为适应未来军事和商业航天低成本发射需求,世界各航天机构纷纷提出各自的低成本运载火箭设计方案,并采取各种技术措施大幅降低发射成本。对各主要方案和技术进行对比,从美国某型运载火箭各组成部分与其质量和成本估计、猎鹰9R可重复使用运载火箭运载能力损失和总低成本估计两个方面分析了运载火箭成本与性能的关系,并为我国低成本运载火箭研制提出相应发展建议。 By the low cost requirement in military and commerce spacecraft launch tasks, many space institutions in the world have proposed multifarious design schemes of low cost launch vehicles, and all kinds of new technologies and measures have been adapted to reduce the total launch cost. The paper researched the major design schemes and key technologies comparatively. Then the relationship between of cost and performance of the launch vehicles are independently analyzed from mass percents and cost percents of the major components for a certain American launch vehicle and carrying capability loss and total low cost for a reusable launch vehicle. At last, several proposals were presented for the development of low cost launch vehicles in China.
刘党辉,尹云霞,辛朝军,李岩
装备学院,北京
收稿日期:2017年4月19日;录用日期:2017年5月6日;发布日期:2017年5月9日
为适应未来军事和商业航天低成本发射需求,世界各航天机构纷纷提出各自的低成本运载火箭设计方案,并采取各种技术措施大幅降低发射成本。对各主要方案和技术进行对比,从美国某型运载火箭各组成部分与其质量和成本估计、猎鹰9R可重复使用运载火箭运载能力损失和总低成本估计两个方面分析了运载火箭成本与性能的关系,并为我国低成本运载火箭研制提出相应发展建议。
关键词 :运载火箭,低成本,运载能力,发展建议
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太空资源以其独特的特点和优势,在国家的经济和军事等领域起着重要作用。随着卫星技术的发展,微小卫星通过组网能实现以前复杂大卫星的功能,能满足应对突发自然灾害和军事斗争对空间侦察、通信、导航、气象等信息的应急需求,因此微小卫星的快速发射任务急剧增加。但是,目前将航天器送入太空的成本仍然很高。而微小卫星即使采用搭载方式发射,也会因为主卫星发射计划变更、微小卫星入轨特殊要求、搭载发射利润不高等各种原因,往往导致发射推迟,甚至难以列入发射计划。因此,较高的发射成本已成为制约航天技术与应用发展的一个主要因素。
一般来说,新型号运载火箭的设计、研制、试验费用往往高达数亿美元。除此之外,一枚运载火箭的发射成本包括运载器生产费用、运载器发射费用和测控通信费用。近年来,由于商业卫星发射公司的竞争,如美国太空探索公司(SpaceX)的猎鹰9号运载火箭发射报价为5700万美元,使得美国联合发射联盟(ULA)的宇宙神5运载火箭发射报价从1.8亿美元降为大约1.2~1.3亿美元,欧洲的阿里安5运载火箭发射报价降为0.9~1亿美元。此外,俄罗斯的质子号运载火箭发射报价为7000万美元,中国的长征三号乙运载火箭发射报价达6000万美元 [
据美国航天基金会2015年发布的统计数据,在2010年至2014年间,全球航天业保持每年6%到7%的稳定增长,其经济总量达到3300亿美元,其中约76%来自商业航天领域 [
为了降低运载火箭发射成本,打破ULA公司的发射垄断,近十年来,美国通过制定一系列政策法规、商业合同以及人员和技术转让等方式,率先大力鼓励商业航天发展 [
