美国小卫星运载火箭回顾与展望_夏光

运载大观　

　

□□在２００３年８月１２日举行的小卫星大会上，ＳｐａｃｅＸ公司总裁艾伦?玛斯克引起了与会者的共同关注。他作了令人振奋的简要发言，用火箭技术和根据已经获得的经验进行了浅显易懂的说明，提出了关于美国缺乏低成本的小型运载火箭问题的解决方案。小卫星运载火箭技术日益受到业界人士的重视。　

　

１ 一个由来已久的问题　

美国希望得到廉价的、反应迅速的、可靠的小型运载火箭——　小卫星发射系统（ＭＬＳ），已经不是什么新问题了。在美国航宇局（ＮＡＳＡ）的Ｂａｎｔａｍ低成本火箭技术计划中，小卫星运载火箭的定义是：具有把１５０ｋｇ重的有效载荷送入低地球轨道（ＬＥＯ）能力的运载火箭。这个能力可以容纳大部分的用于研究的小卫星、更小一些的纳卫星群，以及许多军用和商业卫星，如美国轨道通信公司（Ｏｒｂｉｔａｌ）　４６ｋｇ重的“轨道通信”（Ｏｒｂｃｏｍｍ）卫星和美国空军的２８ｋｇ重的ＸＳＳ－１０侦察卫星。　

美国最初的运载火箭都是小卫星运载火箭。如果用发射每千克入轨费用的一般标准来衡量，“先锋”（Ｖａｎｇｕａｒｄ）火箭和木星－Ｃ（Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｃ）火箭都是非常低效的。它们可以把质量低于３０ｋｇ的有效载荷送入ＬＥＯ，但其成功率只有５０％。由它们发展而

制项目中的约４．８３亿美元。ＣＥＶ是作为未来替代航天飞机的载人飞行器，现在看来该项目有可能要推迟。　

?　从旧的“空间发射倡议”中削减１亿美元，以加快其终止期。ＮＡＳＡ曾希望将这笔资金用于ＣＥＶ及其他空间运输项目的研制。　

?　从“普罗米修斯”计划的“木星冰月轨道器”项目中削减２．３亿美元。　

?　月球探测计划有可能被搁置１年，以节省出０．７亿美元。　

?　由于航天飞机暂时还不能投入运营，建造“国际空间站”的步伐变慢，因此从中削减了１．２亿美元。而用于运送货物和乘员到“国际空间站”的１．４亿美元经费削减了１／２。　

此外，　ＮＡＳＡ准备用机械手来维修“哈勃”，因为毕竟“哈勃”还可以为未来的深空探测活动提供服务。这次维修必定将通过发射航天飞机来完成，但由于众议院拨款委员会表示用于“哈勃”的经费不会因此而增加，那么其费用必然得从新太空计划的预算中得到补偿。■　

　

　

（徐菁 供稿）　

收稿日期：２００４－０８－０１　

美国小卫星运载火箭回顾与展望　

　

来的弹道导弹和运载火箭，沿袭了航空宇宙产业的法则标准，强调火箭的小质量和发射尽可能大的有效载荷，但这并不适用于数量相对较少的一次性运载火箭。ＮＡＳＡ用全固体推进小型运载火箭“侦察兵”（Ｓｃｏｕｔ）代替最初的运载火箭，它在１９６０～１９９４年服役。最后的型号Ｓｃｏｕｔ－Ｇ能将２１０ｋｇ卫星送入ＬＥＯ，价格为１３３０万美元（６．３万美元／千克）。２０世纪８０年代，新技术提高了小卫星的性能，这预示着Ｓｃｏｕｔ即将退役。于是美国国防高级研究计划局（ＤＡＲＰＡ）率先购买了一种新型运载火箭——“飞马座”（Ｐｅｇａｓｕｓ）。之后，又出现了由导弹发展而来的“人牛怪”（Ｍｉｎｏｔａｕｒ）运载火箭。后两种火箭取得了成功，但是发射费用过高，因而仍没有解决缺乏廉价ＭＬＳ的问题。　

　

２ 对小卫星发展的影响　

缺乏廉价的小型运载火箭给小卫星的研制和发展带来了重要的影响。美国国防部的航天试验计划（ＳＴＰ）能够承担的发射任务，只占由它的航天试验检查表（ＳＥＲＢ）批准的有效载荷数的２０％，没有获得发射机会的多是小卫星或者与小卫星有关的试验。　

一直以来，美国的运载火箭成本很高，发射费用也居高不下。目前，使用专用的运载火箭发射小卫星需要２０００万美元甚至更多，而小卫星与其他有效载荷一起发射很难找到机会，并且发射时间也很难协调。加之美国政府又不断增加出口卫星的难度和使用国外运载火箭发射政府投资的有效载荷的法律限制，这无疑使得小卫星的所有者和运营者面临着更多困难，阻碍了小卫星的蓬勃发展。而美国以外的小卫星研制者有多种选择，主要使用俄罗斯的运载火箭。　

