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2010年世界航天发展回顾,可回收重复使用

日期: 2020-01-15 04:37 浏览次数 : 76

>猎鹰美国 猎鹰1号是由私人出资、SpaceX公司开发的,开发目的是作为一种将商业有效载荷送入近地轨道的低成本方式使用。它的第一级在发射后将用降落伞在水上着陆,然后再回收以备再次使用,而第二级则是一次性使用的。结构特点研制历程使用情况型号演变结构特点

2010年全球共进行了74次航天发射。其中,俄罗斯31次,美国15次,欧洲6次。4次发射失败,成功率达到94.6%。2010年,世界航天大国在航天运载器方面的发展不尽相同。美国调整重型运载火箭发展战略,重视商业运载火箭的研发;印度、韩国的发展陷入困境,多次发射以失败告终。此外,美国还在积极尝试新型运载器技术方案的开发。

  2020年,中国长征火箭家族将迎来一位新成员——长征八号运载火箭。该型火箭的研制将进一步完善我国运载火箭型谱,满足未来中高轨商业发射市场的需求。

一级就比“猎鹰1号”大许多,乍看上去几乎一模一样,只不过第二级比第一级稍短。从两者的直径看是12英尺对5.5英尺。横向比较,“猎鹰”9的芯级直径其实也仅比“长征”2/3/4系列的3.35米略大一些。

1.大型运载火箭发展情况

  在11月6日举行的第十二届中国国际航空航天博览会上,中国航天科技集团将携近两年来的最新科技成果共计186项产品参展,其中,新一代运载火箭家族以1:10模型首次集体亮相。

猎鹰5号和猎鹰9号将会更大,动力也会更强。它们分别装配5个和9个Merlin发动机。它们将使用和猎鹰1号相同的结构设计、电子设备和发射系统,但他们的第一级和第二级都将是可回收和重复使用的。

① 美国调整重型运载火箭发展策略。2010年4月,美国总统奥巴马宣布终止布什政府提出的“星座计划”,取消该计划中“战神”-1和“战神”-5运载火箭的研制计划。同时,奥巴马政府宣布将投资开发创新性的重型运载火箭技术,要求NASA在2015年前就新的重型运载火箭体系做出具体决策,以便在2020年代初期进行载人飞行。2010年11月,NASA选择了13家公司计划进行重型运载火箭的系统分析和研究,这种火箭计划可将宇航员运送往小行星、拉格朗日点、月球和火星。

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研制历程

② 美国空间探索技术公司成功发射“猎鹰”-9商业运载火箭。2010年6月4日,SpaceX成功发射了“猎鹰”-9运载火箭,这个两级火箭高54m,采用液氧和火箭级煤油作为推进剂,本次发射的有效载荷为一个“龙”太空舱模型。本次成功发射无疑会为私营公司竞争未来空间站补给及载人飞行合同增加砝码。12月8日“猎鹰”-9将“龙”太空舱发射送入低地球轨道。“龙”航天器以高于每小时27200千米的速度在低地球轨道上运行,然后再入大气层,并降落在距南加州海岸800千米远的太平洋目标海域。本次成功再入意义重大,这标志着商业公司第一次成功回收从低地球轨道再入的航天器。这是一个此前仅能由美国、俄罗斯、中国、日本、印度和欧空局六个国家或政府部门才能完成的壮举。SpaceX成为历史上第一个使航天器从低地球轨道成功再入大气层的商业公司。

  长征火箭家族整体亮相。澎湃新闻记者 谢瑞强 摄

第一枚猎鹰1号火箭在2006年3月25日从马歇尔群岛的卡瓦佳林环礁升空。这次发射搭载的是美国空军的FalconSAT-2卫星。燃料的泄漏导致第一级起火,火箭坠毁在附近的一处暗角上。

③日本计划升级H-2A火箭。2010年9月,日本文部科学省宣布计划对国产的H-2A火箭进行重要改进以提高其性能并降低发射成本,本次改进将是H-2A火箭自2001年投入使用以来第一次重要的革新。新型H-2A火箭设计为两级构型,采用可重复启动推进技术,可以一次发射两颗高要求的太阳同步轨道观测卫星,预计总成本为1.9亿美元。对于处于36000千米静地轨道的广播和通信卫星而言,新型H-2A火箭可以将其释放到更接近这一高度的轨道,从而减少卫星被释放后进行轨道修正所需的燃料,节省的燃料将使卫星的寿命延长3~5年。日本宇航探索局和三菱重工业股份有限公司将组成一个项目团队,计划在2013年发射改进后的火箭。