自上世纪60年代以来,美国一直希望得到廉价的、反应迅速的、可靠的小型运载火箭,以满足其战时快速发射小卫星的需求。一方面,随着小卫星技术的快速发展和应用,美国开始大力发展小型低成本运载火箭 [
(1) 初期阶段
在1960~1994年期间,美国一直采用全固体推进小型运载火箭“侦察兵”发射小型卫星,其“侦察兵-G”型运载火箭能将210 kg卫星送入LEO,价格为1330万美元。上世界80年代,随着小卫星技术的快速发展,美国又研制了“飞马座”、“人牛怪”小型运载火箭,发射小卫星需要2000万美元甚至更多,因而仍没有解决缺乏廉价小型运载火箭的问题。例如,美国空军的2颗小卫星——PIC0sat和XSS-10由于缺少发射机会被推迟了数年,“21世纪技术卫星”星座发射计划由于经费问题被取消,其他与小卫星有关的许多建议和商业投资(如KitComm公司)都被取消,新罕布什尔大学的CATSAT以及学生研制的星光-4,5卫星被取消,NASA的大学级探索计划大部分由于发射费用问题而延缓或推迟,从而严重阻碍了小卫星的发展和应用 [
(2) 发展阶段
至2010年前,美国继续发展低成本运载火箭,提出了一些新的设计方案,包括Microcosm公司的Sprite运载火箭、SpaceDev公司的Streaker运载火箭、航天发射公司(SLC)的“快速反应小运载量可支付发射”(RASCAL)计划,以及俄罗斯的“第聂伯号”低成本运载火箭等。表1给出了此阶段国外主要低成
火箭型号 | 研制机构 | 主要技术 | 运载能力/轨道类型 | 估计成本(万美元) |
---|---|---|---|---|
飞马座 | 美国ATK公司 | 小型三级固体火箭,采用B52轰炸机空中发射。改进型为飞马座-XL采用大型L-1011飞机发射。 | 443 kg/LEO | 900万 |
金牛座 | 美国ATK公司 | 四级火箭,上面三级与飞马座相同,但是没有稳定翼,采用固体燃料。改进型金牛座-XL第一级使用液体燃料。 | 1400 kg/LEO | 2000 |
Sprite | 美国Microcosm公司 | 液体火箭,采用模块化设计(由7个相同的推进舱组成),液氧和煤油发动机采用压力供给(不再使用昂贵的涡流泵)。 | 220 kg/LEO | 250 |
航天运载火箭 | 美国AFRL公司 | 3级固体小型运载火箭,需研制新型的高性能发动机,可从F-15E飞机上发射。 | 100 kg/LEO | 500 |
Streaker | 美国SpaceDev公司 | 使用固液混合火箭发动机。 | 315 kg/LEO | 1000 |
RASCAL | 美国航天发射公司(SLC) | 使用可重复使用的超音速飞行器Mach-3作为第1级,上面级为一次性火箭。 | 110 kg/LEO | 120 |
小型运载火箭 | 美国瑟伯空间系统公司 | 液体火箭,使用泵供给系统,带有合成贮箱,以水作为氧化剂。 | 200 kg/LEO | 230 |
第聂伯 | 俄罗斯 | 由SS-18洲际弹道导弹改造,三级液体火箭,采用车载发射筒弹射。2000~2009年间发射了50 kg级别内国际小卫星总数的35%以上。 | 4500 kg/LEO | 2500万 |
呼啸号 | 俄罗斯 | 改自SS-19洲际弹道导弹,三级液体火箭,使用Briz-KM上面级,地面塔架发射。 | 2140 kg/LEO | 1500万 |
质子号 | 俄罗斯 | 液体推进剂,不同型号采用三级或四级构型,商业发射40多次。 | 22,000 kg/LEO 6000 kg/GTO | 7000万 |
阿里安5 | 欧洲 | 模块化设计,可配置成多个型号。一子级芯级为低温推挤系统,捆绑两枚大型固体助推器,二子级采用可储存双组元推进剂。 | 6900 kg~10500 kg/GTO | 12,000万 ~15,500万 |
PSLV | 印度 | 四级固体、液体混合火箭,地面发射。 | 3250 kg/LEO 1420 kg/GTO | 2500万 |
表1. 发展阶段国外主要低成本运载火箭
本运载火箭的发展情况。
(3) 最新发展
近几年来,各国政府开始大力支持商业航天的发展,特别是美国为了打破ULA的发射垄断和高昂的发射费用,支持SpaceX、Blue Origin等一批商业公司加入航天商业竞争。未来航天业市场规模巨大,虽然目前仅有少数运载火箭已成功实施多次发射,但是很多机构开始提出各种低成本发射方案,一些已经进行了发动机和关键电气系统的飞行试验,而另一些还处于方案和设计论证阶段 [
火箭型号 | 研制机构 | 主要技术 | 运载能力/轨道类型 | 估计成本 (美元) |