轨道科学公司是美国最大的小卫星研制商，它的３４颗Ｏｒｂｃｏｍｍ小卫星已经由该公司的“飞马座”发射，每次最多发射８颗卫星。这个成功并没有为小卫星的研制带来较大的影响。许多科学卫星需要专用的轨道，这使得分享“飞马座”或者更大运载火箭剩余的发射能力是很困难的。　

美国空军的２颗小卫星——　ＰＩＣＯＳａｔ和ＸＳＳ－１０由于缺少发射机会被推迟了数年。它的“２１世纪技术卫星”星座已经被取消了，部分原因是没有找到可负担得起的运载火箭，计划被拖延了数年，从而导致其费用的增加。其他与小卫星有关的许多建议，包括商业投资（如ＫｉｔＣｏｍｍ公司），由于缺乏硬件设施，或者由于无法保证发射平台的安全、可靠性，都取消或者延期了。　

大学也受到了影响。１０颗大学纳卫星计划最初定于２００１年发射，现在已经被分解成了３个任务，并且仍没有确定发射日期。新罕布什尔大学的ＣＡＴＳＡＴ以及学生研制的星光－４、５（Ｓｔａｒｓｈｉｎｅ－４、５）卫星仍在搁置。ＮＡＳＡ的大学级探索计划大部分由于发射费用问题而延缓。　

毫无疑问，没有可使用的低成本ＭＬＳ，已经对那些小卫星运营者或者打算运营小卫星的公司产生了重要影响。小卫星的全面发展急需低价格、可在合理的时间段进行专门发射的美国ＭＬＳ。　

　

３ 近期历史经验　

在过去的２０多年里，美国曾有几家公司及机构试图建造更小、更廉价的运载火箭。他们把注意力放在廉价的一次性运载火箭上，但是最终都没有解决ＭＬＳ问题。　３．１ 空间业务公司（ＳＳＩ）　

１９８１年，空间业务公司开始从事液体燃料模块化的Ｐｅｒｃｈｅｒｏｎ运载火箭的研制工作。其第１枚运载火箭在进行静电测试时发生爆炸。由于该公司没有找到客户和投资

１６《国际太空》２００４年１０月号　

　

者，因而取消了第２枚火箭的研制。之后，该公司修改了计划，决定研制多级固体燃料火箭——“大篷车”（Ｃｏｎｅｓｔｏｇａ）。１９８２年，单级亚轨道试验火箭大篷车－１发射成功。该火箭使用了　“民兵”导弹第２级的发动机。“大篷车”火箭具有将８８０ｋｇ的有效载荷发射到ＬＥＯ的能力，它在１９９５年进行第１次商业发射时，由于控制失败而发生爆炸，而第２次发射由于没有获得资金支持而取消。　

３．２ 美国太平洋发射系统（ＰＡＬＳ）公司　该公司曾计划研制Ｌｉｂｅｒｔｙ运载火箭。Ｌｉｂｅｒｔｙ－１火箭是两级液体燃料火箭，每级都有各自的发动机。其第１级使用液氧／煤油，第２级使用四氧化二氮／甲基联氨。该火箭计划将２２０ｋｇ的有效载荷发射到极地ＬＥＯ，发射费用为２５０万美元。在ＤＡＲＰＡ把第１份合同给了“飞马座”火箭之后，投资者就退出了Ｌｉｂｅｒｔｙ火箭的研制计划。该火箭最终只进行到了发动机试验阶段，在１９８９年放弃Ｌｉｂｅｒｔｙ火箭时，ＰＡＬＳ公司已经投入了２００万美元。　

３．３ ＭＬＳ公司与加拿大的布里斯托尔航宇有限公司　

１９８８年ＭＬＳ公司与布里斯托尔航宇有限公司进行了名为Ｏｒｂｉｔａｌ　Ｅｘｐｒｅｓｓ的合作投资。该计划使用布里斯托尔公司已经验证的固体燃料发动机。１９９０年，合作者已经设计了１枚具有１４０ｋｇ运载能力的火箭，其价格接近３５０万美元。之后这个设计又进行了进一步的改进，用于满足预期用户的需要。但是由于无法证实技术上的可用性，在１９９３年，美国国防部取消了与其签订的惟一一份发射合同。　