  长征八号研制顺利正进行初样研制

第二次发射于2007年3月20日在卡瓦佳林环礁进行,这次火箭没能达到预定轨道。下一次发射计划搭载美国海军实验室(NRL)的Tacsat 1卫星,以及一些人类火化后留下的骨灰,这些骨灰是“太空服务(space services)”公司“太空葬礼”计划的有效载荷。随后还有猎鹰5号和9号的诞生。

⑤ 印度运载火箭两度发射失败。2010年4月16日,印度太空研究组织从萨迪什·达万航天中心首次发射“装配自行研制的低温上面级”的地球静止轨道卫星运载火箭,火箭升空后偏离预定轨道,与地面失去联系,连同有效载荷GSAT-4卫星一起坠入孟加拉湾,耗资0.74亿美元的试飞以失败告终。据称:燃料推进涡轮泵的异常停止是发射失败的主要原因。2010年12月25日,印度航天再遭严重挫折,一枚GSLV发射升空后不久爆炸。搭载了印度重要的GSAT-5P通信卫星的GSLV火箭从萨迪什·达万航天中心发射升空。但火箭升空约45秒后偏离轨道,ISRO被迫令其自毁。ISRO官员称:火箭四个捆绑式助推器中的一个失去控制导致发射失败。

  此次亮相的新一代运载火箭家族包括:长征五号、长征五号B、长征六号、长征六号A、长征七号、长征七号A、长征八号、长征九号和长征十一号。

使用情况

2.中小型运载火箭发展情况

  中国航天科技集团一院宇航部副部长马志滨介绍,“此次航展,一院第一次对外展示了新一代运载火箭家族,多款新型火箭第一次在公众面前亮相。”自2015 年起,新一代运载火箭长征六号、长征十一号、长征七号、长征五号先后成功首飞,提升了我国自主、快速进入空间的能力。未来通过长征七号甲、长征八号、长征九号等新一代运载火箭的研制完成,中国的运载火箭将实现整体更新换代,

美国私营企业太空探索技术公司4号成功试射一枚“猎鹰9”号运载火箭,并将“龙”系列飞船的一个模型送至相应轨道。这次试飞是关于商用航天器载货乃至载人性能的一次测试。航空专家认为,它对航天业和太空探索技术公司而言均具有重要意义。

① 韩国“罗老”号火箭发射再次失败。2010年6月,韩国第二枚“罗老”号运载火箭发射失败。韩方称:俄方建造的第一级发动机是导致发射失败的主要原因。RD-151发动机失去了推力,在通信信号中断前,火箭的飞行方向发生了改变,火箭第一级在飞行中发生爆炸。2009年8月,“罗老”号火箭第一次飞行时,整流罩未能完全脱落,整流罩的重量使火箭改变路线,飞行以失败告终。

  “火箭整体更新换代对未来中国航天强国建设起到支撑作用,”马志滨说,“长征系列运载火箭与欧美国家主流火箭相比,在技术可靠性、发射成功率、单次发射服务费用和单位重量载荷发射成本等方面均具有较强的竞争力。”

型号演变猎鹰5号和猎鹰9号这两款运载火箭将会更大,动力也会更强。它们分别装配5个和9个Merlin发动机。它们将使用和猎鹰1号相同的结构设计、电子设备和发射系统,但他们的第一级和第二级都将是可回收和重复使用的。

② 欧空局签署“维加”火箭生产合同。2010年9月,ESA与阿里安航天公司签署了订购第一枚维加运载火箭的生产合同,这是“维加”火箭项目发展的重要里程碑,标志着该火箭由研发阶段向使用阶段的转变。“维加”火箭高30m,直径3m,能将质量为1500kg的有效载荷送入300~500km的低轨道,包括意大利、法国、西班牙、比利时、荷兰、瑞士,以及瑞典在内的ESA七个成员国参加了该项目。

  虽然航天科技集团此前曾公开正在研制长征八号的消息,但未公布火箭的外形,此次首次亮相让外界有机会一睹其真容。

③ 新型“雅典娜”火箭备受关注。2010年3月,美国洛克希德马丁公司宣布与阿联特技术系统公司联合使用升级版“雅典娜”火箭提供发射服务,计划于2012年进行首次发射。火箭的整流罩直径2.3m,低地球轨道运载能力为1700kg。未来,“雅典娜”火箭将与轨道科学公司的“米诺陶”火箭、SpaceX的“猎鹰”-1火箭共同执行小型有效载荷以及及时响应型太空发射任务。

