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user: 2. 低成本运载火箭发展概况 自上世纪60年代以来，美国一直希望得到廉价的、反应迅速的、可靠的小型运载火箭，以满足其战时快速发射小卫星的需求。一方面，随着小卫星技术的快速发展和应用，美国开始大力发展小型低成本运载火箭 [ 1 ] [ 7 ] ；另一方面，为了有效降低发射成本，美国积极扶持商业航天公司，以SpaceX公司、蓝色起源公司等为代表的一批商业航天公司，正在努力推动低成本运载火箭的发展 [ 8 ] 。 (1) 初期阶段 在1960~1994年期间，美国一直采用全固体推进小型运载火箭“侦察兵”发射小型卫星，其“侦察兵-G”型运载火箭能将210 kg卫星送入LEO，价格为1330万美元。上世界80年代，随着小卫星技术的快速发展，美国又研制了“飞马座”、“人牛怪”小型运载火箭，发射小卫星需要2000万美元甚至更多，因而仍没有解决缺乏廉价小型运载火箭的问题。例如，美国空军的2颗小卫星——PIC0sat和XSS-10由于缺少发射机会被推迟了数年，“21世纪技术卫星”星座发射计划由于经费问题被取消，其他与小卫星有关的许多建议和商业投资(如KitComm公司)都被取消，新罕布什尔大学的CATSAT以及学生研制的星光-4，5卫星被取消，NASA的大学级探索计划大部分由于发射费用问题而延缓或推迟，从而严重阻碍了小卫星的发展和应用 [ 2 ] 。 (2) 发展阶段 至2010年前，美国继续发展低成本运载火箭，提出了一些新的设计方案，包括Microcosm公司的Sprite运载火箭、SpaceDev公司的Streaker运载火箭、航天发射公司(SLC)的“快速反应小运载量可支付发射”(RASCAL)计划，以及俄罗斯的“第聂伯号”低成本运载火箭等。表1给出了此阶段国外主要低成 Table 1 Some abroad low cost launch vehicles in middle stag 火箭型号 研制机构 主要技术 运载能力/轨道类型 估计成本(万美元) 飞马座 美国ATK公司 小型三级固体火箭，采用B52轰炸机空中发射。改进型为飞马座-XL采用大型L-1011飞机发射。 443 kg/LEO 900万 金牛座 美国ATK公司 四级火箭，上面三级与飞马座相同，但是没有稳定翼，采用固体燃料。改进型金牛座-XL第一级使用液体燃料。 1400 kg/LEO 2000 Sprite 美国Microcosm公司 液体火箭，采用模块化设计(由7个相同的推进舱组成)，液氧和煤油发动机采用压力供给(不再使用昂贵的涡流泵)。 220 kg/LEO 250 航天运载火箭 美国AFRL公司 3级固体小型运载火箭，需研制新型的高性能发动机，可从F-15E飞机上发射。 100 kg/LEO 500 Streaker 美国SpaceDev公司 使用固液混合火箭发动机。 315 kg/LEO 1000 RASCAL 美国航天发射公司(SLC) 使用可重复使用的超音速飞行器Mach-3作为第1级，上面级为一次性火箭。 110 kg/LEO 120 小型运载火箭 美国瑟伯空间系统公司 液体火箭，使用泵供给系统，带有合成贮箱，以水作为氧化剂。 200 kg/LEO 230 第聂伯 俄罗斯 由SS-18洲际弹道导弹改造，三级液体火箭，采用车载发射筒弹射。2000~2009年间发射了50 kg级别内国际小卫星总数的35%以上。 4500 kg/LEO 2500万 呼啸号 俄罗斯 改自SS-19洲际弹道导弹，三级液体火箭，使用Briz-KM上面级，地面塔架发射。 2140 kg/LEO 1500万 质子号 俄罗斯 液体推进剂，不同型号采用三级或四级构型，商业发射40多次。 22，000 kg/LEO 6000 kg/GTO 7000万 阿里安5 欧洲 模块化设计，可配置成多个型号。一子级芯级为低温推挤系统，捆绑两枚大型固体助推器，二子级采用可储存双组元推进剂。 6900 kg~10500 kg/GTO 12，000万 ~15，500万 PSLV 印度 四级固体、液体混合火箭，地面发射。 3250 kg/LEO 1420 kg/GTO 2500万 表1. 发展阶段国外主要低成本运载火箭 本运载火箭的发展情况。 (3) 最新发展 近几年来，各国政府开始大力支持商业航天的发展，特别是美国为了打破ULA的发射垄断和高昂的发射费用，支持SpaceX、Blue Origin等一批商业公司加入航天商业竞争。未来航天业市场规模巨大，虽然目前仅有少数运载火箭已成功实施多次发射，但是很多机构开始提出各种低成本发射方案，一些已经进行了发动机和关键电气系统的飞行试验，而另一些还处于方案和设计论证阶段 [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] 。