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国外低成本通用中小型运载火箭研制

时间:2017-06-23  来源:高端装备发展研究中心   发布:高端装备网 
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  数十年来,高昂的发射成本一直是制约航天业发展的主要因素,为了进一步降低发射成本,世界各航天机构纷纷提出各自的低成本火箭研制发展计划。另外随着技术进步,近年来全球搭载发射的微小型卫星也明显增多,大规模微小卫星计划不断涌现。受此影响,低成本的中小型运载火箭凭借其快速、高频率发射和单次发射价格低等受到运营商的欢迎。

 

  美国的低成本运载火箭

 

  美国在20世纪50年代末开始研制侦察兵系列固体小型运载火箭,旨在利用已有的成熟导弹技术,发展一种价廉可靠的小型运载火箭。该系列火箭1960年首飞,1994年退役。20世纪90年代,美国一些私营公司相继推出了“大篷车”、“雅典娜”、“飞马座”、“金牛座”等固体小型运载火箭,竞争中、小型有效载荷发射市场。其中,“飞马座”和“金牛座”充分利用了美国已有的弹道导弹技术。

 

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飞马座火箭 “B-52”同温层轰炸机上抛出(水平发射)

 

  美国在签订《削减战略武器条约》后,也利用退役的洲际弹道导弹技术和产品研制出“米诺陶”固体小型运载火箭,专门用于政府有效载荷的发射。进入21世纪,随着新军事变革的迅猛发展,快速进入空间成为实现快速空间作业、快速远程精确打击和空间攻防对抗的基础。在此背景下,美国空军开始实施“作战快速响应空间”(ORS)计划,发展快速响应、低成本的小型固体运载火箭成为该计划的重要组成部分。美空军专门订购了具有低成本、快速响应能力的“米诺陶”固体运载火箭作为小型有效载荷的主要运载工具。

 

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米诺陶4火箭在范登堡空军基地升空

 

  “米诺陶”-I型火箭成本1800万美元,在倾角为28.5°、高185km的近地轨道时,发射质量为580kg,400km高的极轨道时,发射质量为318kg。“米诺陶”-4火箭成本2000万美元,在倾角为28.5°、高185km的极地轨道时,发射质量为1723kg,740km高的极轨道时,发射质量为997kg。该系列火箭设计结构采用了有效载荷适配器,以适应多种有效载荷。

 

  “Falcon”猎鹰系列是美国航天探索技术公司(SpaceX)按照模块化、通用化、组合化的原则设计、研制和生产的系列液体运载火箭,火箭在设计上强调高可靠性、低成本以及易操作。

 

  “猎鹰”1是美国FALCON计划(FALCON,即兵力从美国本土发射和运用)发展的小型发射火箭(SLV)方案。猎鹰计划是由美国空军和美国国防预先研究计划局(DARPA)2003年联合制定的,其主要目标是发展和验证一套通用技术,满足近期和远期全球快速精确打击任务的需求,同时验证低成本、快速发射能力。“猎鹰”1是一种低成本、可快速发射的两级小型液体推进剂运载火箭,长21.3m,底部直径1.7m,起飞质量27.2t,起飞推力342kN,极地轨道运载能力570kg。“猎鹰”1在设计上强调高可靠性、低成本和飞行安全,最大限度地减少发射前操作,通过减少发射前准备时间来降低发射费用,该火箭每次的发射价格约670万美元(2007年币值)。

 

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猎鹰一号

 

  欧洲的低成本运载火箭

 

  欧洲于1998年批准研制以固体推进技术为基础的“织女号”固体运载火箭,作为阿里安系列大型火箭和联盟号中型火箭的补充,用于发射小型有效载荷,目的是降低发射成本;其一级大型固体火箭发动机经改进后作为阿里安5改进型火箭的固体助推器。

 

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“织女星”(Vega)号小型运载火箭

 

  该火箭于2012年2月13日首飞获得圆满成功,标志着欧洲拥有了满足中小型有效载荷发射需求的理想运载火箭,弥补了中型火箭的不足。“织女号”火箭第一级P80发动机具有较高的性能。发动机高约11.2m,直径3m,装有88t固体推进剂,质量比大于0.92,是欧洲新研制的、迄今为止最大的整体式纤维缠绕壳体固体火箭发动机,代表了整体式大推力固体发动机的发展方向。

 

  日本的低成本运载火箭

 

  日本自20世纪60年代初开始在探空火箭的基础上研制固体小型运载火箭,至今已经研制出L-4S型、M系列和J-1固体小型运载火箭。目前,这三型火箭都已退役,日本先进的3级先进固体运载火箭“艾普斯龙”(Epsilon)代表了日本低成本通用中小型运载火箭的最高实力。该火箭旨在低成本发射中型科学有效载荷,同时满足快速发射的需求。