  长征八号火箭项目负责人宋征宇表示,长征八号是为满足商业航天发展需要研发的新型中型运载火箭,目前该型火箭已进入初样研制阶段,预计在2020年实施首飞。

3.新概念运载火箭

  据了解,长征八号火箭主要用于填补我国太阳同步轨道3吨至4.5吨运载能力的空白,并兼顾近地轨道和地球同步转移轨道发射能力,具有发射成本适中、发射周期更短、适应多个航天发射场条件的特点。“具备较强的国际竞争力,在商业卫星发射市场前景客观。”宋征宇向澎湃新闻(www.thepaper.cn)指出。

① 美空军成功完成X-37B轨道验证飞行器试验。2010年4月22日,X-37B由“宇宙神”-5火箭发射入轨,演示验证可重复使用空间飞行器的20多项重大技术,如防热系统、推进系统、电子系统、自主导航与控制、自主返回与着陆和起落架技术等。X-37长8.91m,翼展宽度4.57m,可在太空中停留9个月。在轨期间,X-37B进行了五次大的机动变轨。12月3日,X-37B自主返回并在范登堡空军基地自主着陆。X-37B飞行器计划由美国空军领导实施,波音公司作为主承包商负责研制和建造。空军计划在2011年春季发射第二架试验飞行器。

  太阳同步轨道卫星的轨道同赤道的倾角为90度,经过南北两极等地区,由于不受地球自转的影响,所以它能永远处于太阳光的照射下,这就让它的太阳电池能处于永久充电的状态,不少遥感卫星、资源卫星都采用这种轨道。

② 美空军开发可重复使用助推器系统演示器:2010年美国空军继续推进可重复使用助推器系统的规划研制工作,RBS将使用现有的火箭发动机。首个RBS演示器是空军研究实验室的RBS探路者,将评估助推-返回机动性能,预计在2013年发射。RBS结构包括可重复使用的第一级和一次性的上面级,目前这个新的航天发射项目正处于空军内部的最后协调阶段。美国计划开发两种RBS型号:一种配备一个可重复使用的第一级段和低温上面级,用于中型发射任务;另外一种是配备两台可重复使用助推器,低温核心级段和上面级,用于重型发射任务。

  该火箭和长征七号、长征五号等新一代火箭有很多的技术联系。宋征宇介绍说,长征八号依托我国新一代运载火箭首飞成功的可靠技术,通过系列化、组合化、通用化的设计思路,开展一系列创新设计和研制,以满足未来国际航天发射的需求。

③ NASA授出模块化太空飞行器合同:作为国防部的合作伙伴,NASA将帮助促进“作战及时响应型太空”的规划、采办与运营工作。NASA在2010年2月,发布了议案征询书,征询两项单独的需求,包括模块化航天运载器合同,和快速空间响应工作合同。两项合同总价值为5亿美元。2010年7月,NASA向千禧工程与集成公司授出RRSW合同。11月,NASA选择5家公司签署了模块化太空飞行器合同。按照合同,公司将支持美国ORS办公室的工作。其中诺·格系统公司将开发多任务模块化平台;谢拉·纳瓦达公司将负责多任务模块化有效载荷的研发。

  随着长征六号、长征七号、长征十一号等火箭的陆续发射成功,中国火箭家族不断壮大,而长征八号的研制将进一步完善我国运载火箭型谱,不仅可以满足未来中高轨商业发射市场的需求,而且还能牵引带动现役运载火箭的升级换代。据悉,长征八号火箭垂直起降关键技术进行了前期攻关,未来有望具备简易塔架适应能力,实现总装、测试及发射一体化,有力带动我国商业航天的发展。

  据悉,长征八号是一型两级液体捆绑式运载火箭。全箭总长50.3米,芯一级直径3.35米,二级直径3米,单个助推器直径2.25米,火箭起飞质量约 356吨,主要用于发射近地轨道或太阳同步轨道有效载荷,最大可以将5吨的有效载荷送入700公里太阳同步轨道。