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猎鹰-9 | 美国SPACEX公司 | 二级液体大型火箭,一子级可回收,采用垂直反推火箭和支架着陆,已成功发射数次。 | 13,150 kg/LEO 4850 kg/GTO | 5700万 |
织女星 | 欧洲 | 小型火箭,四级构型(3个固体级 + 1个液体上面级), 大量使用新技术,包括碳纤维增强复合材料缠绕壳体、 低密度防热橡胶、新型固体推进剂、可消耗壳体的点火器等 | 1500 kg/LEO | 4100万 |
艾普斯龙 | 日本 | 小型火箭,三级全固体火箭,液体末修级,采用新型固体火箭推进剂、“移动发射控制”方式和最新IT技术。 | 1200 kg/LEO | 5200万 |
安加拉 | 俄罗斯联合火箭集团 | 模块化设计,不同型号分别为二级或三级构型,液氧煤油发动机。 | 24,000 kg/GTO | 8000万 |
多用途纳火箭系统 | 美国Dynetic公司 | 基于现有导弹技术的低成本、多构型的快速响应型简易火箭, 从收到发射指令到完成发射准备仅需24小时。 2010年7月成功进行了发动机点火试验。 | 10 kg/LEO | 100万 |
SPARK(Super Strypi) | 美国夏威夷大学、桑迪亚国家实验室、航空捧起 | 美国空军ORS办公室投资新型小型运载火箭,三级固体结构,轨道器发射起飞,能够满足ORS提出的24小时内按需发射的要求,可在简单水泥平台上完成发射。2015年首飞并没有成功。 | 250 Kg/LEO | |
SWORDS | 美国量子公司 | 2013年3月获得美陆军合同,使用商业级别的材料, 能以极低的成本从任何水泥路上将纳卫星送入精确轨道, 从准备到发射就绪需要24小时。 | 25 kg/LEO | 100万 |
Electron | 美国/新西兰火箭实验室 | 与SpaceX公司的猎鹰-9类似,一二级采用同一型的“卢瑟福”发动机,一级配9台发动机,二级配一台发动机。2016年下半年试飞。 | 150 kg/LEO | 490万 |
Firefly a | 美国Firefly Space System公司 | 一子级采用塞式发动机FRE-1,发动机效率高, 预期2017年陆上发射试验。 | 400 kg/LEO 200 kg/SSO | 900万 |
Launcher ONE | 美国Virgin Galaxy公司 | 采用波音747-400通用民航飞机发射,一子级采用牛顿三号发动机(推力330 kN),二子级采用牛顿四号(推力约22kN), 2015年9月进行了牛顿三号发动机点火试验。 | 220 kg/SSO | 1000万 |
NEPTUNE | 美国 Interorbital System公司 | 模块化运载火箭,继承了早期德国OTRAG火箭方案,通过捆绑不同数量的通用模块,实现不同的运载能力,规划的构型包括N3、N5、N7、N36,可实现15kg-1000kg的有效载荷发射。2014年已完成通用模块的飞行试验。 | 1000 kg/SSO | 1800万 |
GO2 | 美国 Generation Orbit公司 | 小型运载火箭,得到NASA和DARPA的资助, 可用于开展高超声速飞行试验。 | 40 kg/LEO | 200万 |
Haas 2C | 美国ARCA 航天公司 | 小型运载火箭,采用ARCA的“执行官”发动机,燃烧室和喷管采用复合材料制造,液氧/煤油发动机,推力220kN,地面发射。 | 400 kg/LEO | |
Vector | 美国Vector Space System | 小型运载火箭,已完成发动机和机构等部件的研制,一子级拟采用降落伞和无人机方式回收。 | 50 kg/LEO | 300万 |
可重复使用火箭RLV | 印度空间研究局 | 配备一台超燃冲压发动机,5台半低温发动机,2016年5月试验了可重复使用火箭的超然冲压发动机,希望未来可重复使用10次来降低成本,单位载荷的发射成本从5000美/千克元将至2000美元/千克。 | 10,000~20,000 kg/LEO | 5000万 ~1亿 |
Aniva | 俄罗斯Lin Industrial | 设计了四型运载火箭,包括三型一次性和一型可重复使用的方案。采用液氧/甲烷发动机。 | 90kg~700kg /LEO | 360万 ~1000万 |
