龍雪丹 楊開（北京航天長(zhǎng)征科技信息研究所）

1伊朗在2021年6月和12月分別進(jìn)行了一次發(fā)射，均告失敗。但也有媒體猜測(cè)，伊朗在6月的發(fā)射是在11天內(nèi)進(jìn)行了兩次發(fā)射，因未有足夠證據(jù)，本文仍按一次計(jì)。

2021年，全球航天發(fā)射145次，完全成功133次，失敗11次，部分成功1次，將超過1800個(gè)有效載荷和27名航天員送入軌道。其中，中國(guó)55次、美國(guó)51次、俄羅斯25次、歐洲6次、日本3次、印度2次、伊朗2次、韓國(guó)1次。中國(guó)在發(fā)射次數(shù)和完全成功率上均實(shí)現(xiàn)了對(duì)美俄的超越?！伴L(zhǎng)征”系列火箭發(fā)射48次，獵鷹—9（Falcon—9）系列火箭發(fā)射31次，聯(lián)盟—2（Soyuz—2）系列火箭發(fā)射22次，是本年度執(zhí)行發(fā)射任務(wù)最多的3個(gè)火箭系列，執(zhí)行任務(wù)數(shù)超過全球總發(fā)射數(shù)的70%。此外，伊朗“神鳥”（Simorgh）火箭失敗2次，美國(guó)“電子”（Electron）KS火箭、火箭—3（Rocket—3）、螢火蟲—阿爾法（Firefly Alpha）火箭各失敗1次；印度地球同步衛(wèi)星運(yùn)載火箭-MK2（GSLV—MK2）發(fā)射失?。豁n國(guó)羅老—2（KSLV—2）運(yùn)載火箭首飛失??；中國(guó)雙曲線一號(hào)火箭失敗2次，快舟一號(hào)甲火箭失敗1次。

1 軍民發(fā)射需求主導(dǎo)，商業(yè)太空旅行成為熱點(diǎn)

2021年國(guó)際發(fā)射需求主要來自軍隊(duì)和政府機(jī)構(gòu)，此類發(fā)射占發(fā)射總數(shù)近70%。各國(guó)在軍事航天領(lǐng)域持續(xù)加強(qiáng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，以執(zhí)行更有效的情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）任務(wù)，強(qiáng)調(diào)發(fā)射通信衛(wèi)星以提高數(shù)據(jù)傳輸能力，加強(qiáng)戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)、戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈建設(shè)，提高現(xiàn)代以網(wǎng)絡(luò)為中心的作戰(zhàn)能力，發(fā)展先進(jìn)衛(wèi)星通信。另一方面，近年來政府和各種基金會(huì)對(duì)教育類民用衛(wèi)星研究提供的資金支持大幅增長(zhǎng)，大學(xué)、高中等教育機(jī)構(gòu)的小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量也在快速增長(zhǎng)。美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）、俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)（ROSCOSMOS）、阿里安公司（Ariane）、諾格公司（NG）、聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）是商業(yè)發(fā)射的主要參與者，“星鏈”（Starlink）和“一網(wǎng)”（OneWeb）等大型低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的發(fā)射需求占商業(yè)發(fā)射總數(shù)的2/3。

2021年被稱為“太空旅行元年”。美國(guó)的3家私營(yíng)航天企業(yè)，包括藍(lán)源公司（Blue Origin）、維珍銀河公司（Virgin Galactic）和SpaceX公司都在太空旅行方面有所突破。7月11日，維珍銀河公司創(chuàng)始人、71歲的理查德·布蘭森搭乘太空船二號(hào)（SpaceShip Two）成功完成了一次亞軌道飛行，成為第一個(gè)被送入太空的億萬富翁，飛行高度約85km。7月20日，貝索斯搭乘自家公司的“新謝潑德”（New Shepard）亞軌道飛行器成功飛入太空，飛行高度達(dá)106km。9月15日，SpaceX公司的“激勵(lì)4”（Inspiration4）任務(wù)成功將4名太空旅客送入軌道，將太空旅行的高度推至約590km的近地軌道（LEO），實(shí)現(xiàn)了航天商業(yè)化的重要里程碑。到目前為止，維珍銀河公司的亞軌道太空旅游服務(wù)已有600多人預(yù)訂了票價(jià)在20萬～25萬美元之間的門票。SpaceX公司也獲得了包括公理—1（Ax—1）和“親愛的月亮”（Dear Moon）等私人太空旅行合同。在“激勵(lì)4”任務(wù)之后，就私人太空旅行問題向SpaceX公司咨詢的人數(shù)顯著增加。據(jù)透露，SpaceX公司已為3年后的任務(wù)進(jìn)行談判，需求可能會(huì)超過SpaceX公司能夠提供的太空旅行機(jī)會(huì)。