  和不少长征火箭一样,长征八号火箭也捆绑了火箭助推器,以提高运力。该火箭捆绑了2个2.25米直径液体助推器,以液氧/煤油作为推进剂,各采用一台120吨级推力的YF-100发动机。火箭一子级也采用YF-100发动机,但数量增加到两台;而二子级采用两台8吨级推力的YF-75发动机,以液氢/液氧为推进剂,具备二次启动能力。

  在发射场方面,长征八号火箭可从文昌航天发射中心和酒泉卫星发射中心发射。

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  长征八号火箭模型(右一)。澎湃新闻记者 谢瑞强 摄

  中国正大力研制可重复使用火箭

  随着美国SpaceX公司“猎鹰”9火箭可重复使用技术的不断成熟,国人也开始关注中国何时拥有可重复使用的火箭。在本次航展上,长征八号火箭项目负责人宋征宇也介绍了长征可重复使用火箭研发的相关信息。宋征宇指出,研制团队正对火箭垂直起降关键技术进行了前期攻关,各项技术研制有序进行。

  其实,在今年4月24日举行的中国航天大会上,中国工程院院士、中国航天科技集团有限公司一院系列型号总师龙乐豪也介绍了中国新型可回收火箭的相关情况。

  龙乐豪表示,这款可回收重复使用的运载火箭在长征八号火箭的基础上研制而成,采用了子级整体垂直反推回收的方式。这种回收方式类似于美国“猎鹰”系列运载火箭,能够实现火箭部件的再利用,有效降低成本。

  长征八号火箭采用回收技术之后,其发射报价将进一步降低,有利于争夺国际商业卫星发射市场份额。预计最早于2020年,采用回收技术的长征八号”火箭即可首飞。“在其服役后,可回收火箭技术将不再被美国一家垄断。”龙乐豪说。

  根据相关资料,可重复使用火箭按重复使用程度可分为部分重复使用和完全重复使用。当前国外正在积极发展的部分重复使用技术方式主要包括:伞降式(气囊)、反推火箭式和带翼飞回式等方式。

  在回收方式上,中国在伞降式(气囊)、反推火箭式上都进行了研究。中国航天科技集团公司一院科技委主任鲁宇2017年接受媒体采访时表示,中国正在展开可重复使用运载火箭技能研究,包含笔直起降计划和伞降计划。现在两个计划均已完结有些实验验证,一些关键技能现已获得打破。

  除了中国航天科技集团公司一院,该集团的八院(上海航天技术研究院)也在研制可重复使用的航天运载器。“其实早在2003年,上海航天就将视线投向重复使用运载器,并开展了专项课题预先研究。”上海航天技术研究院805所专家徐大富此前透露,“经过前期多轮论证迭代优化,我们已经逐步明确了需要突破的关键技术难点,而且确定了两步走的发展战略。”

  可重复使用火箭技术可以大幅降低发射的成本。目前,SpaceX公司“猎鹰”9火箭标准报价是6200万美元,如果多次购买还有折扣,比竞争对手价格低25%左右,可为客户节省1000至2000万美元。

  据彭博社此前报道,SpaceX公司为美国空军发射的第一颗GPS卫星报价是8270万美元,而联合发射联盟的发射价格为1.6亿美元甚至更高。由于在发射报价上没有任何优势,联合发射联盟退出了竞标。SpaceX公司曾透露,“猎鹰”9火箭的目标是将发射价格降低到500~700万美元,是现有普遍价格的1/8~1/10。 SpaceX公司创始人艾伦•马斯克认为,“这是一个令人激动的目标”。

  “猎鹰”9火箭从2013年9月开始测试回收技术,但前七次都以失败告终,第八次才成功发射。2015年12月,“猎鹰”9火箭将11枚商业卫星送上低地球轨道。一级助推火箭在坠落时,利用自身的推进器稳定减速,完美落在发射基地的着陆区。2016年4月,“猎鹰”9火箭第22次发射,实现人类历史上第一次火箭海上回收,而此前该火箭海上回收经历了失败了四次。2017年3月,“猎鹰”9火箭再次创下历史,使用回收修复后的“二手”火箭将载荷送入太空,并又一次成功回收。同时还首次尝试回收了火箭的整流罩。

  为了进一步降低发射成本,SpaceX公司还在火箭整流罩回收上“打起了主意”。据了解,“猎鹰”9火箭每个整流罩的成本在500万美元至600万美元之间。

  “廉价商业航天时代已经到来。中国在可重复使用火箭技术上发力就是为了迎接这一挑战。”航天专家向澎湃新闻指出。

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