３．４ ＡｅｒｏＡｓｔｒｏ公司　

美国ＡｅｒｏＡｓｔｒｏ公司是最早专门研制小卫星的公司之一。该公司试图用两级液体燃料运载火箭ＰＡ－Ｘ打入发射市场，计划每次发射费用为６００万美元。其发动机是简单的压力式，以降低运载火箭硬件的成本。由于ＰＡ－Ｘ火箭无法证明其在经济上的可行性，也没有吸引足够的资金支持，因而该计划进行到１９９５年就被取消了。　

３．５ 轨道科学公司（ＯＳＣ）　

轨道科学公司研制了“飞马座”运载火箭。其改进型飞马座－ＸＬ是一种提高可靠性的设计，它能够将２８０多千克的有效载荷发射到极地ＬＥＯ，但是发射费用却超过了２０００万美元，远在大部分院校机构和政府计划能够承受的范围之上。　

３．６ 美国空军　

许多美国早期的运载火箭源自洲际弹道导弹（ＩＣＢＭ）。把剩余的ＩＣＢＭ直接改装成运载火箭的想法曾经出现了许多次。在２０世纪９０年代，随着３级固体燃料ＩＣＢＭ民兵－２的退役，这种理念又开始复苏。美国空军投资基于“民兵”的小型轨道运载火箭，根据多服务发射系统（ＭＳＬＳ）合同，由洛马公司设计生产，但是由于火箭没有获得任何订购合同，所以ＭＳＬＳ合同被终止。　

之后，轨道／亚轨道计划（ＯＳＰ）合同代替了ＭＳＬＳ合同。ＯＳＰ合同授予了美国轨道通信公司，用于把“民兵”导弹改装成“人牛怪”运载火箭。“人牛怪”使用民兵－２导弹的头两级和飞马座－ＸＬ的上面两级。前２枚“人牛怪”火箭已于２０００年成功发射。它能将４００ｋｇ的有效载荷送入ＬＥＯ，但是其总共的发射费用高达１９００万美元（４．７５万美元／千克），在降低小卫星的发射费用上并不成功。

３．７ ＮＡＳＡ　

１９９７年，ＮＡＳＡ计划研制名为Ｂａｎｔａｍ的新型ＭＬＳ。Ｂａｎｔａｍ火箭能将１５０ｋｇ的有效载荷送入３７０ｋｍ高的ＬＥＯ，并且每次发射费用

《国际太空》２００４年１０月号 １７

　

不超过１５０万美元（在２００４财年是１６５万美元，即１．１万美元／千克）。ＮＡＳＡ向４家公司提供了研究经费，但是最终的设计方案都无法把发射费用降低到３００万美元之下。因此，ＮＡＳＡ放弃了这项计划。　

　

４ 目前的计划　

过去的失败并没有阻止企业界和政府机构重整旗鼓。近几年，它们依旧进行着ＭＬＳ的研制工作。因此，小型运载火箭又重新得到了关注。　

４．１ Ｍｉｃｒｏｃｏｓｍ公司的　Ｓｐｒｉｔｅ运载火箭　Ｍｉｃｒｏｃｏｓｍ公司的　Ｓｐｒｉｔｅ运载火箭由美国空军研究实验室（ＡＦＲＬ）投入部分资金。该火箭采用模块化设计，由７个相同的推进舱组成。它属于压力供给液体燃料火箭，在高压混合贮箱内使用液氧和煤油。压力供给系统可以不再使用昂贵的涡流泵，从而降低成本。　

Ｓｐｒｉｔｅ火箭能将２２０ｋｇ有效载荷送入ＬＥＯ，其估价为２５０万美元（即１．１万美元／千克）。它将成为最大的压力供给火箭。目前，Ｓｐｒｉｔｅ火箭已经进行了２次亚轨道发射，还将发射４枚或者更多的火箭用于验证飞行的技术和概念。如果能继续投入资金，预计最早的轨道发射是在２００６年。　４．２ ＡＦＲＬ的“航天运载火箭”（ＶＳ）　ＡＦＲＬ的“航天运载火箭”委员会提出研制一种能从Ｆ－１５Ｅ飞机上发射的小型运载火箭。这种３级固体火箭能够把１００ｋｇ的有效载荷送入轨道。其研发费用限制在２亿美元（１９９９年），该方案包括研制新型的高性能发动机，目前主要是研究现有发动机的型号以降低研发费用。现在，该火箭的平均成本预计为５００万美元，即５万美元／千克。　４．３ ＳｐａｃｅＤｅｖ公司的Ｓｔｒｅａｋｅｒ运载火箭　ＳｐａｃｅＤｅｖ公司计划研制Ｓｔｒｅａｋｅｒ火箭，由美国空军进行早期的投资。Ｓｔｒｅａｋｅｒ火箭能把３１５ｋｇ的有效载荷送入ＬＥＯ，其预定的发射价格低于１０００万美元（即３．２万美元／千克）。该火箭将使用混合火箭发动机，ＳｐａｃｅＤｅｖ公司称其工程师已经重新设计了固液混合火箭发动机，为火箭研制高效率、低成本的推进系统。　

