數十年來，高昂的發射成本一直是制約航天業發展的主要因素，為了進一步降低發射成本，世界各航天機構紛紛提出各自的低成本火箭研制發展計劃。另外隨著技術進步，近年來全球搭載發射的微小型衛星也明顯增多，大規模微小衛星計劃不斷涌現。受此影響，低成本的中小型運載火箭憑借其快速、高頻率發射和單次發射價格低等受到運營商的歡迎。

 

　　美國的低成本運載火箭

 

　　美國在20世紀50年代末開始研制偵察兵系列固體小型運載火箭，旨在利用已有的成熟導彈技術，發展一種價廉可靠的小型運載火箭。該系列火箭1960年首飛，1994年退役。20世紀90年代，美國一些私營公司相繼推出了“大篷車”、“雅典娜”、“飛馬座”、“金牛座”等固體小型運載火箭，競爭中、小型有效載荷發射市場。其中，“飛馬座”和“金牛座”充分利用了美國已有的彈道導彈技術。

 

飛馬座火箭 “B-52”同溫層轟炸機上拋出(水平發射)

 

　　美國在簽訂《削減戰略武器條約》后，也利用退役的洲際彈道導彈技術和產品研制出“米諾陶”固體小型運載火箭，專門用于政府有效載荷的發射。進入21世紀，隨著新軍事變革的迅猛發展，快速進入空間成為實現快速空間作業、快速遠程精確打擊和空間攻防對抗的基礎。在此背景下，美國空軍開始實施“作戰快速響應空間”(ORS)計劃，發展快速響應、低成本的小型固體運載火箭成為該計劃的重要組成部分。美空軍專門訂購了具有低成本、快速響應能力的“米諾陶”固體運載火箭作為小型有效載荷的主要運載工具。

 

米諾陶4火箭在范登堡空軍基地升空

 

　　“米諾陶”-I型火箭成本1800萬美元，在傾角為28.5°、高185km的近地軌道時，發射質量為580kg，400km高的極軌道時，發射質量為318kg。“米諾陶”-4火箭成本2000萬美元，在傾角為28.5°、高185km的極地軌道時，發射質量為1723kg，740km高的極軌道時，發射質量為997kg。該系列火箭設計結構采用了有效載荷適配器，以適應多種有效載荷。

 

　　“Falcon”獵鷹系列是美國航天探索技術公司(SpaceX)按照模塊化、通用化、組合化的原則設計、研制和生產的系列液體運載火箭，火箭在設計上強調高可靠性、低成本以及易操作。

 

　　“獵鷹”1是美國FALCON計劃(FALCON，即兵力從美國本土發射和運用)發展的小型發射火箭(SLV)方案。獵鷹計劃是由美國空軍和美國國防預先研究計劃局(DARPA)2003年聯合制定的，其主要目標是發展和驗證一套通用技術，滿足近期和遠期全球快速精確打擊任務的需求，同時驗證低成本、快速發射能力。“獵鷹”1是一種低成本、可快速發射的兩級小型液體推進劑運載火箭，長21.3m，底部直徑1.7m，起飛質量27.2t，起飛推力342kN，極地軌道運載能力570kg。“獵鷹”1在設計上強調高可靠性、低成本和飛行安全，最大限度地減少發射前操作，通過減少發射前準備時間來降低發射費用，該火箭每次的發射價格約670萬美元(2007年幣值)。

 

獵鷹一號

 

　　歐洲的低成本運載火箭

 

　　歐洲于1998年批準研制以固體推進技術為基礎的“織女號”固體運載火箭，作為阿里安系列大型火箭和聯盟號中型火箭的補充，用于發射小型有效載荷，目的是降低發射成本;其一級大型固體火箭發動機經改進后作為阿里安5改進型火箭的固體助推器。

 

“織女星”(Vega)號小型運載火箭

 

　　該火箭于2012年2月13日首飛獲得圓滿成功，標志著歐洲擁有了滿足中小型有效載荷發射需求的理想運載火箭，彌補了中型火箭的不足。“織女號”火箭第一級P80發動機具有較高的性能。發動機高約11.2m，直徑3m，裝有88t固體推進劑，質量比大于0.92，是歐洲新研制的、迄今為止最大的整體式纖維纏繞殼體固體火箭發動機，代表了整體式大推力固體發動機的發展方向。

 

　　日本的低成本運載火箭

 

　　日本自20世紀60年代初開始在探空火箭的基礎上研制固體小型運載火箭，至今已經研制出L-4S型、M系列和J-1固體小型運載火箭。目前，這三型火箭都已退役，日本先進的3級先進固體運載火箭“艾普斯龍”(Epsilon)代表了日本低成本通用中小型運載火箭的最高實力。該火箭旨在低成本發射中型科學有效載荷，同時滿足快速發射的需求。