特别是，国外已有二十多家机构开始研制各种低成本小型运载器 [ 7 ] 。表2列出了国外低成本运载火箭最新发 Table 2 Recent development of abroad low cost launch vehicle 火箭型号 研制机构 主要技术 运载能力/轨道类型 估计成本 (美元) 猎鹰-9 美国SPACEX公司 二级液体大型火箭，一子级可回收，采用垂直反推火箭和支架着陆，已成功发射数次。 13，150 kg/LEO 4850 kg/GTO 5700万 织女星 欧洲 小型火箭，四级构型(3个固体级 + 1个液体上面级)， 大量使用新技术，包括碳纤维增强复合材料缠绕壳体、 低密度防热橡胶、新型固体推进剂、可消耗壳体的点火器等 1500 kg/LEO 4100万 艾普斯龙 日本 小型火箭，三级全固体火箭，液体末修级，采用新型固体火箭推进剂、“移动发射控制”方式和最新IT技术。 1200 kg/LEO 5200万 安加拉 俄罗斯联合火箭集团 模块化设计，不同型号分别为二级或三级构型，液氧煤油发动机。 24，000 kg/GTO 8000万 多用途纳火箭系统 美国Dynetic公司 基于现有导弹技术的低成本、多构型的快速响应型简易火箭， 从收到发射指令到完成发射准备仅需24小时。 2010年7月成功进行了发动机点火试验。 10 kg/LEO 100万 SPARK(Super Strypi) 美国夏威夷大学、桑迪亚国家实验室、航空捧起 美国空军ORS办公室投资新型小型运载火箭，三级固体结构，轨道器发射起飞，能够满足ORS提出的24小时内按需发射的要求，可在简单水泥平台上完成发射。2015年首飞并没有成功。 250 Kg/LEO SWORDS 美国量子公司 2013年3月获得美陆军合同，使用商业级别的材料， 能以极低的成本从任何水泥路上将纳卫星送入精确轨道， 从准备到发射就绪需要24小时。 25 kg/LEO 100万 Electron 美国/新西兰火箭实验室 与SpaceX公司的猎鹰-9类似，一二级采用同一型的“卢瑟福”发动机，一级配9台发动机，二级配一台发动机。2016年下半年试飞。 150 kg/LEO 490万 Firefly a 美国Firefly Space System公司 一子级采用塞式发动机FRE-1，发动机效率高， 预期2017年陆上发射试验。 400 kg/LEO 200 kg/SSO 900万 Launcher ONE 美国Virgin Galaxy公司 采用波音747-400通用民航飞机发射，一子级采用牛顿三号发动机(推力330 kN)，二子级采用牛顿四号(推力约22kN)， 2015年9月进行了牛顿三号发动机点火试验。 220 kg/SSO 1000万 NEPTUNE 美国 Interorbital System公司 模块化运载火箭，继承了早期德国OTRAG火箭方案，通过捆绑不同数量的通用模块，实现不同的运载能力，规划的构型包括N3、N5、N7、N36，可实现15kg-1000kg的有效载荷发射。2014年已完成通用模块的飞行试验。 1000 kg/SSO 1800万 GO2 美国 Generation Orbit公司 小型运载火箭，得到NASA和DARPA的资助， 可用于开展高超声速飞行试验。 40 kg/LEO 200万 Haas 2C 美国ARCA 航天公司 小型运载火箭，采用ARCA的“执行官”发动机，燃烧室和喷管采用复合材料制造，液氧/煤油发动机，推力220kN，地面发射。 400 kg/LEO Vector 美国Vector Space System 小型运载火箭，已完成发动机和机构等部件的研制，一子级拟采用降落伞和无人机方式回收。 50 kg/LEO 300万 可重复使用火箭RLV 印度空间研究局 配备一台超燃冲压发动机，5台半低温发动机，2016年5月试验了可重复使用火箭的超然冲压发动机，希望未来可重复使用10次来降低成本，单位载荷的发射成本从5000美/千克元将至2000美元/千克。 10，000~20，000 kg/LEO 5000万 ~1亿 Aniva 俄罗斯Lin Industrial 设计了四型运载火箭，包括三型一次性和一型可重复使用的方案。采用液氧/甲烷发动机。 90kg~700kg /LEO 360万 ~1000万 SagitariusSpace Arrow 西班牙Celestia Aerospace公司 采用米格25飞机空中发射，预计2016年末首次试飞。 4-16颗纳卫星/LEO 25万 表2. 国外低成本运载火箭最新发展 展的基本情况。我国新一代运载火箭也发展迅速，小型运载火箭快舟、CZ-6、CZ-11以及中型运载火箭CZ-7和大型运载火箭CZ-5已发射成功，适应多种不同的发射需求。