維珍銀河公司的太空船二號(hào)（來源：維珍銀河公司）

SpaceX公司的“激勵(lì)4”任務(wù)乘員（來源：SpaceX公司）

2 月球和深空將成未來角逐焦點(diǎn)，美俄發(fā)展差異顯著

美國(guó)繼續(xù)推進(jìn)“阿爾忒彌斯”（Artemis）計(jì)劃，瞄準(zhǔn)2025年載人重返月球，并為未來載人登火鋪路。而俄羅斯的載人深空探索則更多面向月球，原計(jì)劃在2030年實(shí)現(xiàn)載人登陸月球。

2021年，美國(guó)繼續(xù)在國(guó)際上爭(zhēng)取空間探測(cè)規(guī)則的主導(dǎo)權(quán)，波蘭、墨西哥等國(guó)加入“阿爾忒彌斯”協(xié)定（Artemis Accords），簽約國(guó)增至14個(gè)。美國(guó)進(jìn)一步鼓勵(lì)商業(yè)力量主導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新，在“阿爾忒彌斯”計(jì)劃下授出2份月球“載人著陸系統(tǒng)”（HLS）方案研究合同。第一階段合同由SpaceX公司獲得，合同價(jià)值28.9億美元，用于研制“星艦”（Starship）月球著陸系統(tǒng)；第二階段由5家公司分獲總價(jià)值1.46億美元合同，用于研究未來月球著陸系統(tǒng)方案。同時(shí)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）積極推進(jìn)“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）重型運(yùn)載火箭項(xiàng)目，完成SLS火箭的設(shè)計(jì)認(rèn)證審查，火箭技術(shù)成熟性可滿足阿爾忒彌斯—1無人繞月任務(wù)要求，并認(rèn)證了火箭的可靠性、安全性和生產(chǎn)質(zhì)量；NASA完成了SLS芯級(jí)地面長(zhǎng)程點(diǎn)火試車，以及首飛箭和“獵戶座”（Orion）飛船的總裝，有望在2022年初實(shí)現(xiàn)首飛。另外，NASA也在積極推進(jìn)后續(xù)任務(wù)所需的系統(tǒng)組件的生產(chǎn)制造工作。但因受到藍(lán)源公司等對(duì)第一階段HLS合同分配結(jié)果的起訴，該計(jì)劃被迫停滯近七個(gè)月的時(shí)間，導(dǎo)致阿爾忒彌斯—2任務(wù)（即首次載人登月任務(wù)）由2024年推遲至2025年。為配合“阿爾忒彌斯”計(jì)劃，SpaceX公司正在積極推進(jìn)“超重-星艦”（Superheavy Starship）的研制工作。2021年，其“星艦”飛船級(jí)驗(yàn)證機(jī)連續(xù)多次實(shí)現(xiàn)了10km級(jí)高空試飛，利用SN15星艦原型機(jī)首次在10km高空試飛中實(shí)現(xiàn)軟著陸，B4超重火箭級(jí)和S20星艦飛船級(jí)原型機(jī)完成了一次對(duì)接，計(jì)劃2022年初進(jìn)行首次入軌飛行試驗(yàn)。