SagitariusSpace Arrow | 西班牙Celestia Aerospace公司 | 采用米格25飞机空中发射,预计2016年末首次试飞。 | 4-16颗纳卫星/LEO | 25万 |
表2. 国外低成本运载火箭最新发展
展的基本情况。我国新一代运载火箭也发展迅速,小型运载火箭快舟、CZ-6、CZ-11以及中型运载火箭CZ-7和大型运载火箭CZ-5已发射成功,适应多种不同的发射需求。
运载火箭主要由箭体结构、发动机、推进剂和气体、伺服机构及阀门管线、控制与遥测等电子电气设备、火工品及其他等组成。一般地,火箭的干质量(除了推进剂和气体之外的质量)越小、发动机比冲越高,运载火箭运载效率越高。推进剂一般占火箭总质量的90%以上,但是总成本较低;箭体结构、发动机、电子电器设备等质量综合虽小,但是总成本很高。
图1给出了美国ULA的“宇宙神401”运载火箭各组成部分成本与质量示意图 [
以猎鹰9运载火箭发射任务为例,有学者估计运载火箭成本约占发射任务总成本的53%,发射测控
图1. 宇宙神运载火箭各组成部分成本与质量示意图
费约10%,保险费8%,利润约24%,其他费用约5% [
既然一次性运载火箭成本高昂,数十年来国际航天界一直追求研制可重复使用运载器。美国航天飞机是一种垂直起飞、水平返回的可重复使用运载器,预期每次发射成本约为3000万美元,是当时火箭发射价格的1/3甚至更低。但是,由于航天飞机返回地面后需要进行大规模的维修,导致实际上每次总发射经费高达4~5亿美元 [
但是,随着航天技术的发展,在商业航天巨大市场利益的推动下,国际航天界一方面采用各种新技术降低一次性运载火箭的成本,另一方面继续探索发展可重复使用运载火箭。美国SpaceX公司通过技术创新、技术集成、优化设计和生产过程等方式,即降低了一次性火箭的成本,又成功实现了一子级火箭的回收,将可进一步大幅降低火箭成本。既然火箭需要回收并重复使用以降低成本,就需要为火箭增加回收辅助结构和返回所需推进剂等,从而会导致运载火箭运载能力降低。
猎鹰9火箭一子级垂直返回回收有两种方式,一种是“返回原场”(Return to the launch site, RTLS)回收方式,另一种是“不返回原场”(Not return to the launch site, NRTLS)回收方式。“返回原场”回收方式指火箭子级分离后,依靠火箭发动机对其进行减速转弯,最终在原发射场垂直着陆,实现子级无损回收;“不返回原场”回收方式指火箭子级分离后,沿惯性弹道进行飞行,在达到一定高度后,开启火箭主发动机进行减速,最终实现子级定点垂直着陆,“不返回原场”方式不对回收场位置进行严格限制,火箭子级在回收飞行段全程都按零攻角飞行。高朝辉等通过仿真FALCON 9V1.1运载火箭执行200 km近地圆轨道发射任务,针对这两种返回方式开展了运载能力损失研究 [
仿真结果表明,猎鹰9V1.1运载火箭要实现一子级垂直返回原场回收,需要预留15.29%~17.11%的
影响因素 | 简要解释 |
---|---|
结构设计 | 先进的系统设计可简化系统结构的复杂性,提高工作可靠性,采用模块化、标准化设计方式可显著降低成本。 |
先进材料 | 采用先进复合材料可提高箭体强度、降低箭体固有质量,运载能力的提升意味着降低了成本。 |
发动机 | 发动机成本约占运载火箭总成本40%,而且研制发动机周期长, 技术门槛高,需要通过继承、简化、创新等方式降低成本。 |
电气系统 | 电气系统也占运载火箭相当一部分成本,且目前还难以回收利用,采用商业化器件或系统可进一步降低成本。 |
推进剂 | 推进剂在火箭成本中所占比重不大,但采用新型液氧甲烷推进剂、 新型固体推进剂等能大幅降低工艺要求和燃料存储、维护等多项费用。 |
人工智能 | 采用人工智能技术,提高火箭的装配、自检和信息自动化处理能力,大幅节约装配、测试和维护等成本。 |
制造技术 | 采用数字化设计、3D打印、流水线生产、全球采购等方式,可显著降低生产制造成本。 |
管理模式 | 实行商业化管理,通过集成化、节约化、技术创新、自主研发等方式降低成本。 |
重复使用 | 通过部分贵重部件或子级组件的回收、维修和重复使用,大幅降低火箭成本。 |
人力成本 | 通过优化人员组成结构和知识技能,精简人员,降低人力成本。 |
批量生产 | 通过批量化生产均摊运载火箭的研发成本,进一步降低单箭成本。 |
表3. 运载火箭成本主要影响因素
主要参数 | 不考虑返回 | 抬头转弯返回原场 | 低头转弯返回原场 | 不返回原场 | |||
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仿真结果 | 损失量 | 仿真结果 | 损失量 | 仿真结果 | 损失量 | ||