 

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“艾普斯龙”(Epsilon)火箭发射

 

  俄罗斯的低成本火箭

 

  俄罗斯在重型运载火箭方面走在世界前列,在小型火箭快速响应及低成本方面也不断拓深其技术水平。俄罗斯在20世纪90年代初与美苏签订《削减战略武器条约》后,将削减的弹道导弹改造为运载火箭,成功研制出“起跑号”固体小型运载火箭。

 

  “起跑号”固体运载火箭是以“白杨”洲际弹道导弹技术为基础研制的4级固体运载火箭,重约60000kg,直径1.8m,长28.9m,其目的是将小型卫星送入近地轨道,该火箭具有可机动、整箭贮存、经济性好等特点,可采用车载发射。

 

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“起跑号”固体运载火箭

 

  其他国家的低成本运载火箭

 

  印度自1973年开始在探空火箭的基础上研制固体小型运载火箭:卫星运载火箭3(SLV-3)和加大推力卫星运载火箭(ASLV),目前均已退役。

 

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卫星运载火箭3(SLV-3)

 

  以色列曾研制“沙维特”(Shavit)小型3级固体运载火箭,用于发射军事侦察卫星,后来又发展了第二代固体运载火箭“沙维特”-1,这种火箭沿用至今。目前,以色列正在与美国合作研制4级固体运载火箭LK-1。

 

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“沙维特”(Shavit)小型3级固体运载火箭

 

  巴西于1976年成功发射了2级固体探空火箭Sonda,在加入导弹技术限制性条约(MTCR)后,研制基于Sonda4火箭技术的捆绑式3级固体运载火箭VSL-1。尽管首飞失败,巴西仍积极寻求国际合作,推进VLS计划。

 

  作为参与国际空间站建设的回报,2006年巴西航天员庞泰斯搭乘联盟号飞船进入国际空间站,成为了首位巴西宇航员。而巴西与中国在航天领域的合作一直都卓有成效,与中国合作的地球资源卫星项目也是目前巴西航天研究的重要组成部分。在与中国航天技术的合作中,巴西也接触到了遥感卫星的设计与制造工作,为其日后独立研制中型卫星打下了良好的基础。

 

  通过对国外主要的低成本通用中小型运载火箭项目进行分析,可以发现其在结构设计、发动机设计、新型推进剂、电子电气系统设计、先进的制造与管理、发射与回收等六个方面拥有以下研制特点:

 

  1) 运载火箭的结构设计对运载效率影响很大,因此一般从采用模块化设计、新型复合材料、回收辅助结构设计等技术降低成本。

 

  2) 发动机方面目前大多通过采用技术继承与改进、简化发动机设计、设计新型发动机、设计推力可调发动机等方式来降低成本。

 

  3) 采用具良好性能的新型推进剂,能够增加推进剂储存、运输、生产的安全性,或者提高发动机比冲。随着载荷发射效率的提高,发射总成本得以降低,目前,新型甲烷发动机已成为研制新一代可重复使用运载火箭关键。

 

  4) 运载火箭的电子电气系统也占据了火箭的相当一部分成本,但目前这部分仍难以回收。因此,采用商业化器件、智能化技术和可靠性设计方法能适度降低火箭发射总成本。

 

  5) 运载火箭各系统组成复杂,综合采用3D 打印、批量生产、全球采购、商业化运作模式,也能够大幅降低运载火箭研制和发射成本。

 

  6) 为降低航天发射总成本,目前主要从简化发射操作及设施复杂程度,采用海上移动发射平台,采用空中发射平台,回收复用运载器主要部件,以及研制新型组合动力飞行器等方面进行研究。

 

  在全球航天技术迅猛发展的背景下,我国航天事业取得了举世瞩目的成绩,实现了载人航天、探月工程等航天工程的巨大成功。受航天领域体制、制度和整体工业水平限制,我国在国际航天领域的地位正受到新兴航天国家,如印度、巴西以及SpaceX、OrbitalScience等私人航天公司的全面挑战。Epsilon火箭的成功发射,为我们带来了诸多方面的思考。

 

  中小型运载火箭方面,我国与发达国家的差距主要体现在如下几个方面:

 

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  因此,我国新一代运载火箭很有必要采用模块化、通用化设计和产品化管理以降低研制、生产成本,这样才能使我国长征系列运载火箭在国外卫星发射市场占有一席之地。

 

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