B4超重火箭級(jí)和S20星艦飛船級(jí)原型機(jī)對(duì)接（來源：SpaceX公司）

俄羅斯方面則對(duì)探月計(jì)劃進(jìn)行了調(diào)整，提出利用4枚安加拉—A5V（Angara—A5V）火箭替代原計(jì)劃的重型火箭實(shí)現(xiàn)載人登月的方案，同時(shí)暫停了“葉尼塞”（Yenisei）重型火箭的研制工作。安加拉—A5V火箭在安加拉—A5的基礎(chǔ)上使用新的氫氧上面級(jí)使近地軌道運(yùn)載能力提升至37.5t，地球同步軌道運(yùn)載能力提升至8t。由于缺乏資金，安加拉—A5V的研發(fā)實(shí)際上處于停滯狀態(tài)。“葉尼塞”重型火箭基于聯(lián)盟—5和聯(lián)盟—6中型火箭捆綁設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)工作此前一直處于技術(shù)建議書階段，項(xiàng)目被暫停也主要是因?yàn)槎砹_斯研發(fā)經(jīng)費(fèi)不足。

3 疫情影響與技術(shù)問題交織，主力火箭更新?lián)Q代推后

各航天大國(guó)計(jì)劃在21世紀(jì)20年代中期實(shí)現(xiàn)現(xiàn)役主力火箭的更新?lián)Q代。隨著時(shí)間節(jié)點(diǎn)的臨近，各國(guó)下一代主力運(yùn)載火箭的研發(fā)工作更加緊迫。

美國(guó)ULA公司計(jì)劃利用“火神”（Vulcan）火箭逐步替代德爾他—4H（Delta—4H）和宇宙神—5 （Atlas—5）火箭，德爾他—4H僅余3次發(fā)射，而宇宙神—5計(jì)劃再完成30多次任務(wù)后退役。“火神”火箭項(xiàng)目在2021年完成了芯級(jí)的射前演練，驗(yàn)收了首飛箭的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。“火神”火箭的前兩次任務(wù)原計(jì)劃是在2021年第4季度發(fā)射太空機(jī)器人技術(shù)公司（Astrobotic Technology）月球著陸器和2022年發(fā)射內(nèi)華達(dá)山脈公司（SNC）“追夢(mèng)者”（Dream Chaser）貨運(yùn)飛船。但由于藍(lán)源公司BE—4液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火器和火箭性能相關(guān)技術(shù)問題，研制進(jìn)度嚴(yán)重滯后，“火神”火箭首飛已經(jīng)推遲至2022年。由于首飛任務(wù)推遲，“火神”火箭可能無法按計(jì)劃取得美國(guó)國(guó)家安全航天發(fā)射任務(wù)資格，原定在2022年底由“火神”火箭發(fā)射的美國(guó)空軍USSF—51任務(wù)將改由宇宙神—5火箭發(fā)射。

“火神”火箭芯級(jí)試驗(yàn)件（來源：ULA）

美國(guó)藍(lán)源公司在競(jìng)爭(zhēng)“國(guó)家安全航天發(fā)射”計(jì)劃（NSSL）第二階段的發(fā)射服務(wù)采購(gòu)落選后，仍在開展“新格倫”（New Glenn）火箭的研制工作，但首飛時(shí)間由2020年推遲至2022年。2021年，藍(lán)源公司完成了新格倫火箭一子級(jí)模擬試驗(yàn)件。該模擬試驗(yàn)件未安裝BE—4發(fā)動(dòng)機(jī)，準(zhǔn)備用于地面操作演練，包括從火箭制造廠到LC—36發(fā)射設(shè)施的運(yùn)輸過程。

“新格倫”一級(jí)模擬件（來源：藍(lán)源公司）

俄羅斯重點(diǎn)推進(jìn)聯(lián)盟—5中型運(yùn)載火箭的研制工作，完成一子級(jí)貯箱靜壓試驗(yàn)，驗(yàn)證新型1580鋁合金及其制造工藝，基于成熟發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)的RD—171MV和RD—0124MS成功進(jìn)行多輪地面試車，聯(lián)盟—5火箭瞄準(zhǔn)2023年進(jìn)行首飛?；赗D—181MV的聯(lián)盟—6火箭項(xiàng)目研制暫停。阿穆爾—SPG（Amur—SPG）重復(fù)使用兩級(jí)型中型火箭結(jié)構(gòu)改用復(fù)合材料，其主動(dòng)力RD—0169液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)將在2023年底交付。

