2024年国外航天运输系统发展综述
2024年，世界航天发射次数达263次，再创新高。其中成功255次，失败5次，部分成功3次。美、中、俄发射次数维持前三位，分别为158次、68次和17次。其中，4个型号系列发射超10次，“猎鹰”（Falcon）系列132次、“长征”系列49次、联盟共执行90次“星链”发射任务，共计发射1982颗“星链”（Starlink）卫星，质量为1446.9t，数量和质量-2（Soyuz-2）系列15次、电子号（Electron）14次。猎鹰-9占比均近70%。2024年，各国航天运输系统的研制活动均有新的突破，基本实现主力火箭的更新换代，但重心均转移到重复使用运载火箭的发展，新技术和新方案的研发和应用也在推动航天运输模式的转变。运载火箭作为助推航天领域持续快速发展的重要基础，越来越回归其运输工具的本质，向着低成本、高可靠、高频次使用发展。（1）首次载人绕月发射任务推迟，“太空发射系统”项目存在诸多变数受“猎户座”（Orion）飞船的烧蚀热防护评估结果影响，“太空发射系统”（SLS）重型运载火箭原定于2025年执行的首次载人绕月任务被推迟至2026年，但美国国家航空航天局（NASA）及其承包商仍在积极推进SLS的制造和研发活动。制造方面，改造肯尼迪航天中心2号高跨间，新建“芯级垂直集成中心”（CSVIC），允许芯级和助推器分别在2号和3号高跨间同步总装，缩短总装时间；第三和第四枚芯级的发动机部段均已运抵肯尼迪航天中心，装配方案从米丘德总装厂房的水平对接总装方案改为CSVIC内的垂直总装，提升芯级的装配效率和产能。此外，芯级的改进型RS-25发动机也已通过试验验证，L3哈里斯公司（L3Harris）已确定新的生产流程以及供应商，正式启动制造和装配。在SLS-1B构型的研制上，波音公司在同步开展探索上面级（EUS）的制造和地面验证，而NASA斯坦尼斯航天中心已经完成B-2试车台上的级间段模拟结构安装，为EUS试车做好准备。美国大选后，特朗普提名亿万富翁贾里德·艾萨克曼出任NASA局长，可能会对NASA现有的战略规划进行大刀阔斧的调整。加之NASA监察长办公室（IG）和政府问责委员会（GAO）等机构还在批评SLS项目的经费超支和进度滞后问题。虽然SLS目前是唯一具备成熟能力的重型运载火箭，但一次性使用、成本高昂等问题，可能会给SLS带来很大的不确定性。（2）主力火箭逐步实现更新换代，除美国外各国仍依靠一次性火箭进入空间美国联合发射联盟公司（ULA）的德尔他-4H（Delta-4H）执行最后一次发射任务，将美国国家侦察局的机密载荷送入预定轨道，“德尔他”系列火箭圆满谢幕。该公司的宇宙神-5（Atlas-5）也完成最后一次国家安全发射任务，剩余库存主要用于发射柯伊伯星座卫星和星际线载人飞船。ULA用于替代宇宙神-5和德尔他-4的“火神”（Vulcan）火箭仍为一次性运载火箭，在2024年进行2次认证飞行，虽固体助推器喷管在第二次发射中发生异常，但未影响有效载荷入轨，认证进程结束后将为美太空军发射高价值军事载荷。欧洲航天局（ESA）阿里安-5（Ariane-5）退役1年后，阿里安-6才进行首飞（见图1），尽管上面级辅助动力单元在轨道滑行出现异常，导致上面级“芬奇”（Vinci）发动机第三次点火失败，但仍将大多数有效载荷送入预定轨道，虽不完美，但终于实现“阿里安”系列主力火箭的更新换代。欧洲正努力走出自主进入空间能力的断档期。俄罗斯安加拉-A5（Angara-A5）火箭自2021年失利后也迎来首次发射，成功复飞，验证新型上面级的技术性能，为逐步替代质子号（Proton）、满足俄未来航天计划打下基础（见图2）。不过，当前阶段，联盟-2几乎成为俄罗斯唯一的主力运载火箭。