二期）

  本文转载自“中国航天”，作者：樊伟 王林 龙雪丹 杨开，原标题《2022年国外重复使用运载器发展综述》。

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