 

“艾普斯龍”(Epsilon)火箭發射

 

　　俄羅斯的低成本火箭

 

　　俄羅斯在重型運載火箭方面走在世界前列，在小型火箭快速響應及低成本方面也不斷拓深其技術水平。俄羅斯在20世紀90年代初與美蘇簽訂《削減戰略武器條約》后，將削減的彈道導彈改造為運載火箭，成功研制出“起跑號”固體小型運載火箭。

 

　　“起跑號”固體運載火箭是以“白楊”洲際彈道導彈技術為基礎研制的4級固體運載火箭，重約60000kg，直徑1.8m，長28.9m，其目的是將小型衛星送入近地軌道，該火箭具有可機動、整箭貯存、經濟性好等特點，可采用車載發射。

 

“起跑號”固體運載火箭

 

　　其他國家的低成本運載火箭

 

　　印度自1973年開始在探空火箭的基礎上研制固體小型運載火箭：衛星運載火箭3(SLV-3)和加大推力衛星運載火箭(ASLV)，目前均已退役。

 

衛星運載火箭3(SLV-3)

 

　　以色列曾研制“沙維特”(Shavit)小型3級固體運載火箭，用于發射軍事偵察衛星，后來又發展了第二代固體運載火箭“沙維特”-1，這種火箭沿用至今。目前，以色列正在與美國合作研制4級固體運載火箭LK-1。

 

“沙維特”(Shavit)小型3級固體運載火箭

 

　　巴西于1976年成功發射了2級固體探空火箭Sonda，在加入導彈技術限制性條約(MTCR)后，研制基于Sonda4火箭技術的捆綁式3級固體運載火箭VSL-1。盡管首飛失敗，巴西仍積極尋求國際合作，推進VLS計劃。

 

　　作為參與國際空間站建設的回報，2006年巴西航天員龐泰斯搭乘聯盟號飛船進入國際空間站，成為了首位巴西宇航員。而巴西與中國在航天領域的合作一直都卓有成效，與中國合作的地球資源衛星項目也是目前巴西航天研究的重要組成部分。在與中國航天技術的合作中，巴西也接觸到了遙感衛星的設計與制造工作，為其日后獨立研制中型衛星打下了良好的基礎。

 

　　通過對國外主要的低成本通用中小型運載火箭項目進行分析，可以發現其在結構設計、發動機設計、新型推進劑、電子電氣系統設計、先進的制造與管理、發射與回收等六個方面擁有以下研制特點：

 

　　1) 運載火箭的結構設計對運載效率影響很大，因此一般從采用模塊化設計、新型復合材料、回收輔助結構設計等技術降低成本。

 

　　2) 發動機方面目前大多通過采用技術繼承與改進、簡化發動機設計、設計新型發動機、設計推力可調發動機等方式來降低成本。

 

　　3) 采用具良好性能的新型推進劑，能夠增加推進劑儲存、運輸、生產的安全性，或者提高發動機比沖。隨著載荷發射效率的提高，發射總成本得以降低，目前，新型甲烷發動機已成為研制新一代可重復使用運載火箭關鍵。

 

　　4) 運載火箭的電子電氣系統也占據了火箭的相當一部分成本，但目前這部分仍難以回收。因此，采用商業化器件、智能化技術和可靠性設計方法能適度降低火箭發射總成本。

 

　　5) 運載火箭各系統組成復雜，綜合采用3D 打印、批量生產、全球采購、商業化運作模式，也能夠大幅降低運載火箭研制和發射成本。

 

　　6) 為降低航天發射總成本，目前主要從簡化發射操作及設施復雜程度，采用海上移動發射平臺，采用空中發射平臺，回收復用運載器主要部件，以及研制新型組合動力飛行器等方面進行研究。

 

　　在全球航天技術迅猛發展的背景下，我國航天事業取得了舉世矚目的成績，實現了載人航天?探月工程等航天工程的巨大成功?受航天領域體制?制度和整體工業水平限制，我國在國際航天領域的地位正受到新興航天國家，如印度?巴西以及SpaceX?OrbitalScience等私人航天公司的全面挑戰?Epsilon火箭的成功發射，為我們帶來了諸多方面的思考?

 

　　中小型運載火箭方面，我國與發達國家的差距主要體現在如下幾個方面：

 

 

　　因此，我國新一代運載火箭很有必要采用模塊化、通用化設計和產品化管理以降低研制、生產成本，這樣才能使我國長征系列運載火箭在國外衛星發射市場占有一席之地。

 

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