日本H-3火箭在2023年首飞失利后，于2024年成功复飞（见图3），共计完成3次发射任务，逐步替代仅剩一枚的H-2A火箭，实现日本航天运载能力的升级换代。可以看到，除美国太空探索技术公司（SpaceX）外，一次性运载火箭仍是各国传统宇航企业和机构进入空间的主导力量，但都在逐步向重复使用火箭转型。（3）小型运载火箭发展格局差异显著，但未来都将面临更大的市场竞争压力美国小火箭竞争大赛基本结束，仅有2家公司在2024年进行了发射。火箭实验室公司（RocketLab）的电子号小火箭完成14次入轨发射以及2次高超声速飞行试验，抓住了商业专属发射需求和政府发射需求；萤火虫-阿尔法（FireflyAlpha）完成1次发射任务，并获得洛马公司（LM）15次任务订单。ABL航天公司（ABL SpaceSystems）因RS1地面试车爆炸再次遭遇挫折后，宣布放弃火箭业务，成为继向量空间（VectorSpace）、维珍轨道（VirginOrbit）、相对论空间（RelativitySpace）之后的第四家公司，虽然研制出了小火箭产品，但最后却被迫退出小火箭发射市场。欧洲在保证“织女星”（Vega）系列火箭迭代演进的同时，积极鼓励商业公司发展小型运载火箭，竞争态势较为激烈。欧洲航天局的“织女星”完成最后一次发射任务退役，改进织女星-C火箭在2024年底成功复飞，实现了能力的接续。随后，欧洲航天局又向艾维欧公司（Avio）额外提供3.5亿欧元经费，推进织女星-E研制和发射设施改建。与此同时，欧洲政府机构也在加大对商业航天创企的扶持力度。德国RFA-1首飞箭一子级在地面试车中爆炸，首飞时间延期至2025年；伊萨宇航公司（IsarAerospace）获得欧洲航天局约1500万美元资助，用于其“光谱”（Spectrum）小火箭前两次飞行的测试工作；西班牙PLD宇航公司（PLDSpace）开始在法属圭亚那航天中心建造缪拉-5（Miura-5）小型火箭的发射基础设施，计划2025年首飞；法国小天狼星航天（SiriusSpace）和纬度公司（Latitude）也获得新的融资，用于“天狼星”（Sirius）和“西风”（Zephyr）小火箭的研制。在美欧以外，日本、印度、澳大利亚、韩国等国家也有商业公司发展小型火箭，但总体进展较为缓慢。日本太空一号公司（SpaceOne）的小型固体火箭“凯洛斯”（Kairos）遭遇了2次发射失利。目前，小型卫星发射市场被美国SpaceX公司的拼车服务主导，随着在轨加注和轨道转移技术的进步，未来将进一步削弱小型火箭可将载荷精确部署于特定轨道的服务优势，主力运载火箭可能会以更低单位发射价格成为小型卫星的最佳选择，对小火箭市场产生重大影响。（1）部分重复使用火箭研制应用持续提速，成为各国发展新型火箭必由之路2024年，SpaceX的“猎鹰”系列火箭年度完成134次发射，创下24次复用新纪录，发射次数和质量分别占比全球51.2%和84.2%。其间，猎鹰-9火箭一子级最短周转时间由21天缩短至13天12小时，SpacceX公司在探索快速、可重复使用的道路上又前进一步。不过，在高频次发射的压力下，猎鹰-9火箭发射任务也出现了3次质量问题。7月，猎鹰-9二子级因液氧压力传感器管路松动破裂，二次启动失败，未能将20颗“星链”卫星送入轨道，这是自2016年猎鹰-9在发射台上爆炸以来首次失利；8月，B-1062一子级第23次复用，但在返回海上平台后，因着陆腿失效而回收失败，爆炸损毁（见图4）；9月，发射载人龙-9（Crew-9）飞船，入轨后二子级离轨点火出现异常，落入预定海域以外，再次遭遇短暂停飞。美国蓝色起源公司（BlueOrigin）、火箭实验室等商业火箭公司也在持续推进部分重复使用火箭的研制和应用。