４．４ ＳｐａｃｅＸ公司的“猎鹰”（Ｆａｌｃｏｎ）运载火箭　

玛斯克的ＳｐａｃｅＸ公司设计了液体燃料火箭——“猎鹰”。该火箭具有把约３５０ｋｇ的有效载荷送入ＬＥＯ的能力。ＳｐａｃｅＸ公司有稳定的财政来源—— 创始人玛斯克的私人投资。许多公司通过使用现有的结构以尽可能地减少研制困难和研发资金，但是ＳｐａｃｅＸ公司却采用了相反的观念。他们认为，过度的依赖现货就无法控制费用增长的风险。该公司瞄准现有技术，自己设计、建造或转包，以最大限度的利用先进的制造和材料技术，但是避免有风险的突破性设计。

“猎鹰”的发射价格为６００万美元，即１．７万美元／千克，已经有３个用户签订了发射合同。玛斯克预计，按照这个价格每年能向ＮＡＳＡ和美国国防部出售４～５枚火箭。　第１代“猎鹰”火箭是两级液氧／煤油运载火箭，采用泵供给的第１级发动机和压力供给的第２级。第１级可通过降落伞回收重新利用，这一理念在以往的大型液体燃料火箭上从未实现过。　

４．５ ＤＡＲＰＡ的“快速反应小运载量可支付发射”（ＲＡＳＣＡＬ）计划　

ＤＡＲＰＡ正在为ＲＡＳＣＡＬ计划进行投资，希望能在２００６年进行ＲＡＳＣＡＬ的第１次发射。ＲＡＳＣＡＬ将使用传统设计的超音速飞行器Ｍａｃｈ－３作为可重复使用的第１级，一次性使用的上面级将在Ｍａｃｈ－３上被释放。这个创意能将１１０ｋｇ的有效载荷发射入轨，其

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运载大观　

　

１ 前言　

□□美国缺乏小卫星发射系统（ＭＬＳ）一直困扰着小卫星组织。４０多年前，美国航宇局（ＮＡＳＡ）研制了“侦察兵”（Ｓｃｏｕｔ）小型运载火箭，相对其他运载火箭来说，它是廉价的ＭＬＳ。从那之后，科学技术取得了重大的进步，成功研制ＭＬＳ应该问题不大。而且，美国并不缺乏小卫星的发射设施，在卡纳维　

发射费用为１．１万美元／千克。航天发射公司（ＳＬＣ）得到了研制合同，同时该公司也在进行一个私人型号——　ＳＬＣ－１的技术研发。ＳＬＣ－１能将５０ｋｇ的有效载荷发射入轨，总费用为１５０万美元（３万美元／千克）。 ４．６ 美国空军和ＤＡＲＰＡ的“兵力运用与本土发射”（ＦＡＬＣＯＮ）计划　

美国空军航天司令部（ＡＦＳＰＣ）及其下属的核导弹系统中心（ＳＭＣ）正在和ＤＡＲＰＡ一起，共同研制在ＦＡＬＣＯＮ计划之下的快速反应的、低成本的运载火箭。该火箭将为ＤＡＲＰＡ发射亚轨道试验飞行器，同时也用于发射小卫星。ＦＡＬＣＯＮ计划的目标是研制每次发射费用在５００万美元之下的小型运载火箭。研制合同在２００３年１１月给了９家公司。该火箭不但为额外的商业发射合同提供发射服务，而且也将作为实际使用的打击系统。　

４．７ 其他

最近几年，其他的几家公司也开始研制ＭＬＳ。ＪＰ萨克拉曼多宇航（ＪＰ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ）公司、高海拔研究公司（ＨＡＲＣ）和猎星人（Ｓｔａｒｈｕｎｔｅｒ）公司正在研究“三气球发射”概念；航空航天推进工程公司的美国火箭学院（ＲＰｅ）正在研制将２００ｋｇ有效载荷发射到ＬＥＯ的小型运载火箭；而瑟伯空间系统公司也正在寻求建造同等级别的液体燃料运载火箭，该火箭将使用泵供给系统，带有合成贮箱，以水作为氧化剂，其发射费用预计为２３０万美元。　

　

５ 结束语　

现在，美国新一代小卫星运载火箭又开始得到了越来越多的关注，ＭＬＳ计划正在美国兴起。相信不久的将来，随着ＭＬＳ的研制成功，美国小卫星运营者将会以能承担的价格发射自己的有效载荷。■　

　

　

　

（夏光 供稿）　

收稿日期：２００４－０８－１３　

美国小卫星发射系统　的经济和技术实用性分析