歐洲阿里安—6研制受新冠疫情影響嚴(yán)重，加之低溫臍帶臂出現(xiàn)技術(shù)問題，發(fā)射工位直到2021年10月才完工交付，首飛至少推遲至2022年第4季度。歐洲還在推動(dòng)“福玻斯”復(fù)合材料低溫上面級(jí)和“阿斯特里斯”常溫變軌級(jí)，前者將通過大幅降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量提高阿里安—6火箭運(yùn)載能力，后者將擴(kuò)展阿里安—6火箭任務(wù)適應(yīng)性。

日本在研的新一代H—3主力火箭，因一子級(jí)采用的開式膨脹循環(huán)大推力LE—9氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)在試車過程中暴露出方案中的薄弱環(huán)節(jié)，燃燒室和渦輪泵組件出現(xiàn)裂紋。盡管日本完成H—3火箭射前全流程的發(fā)射演練，但是由于LE—9發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)問題，H—3首飛仍推遲至2022年。

4 商業(yè)太空競(jìng)爭(zhēng)持續(xù)發(fā)展，新研小火箭陸續(xù)首飛

隨著商業(yè)小衛(wèi)星制造、發(fā)射需求的旺盛，小運(yùn)載市場(chǎng)的發(fā)展保持強(qiáng)勢(shì)，但同時(shí)也遭遇多次失利，商業(yè)火箭的風(fēng)險(xiǎn)仍比較高。

美國(guó)“電子”火箭在商業(yè)小運(yùn)載領(lǐng)域處于領(lǐng)跑地位。2021年，共完成3次發(fā)射任務(wù)，其中5月15日在新西蘭進(jìn)行的發(fā)射未能實(shí)現(xiàn)入軌，原因是二子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器系統(tǒng)故障。美國(guó)維珍軌道公司的發(fā)射器—1（LauncherOne）實(shí)現(xiàn)首次入軌和首次應(yīng)用發(fā)射，為美國(guó)國(guó)防部“快速敏捷發(fā)射倡議”（RALI）部署4顆立方體衛(wèi)星。美國(guó)螢火蟲航天公司（Firefly Aerospace）“阿爾法”（Alpha）小型火箭的首次入軌發(fā)射試驗(yàn)失敗，因一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)故障，在起飛2.5min后失控并發(fā)生翻滾，隨即觸發(fā)自毀系統(tǒng)，在高空爆炸解體。美國(guó)阿斯特拉公司（Astra）研制的火箭—3在3次試飛失敗后，終于在2021年12月的第4次發(fā)射任務(wù)中成功將載荷部署到預(yù)定軌道。

“阿爾法”小型火箭首次入軌發(fā)射試驗(yàn)失?。▉碓矗何灮鹣x宇航公司）

阿斯特拉公司的火箭—3小型運(yùn)載火箭（來源：阿斯特拉公司）

歐洲航天局（ESA）在研織女星—C （Vega—C）小型固體火箭原計(jì)劃2019年首飛，由于疫情影響以及織女星火箭在2019年和2020年的發(fā)射失利，首飛時(shí)間已推遲至2022年。2021年ESA向意大利艾維歐公司（Avio）提供1.188億歐元經(jīng)費(fèi)用于推進(jìn)織女星—E火箭的研制工作?？椗恰狤是織女星—C火箭的改進(jìn)型號(hào)，將用液氧/甲烷三子級(jí)替代織女星—C的固體三子級(jí)和常溫四子級(jí)，大幅提升性能。

2021年10月，韓國(guó)首個(gè)完全自主研制的KSLV—2小型火箭首飛，但因?yàn)殚y門或傳感器故障引起上面級(jí)液氧貯箱壓力下降，導(dǎo)致上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)提前關(guān)機(jī)，未能將載荷送入預(yù)定軌道，發(fā)射遭遇失利。

印度在研的固體小運(yùn)載“小型衛(wèi)星運(yùn)載火箭”（SSLV）在2021年3月18日的一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車中，試驗(yàn)開始后60s出現(xiàn)振動(dòng)，大約95s時(shí)，噴管與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的法蘭附近發(fā)生爆炸。受此次事故影響，該型號(hào)首飛時(shí)間由原計(jì)劃的2021年4月延后至2022年。