“新格伦”（NewGlenn）首飞箭已组装完毕，在位于佛罗里达卡纳维拉尔角的LC-36发射综合体完成起竖（见图5），并于9月和12月分别完成二子级点火热试车和一子级加注试验，待获得审批后将开展一子级点火热试车，搭载“蓝环”（BlueRing）轨道转移飞行器执行首飞任务。中子号（Neutron）火箭二子级完成加注演练和低温静压试验，电气系统和推进剂管理系统得到了验证，计划不早于2025年执行首飞。在美国重复使用火箭快速发展的同时，俄、欧等国也在积极推动重复使用技术的发展。俄罗斯阿穆尔火箭技术设计阶段即将结束，计划2025年开始制造2台全尺寸样机，开展“蚱蜢跳”（Grasshopper）试验，验证垂直起降的关键技术，最早将在2030年实现首飞；同时，俄罗斯重型火箭的技术方案将会继续调整，融合重复使用技术和液氧甲烷动力技术。欧洲航天局“塞米斯”（Themis）垂直起降验证机项目进行着陆腿试验，并已完成首个3.5m直径验证机的总装测试，即将运往瑞典的试验场，准备2025年的低空跳跃试验；阿里安集团和RFA公司为欧洲航天局提供的百吨级重型火箭方案论证结果中，均采用了一子级垂直起降方案，单位发射成本可降200～280欧元/千克。印度批准近10亿美元经费开发“下一代运载火箭”（NGLV），采用垂直起降方案，运载能力30t，计划在8年内通过3次演示飞行进行验证，完成火箭研制。韩国宇宙航空厅（KASA）在其公布的中长期规划中提出，在21世纪30年代中期完成部分重复使用火箭的研制。（2）“超重-星舰”初步验证完全重复使用能力，引领火箭复用技术趋势2024年，“超重-星舰”（SuperHeavyStarship）共完成4次全箭飞行试验。3月，首次达到入轨速度，“星舰”飞船在轨完成有效载荷舱门开关试验和推进剂转移试验；6月，成功进行级间分离、热分离适配器分离，两级首次实现海上软着陆。其间，“超重”火箭在上升和返回过程中各有1台发动机异常，“星舰”飞船防热瓦仍有脱落现象；10月，首次实现“超重”火箭“筷子”捕获回收（见图6），飞船海上溅落达到预期的10米级精度，目标均已达成；11月，消耗最后一枚一代“星舰”飞船，虽因发射塔数据监测结果中止捕获尝试，但仍实现大部分既定目标；12月，第一枚二代“星舰”飞船S33完成静态点火试车，下一阶段第七次试飞准备工作已全面开启。在“超重-星舰”快速迭代并取得成功的同时，有更多商业航天公司迎头赶上，追逐完全重复使用火箭的新趋势。蓝色起源公司在准备“新格伦”火箭首飞的同时，设置独立团队论证重复使用二子级方案，当前重点关注热防护系统的研发活动，并在不锈钢结构和铝合金结构之间进行权衡比较。斯托克航天公司（StokeSpace）围绕其“新星”（Nova）两级完全重复使用火箭，基于“丰富的硬件”（HardwareRich）快速迭代，进行发动机试车和结构试验等活动。阿里安集团在提交给欧洲航天局的欧洲重型火箭方案中，将垂直起降一子级和“苏西”（Susie）复用二子级方案相结合，为欧洲发展两级完全重复使用重型火箭打开了新思路。（3）升力式重复使用飞行器应用目标再拓宽，动力形式几乎均为火箭发动机多家小型商业公司坚持发展升力式重复使用运载器，并取得了一定进展，但距离发射入轨还遥遥无期。新西兰黎明宇航公司（Dawn Aerospace）的奥罗拉-MkII（Aurora-MkII）空天飞机首次利用火箭动力实现超声速飞行，最高速度达马赫数1.1，最大高度25km，其最终目标是研制火箭动力的升力式一子级，配合一次性使用上面级将小型有效载荷送入轨道。德国北极星空天飞机公司（PolarisRaumflugzeuge）的方案与前者类似，其缩比验证机成功完成了由塞式火箭发动机为动力的滑跑测试。美国弧度宇航公司（RadianAerospace）开展弧度-1（RadianOne）空天飞机第一轮地面测试（见图7），采用火箭橇助推的原型机在阿布扎比完成滑跑试验，初步测试起飞、着陆操控性。