运载能力 | 12,490.0 kg | 5920.0 kg | 52.60% | 5400.0kg | 56.76% | 8880.0 kg | 28.90% |
上升段推进剂用量 | 315,875.0 kg | 267,577.4% | 15.29% | 261,818.8% | 17.11% | 21,548.12 kg | 6.82% |
表4. 一子级返回推进剂用量及运载能力比较
推进剂量,运载能力损失52.60%~56.76%。相较而言,一子级不返回原场回收时,仅需要预留6.82%的推进剂量,运载能力损失为28.90%,具有较明显的优势。为了弥补运载能力的损失,SpaceX公司在火箭设计上采用了推进剂交叉补偿技术、推进剂总量增加30%等有效措施。
SpaceX公司宣称 [
据此推算,除去发射、测控等费用以及发射利润,猎鹰9火箭生产成本约为2500万美元。一子级回收利用后,再次发射可节约成本1700万美元。如果一子级重复使用20次,可节约3.4亿美元。如果二子级也采取回收技术,那么发射成本会进一步降低。SpaceX公司的未来目标是将发射价格降低到500~700万美元,是现有火箭价格的1/8~1/10。但是,这仍有很多难题需要解决。
随着技术的不断发展,无论是在商业航天领域还是在军事航天领域,大力发展低成本运载火箭已成为航天业界共识。目前,我国也在积极开展低成本运载火箭的研究。通过总结国外研究经验教训,给出如下发展建议。
(1) 引入航天竞争机制
过去航天业主要由国家统一管理,由于各国政策管制和航天高科技门槛的原因,大型航天企业缺乏竞争,运行机制僵化,官僚主义严重,这些都导致研制和发射费用虚高,甚至出现ULA那样屡次大幅度涨价的闹剧。SpaceX公司在低成本运载火箭上取得的巨大成功,很大程度上归功于NASA的技术转让、政策和资金支持以及良好的商业运作模式 [
(2) 加强创新与集成
日本Epsilon火箭采用智能监测技术,大幅减化了操作,降低了发射成本;一些新型锂铝合金、碳纤维材料等新型材料的使用,提高了火箭结构强度的同时降低了结构质量,提高了运载能力;采用3D打印技术制造火箭部件,大大提高了生产加工效率。此外,“猎鹰9”一级火箭的回收技术以着陆支架、姿态控制技术、推进剂交叉供应和高效发动机为亮点。这些技术单项看来与一些航天大国的现有技术相比并没先进到哪儿去,但将它们组合起来的系统却非常优异。这意味着不论火箭技术、卫星技术,还是探测器外星着陆技术,都可以集成在一起,系统更优化、指标更先进,这体现出火箭系统设计的出色能力。因此,加强创新与集成是降低航天发射成本的又一主要途径。
(3) 加强新型发动机研制
火箭发动机是火箭最重要的组成部分,对运载效率起到决定性作用,其成本往往占据火箭总成本一半以上。为降低发射成本,一方面需要降低发动机设计复杂性,提高可靠性和可重复使用性;另一方面加强低成本、变推力的甲烷/液氧发动机研制,提高火箭运载效率。无论对于国家大型企业或商业公司,没有自己过硬的发动机技术,发展将会大大受限。由于火箭发动机研制技术要求高,为规避研制风险,很多国外商业航天公司一般先研制门槛较低的小型火箭发动机,待试验成功后再研制大型发动机。
(4) 发展可重复使用火箭
美国数十年来一直发展低成本运载火箭,尽管经过不懈努力,但一次性运载火箭的成本难以降低,高昂的发射费用阻碍了航天业的快速发展。随着Blue Origin、SpaceX等公司运载火箭回收试验的成功,火箭可回收重复使用技术已成为未来低成本火箭发展趋势。随着冲压发动机的逐步成熟,采用航空发动机、冲压发动机和火箭发动机的可重复使用组合动力飞行器将成为未来低成本天地运输的主要方式。
(5) 转变传统设计理念
传统的航天界积累了丰富的经验和教训,但也往往导致固步自封,以确保安全、可靠发射为由,对新设计、新技术不够积极。借鉴SpaceX公司成功经验,需要转变传统设计理念,包括采用火箭重复使用、采用商业级产品、缩短工业链、应用商业化管理模式等,以及加强验证型火箭研制,通过增加火箭规模实现运载能力要求,而非象传统设计方式那样过分追求有效载荷系数等。
部委级资助项目。
刘党辉,尹云霞,辛朝军,李 岩. 低成本运载火箭发展与分析Development and Analysis of Low Cost Launch Vehicles[J]. 国际航空航天科学, 2017, 05(02): 55-63. http://dx.doi.org/10.12677/JAST.2017.52007