除上述小火箭外，還有眾多商業(yè)小火箭不斷涌現(xiàn)。如，美國(guó)Launcher公司正在研制“輕型運(yùn)載器”（Launcher Light），性能與火箭實(shí)驗(yàn)室公司（RocketLab）的“電子”小火箭相近。一子級(jí)采用1臺(tái)E—2發(fā)動(dòng)機(jī)，二子級(jí)采用真空型E—2發(fā)動(dòng)機(jī)。預(yù)計(jì)2024年開始試飛、2026年開始商業(yè)服務(wù)。英國(guó)軌道發(fā)射快遞公司（Orbex）正在研制“一流”（Prime）兩級(jí)小型運(yùn)載火箭，采用3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，近地軌道運(yùn)載能力為150kg，計(jì)劃2022年首飛。英國(guó)天空曙光公司（Skyrora）正在研制天空曙光—XL（Skyrora XL）小型運(yùn)載火箭，太陽同步軌道（SSO）運(yùn)載能力為315kg，同樣計(jì)劃2022年首飛。歐洲伊薩宇航公司（Isar Aerospace）正在研制光譜小型火箭，采用液氧和烴基燃料作為推進(jìn)劑，太陽同步軌道運(yùn)載能力為700kg，瞄準(zhǔn)2022年首飛。奧格斯堡火箭工廠公司（Rocket Factory Augsburg）正在設(shè)計(jì)RFA—1小型火箭，300km太陽同步軌道運(yùn)載能力為1300kg，發(fā)射費(fèi)用為300萬歐元?；鞗_技術(shù)公司（HyImpulse Technologies）正在研制三級(jí)SL1火箭，采用固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，近地軌道運(yùn)載能力為500kg。美國(guó)藍(lán)移宇航公司（BluShift Aerospace）計(jì)劃研制近地軌道運(yùn)載能力為30kg的“紅矮星”（Red Dwarf）小火箭，計(jì)劃不早于2024年首飛。

5 垂直起降重復(fù)使用技術(shù)再進(jìn)步，“超重—星艦”采用新回收方案

2021年，SpaceX公司在重復(fù)使用技術(shù)方面取得重要進(jìn)展。利用編號(hào)為B1051的火箭一子級(jí)創(chuàng)下了11次飛行、11次回收的紀(jì)錄，具有里程碑意義。該公司計(jì)劃未來獵鷹—9復(fù)用助推級(jí)可進(jìn)行20次甚至30次飛行。另外，值得一提的是，SpaceX公司將重復(fù)使用技術(shù)應(yīng)用于載人發(fā)射。4月23日，利用獵鷹—9執(zhí)行NASA商業(yè)載人運(yùn)輸計(jì)劃下的第二次正式飛行任務(wù)，任務(wù)代號(hào)乘員—2（Crew—2），搭載4名乘員，抵達(dá)國(guó)際空間站。乘員—2采用了復(fù)用的飛船和火箭一子級(jí)。此外，SpaceX公司在研的“超重—星艦”正在探索新的回收方案，“超重”火箭級(jí)計(jì)劃采用基于發(fā)射架的解決方案來實(shí)現(xiàn)回收。用發(fā)射架臂抓住超重火箭級(jí)，用柵格舵來承受載荷。SpaceX公司對(duì)重復(fù)使用技術(shù)的積極探索，極大地影響著運(yùn)載火箭行業(yè)的發(fā)展。下一代新型火箭在論證中大多考慮了經(jīng)濟(jì)性與重復(fù)使用性，如美國(guó)的“火神”火箭、“新格倫”火箭、俄羅斯的“阿穆爾”火箭。

6 結(jié)語

2021年，面對(duì)強(qiáng)勁的發(fā)射市場(chǎng)需求，世界航天運(yùn)載火箭領(lǐng)域發(fā)展進(jìn)一步加速，并呈現(xiàn)商業(yè)化、市場(chǎng)化、多元化等特點(diǎn)。在技術(shù)發(fā)展方面，重復(fù)使用技術(shù)仍然是熱點(diǎn)和趨勢(shì)，在低成本、高可靠等需求的牽引下，有望進(jìn)一步與運(yùn)載火箭深度結(jié)合，為運(yùn)載火箭的發(fā)展注入新的活力。