创企泰坦公司(Titan)公布运载能力百吨级的单级入轨方案，结合航空发动机和火箭发动机的优势，用于轨道快速周转、亚轨道和点对点飞行，单次发射价格500万～1500万美元，公司宣称目标在2027年投入使用。不过，成立35年的喷气发动机公司（REL）因融资失败而在10月宣布破产，原计划用于“云霄塔”（Skylon）空天飞机的“佩刀”（Sabre）预冷组合循环发动机研制项目也随之中止，吸气式组合动力运载器的发展受挫。轨道飞行器的飞行试验和研制稳步推进，未来在轨应用的潜力还有待进一步开发。美国天军（USSF）的X-37B自2023年底首次部署于地球同步转移轨道以来，首次采用新型空气制动方式进行轨道机动，可在一定程度上降低推进剂消耗，或将极大有利于太空对抗和作战。内华达山脉公司（SNC）首架“追梦者”（Dream Chaser）飞行器已通过冲击、振动和热真空环境测试，运抵肯尼迪航天中心进行最后的测试和发射准备，根据测试进展首飞推迟至2025年上半年。商业亚轨道太空旅游飞行器的飞行频次并未一路走高，可靠稳定的飞行机会仍有欠缺。美国维珍银河公司的联合号（VSSUnity）太空船在2024年6月执行最后一次商业亚轨道载人飞行任务后退役，搭载6名乘客到达87.5km高度，其在2023年至今的服役期内仅完成7次商业飞行。维珍银河公司正在寻求3亿美元融资支持新型德尔他级飞行器的制造，仍采用固液混合火箭发动机，计划2025年底开始飞行测试，2026年投入商业运营。另外，停飞近两年后，蓝色起源公司恢复了“新谢泼德”（NewShepard）垂直起降亚轨道飞行器的运营，年内仅执行3次太空旅游任务，共计18人次。美国积极推动新技术研制应用，美国国防高级研究计划局（DARPA）再度加大投资研发核热火箭发动机，连续三年增加敏捷地月作战演示火箭项目预算，2025财年拨款近1.5亿美元，用于启动发动机主体制造、核反应堆制造以及火箭样机全面组装等任务，计划2027年搭载“火神”火箭发射，目标比冲950s。“超重-星舰”成功验证头部小贮箱与主贮箱间的推进剂转移，两枚“星舰”间的推进剂转移方案通过审查，开启对接机构和快速脱插口的研制，瞄准2025年进行飞行演示验证。此外，面对日益增长的轨道机动和在轨服务需求，美军对轨道转移飞行器的兴趣与日俱增，加码支持高性能轨道机动系统发展。脉冲空间公司（ImpulseSpace）公布具备更高的远地点机动能力的“艾里奥斯”（Helios）轨道转移飞行器技术方案，能够在24h内将5t载荷从近地轨道投送至地球同步轨道，并获得美国天军战略资金增加计划3000万美元资助，预计在2026年初搭载猎鹰-9火箭首飞。随后，国防部宣布脉冲空间公司再获3450万美元合同，用于在“战术响应空间”计划下利用两架轨道转移飞行器执行两次军事卫星发射任务。此外，山脉空间公司（SierraSpace）宣布获得美军资助，推进“幽灵”（Spectre）在轨驻留和返回飞行器的研制，该系统可在90min内将货物从太空运抵地球任意地点，可在战时满足美军需求，提供灵活机动的后勤支持，目前已在肯尼迪航天中心完成投放试验，计划2025—2026年进行在轨演示。2025年，中子号等新型重复使用火箭将迎来首飞，全球航天发射次数有望突破300次。SpaceX称“猎鹰”系列火箭发射次数将超过180次，“超重-星舰”将完成25次发射，在轨加注开始飞行演示验证。未来，各国新型火箭大多将具备重复使用能力。而与此同时，美国已在提升完全重复使用火箭方案技术成熟度，推动技术迭代加速。加之其在轨道转移飞行器等方面的领先进展，美与俄、欧等国之间的技术差距将进一步拉开，在较长一段时间内处于领先地位。
