全球運載火箭發射重量統計與分析

發射重量指的是由運載火箭送入各類軌道的有效載荷總噸位,主要表征一個國傢各型火箭運載能力的總和,即進入空間的能力。筆者統計瞭自 1957 年人類首次入軌發射到 2018 年底全球主要火箭研制國傢的歷年發射重量數據,旨在通過對 62 年來各國總計 5772 次的發射重量進行整理,解析各國火箭發射重量變化的原因,研究發射重量影響因素並提出後續的運載火箭研制發展建議。

一、基本情況

1957—2018年,全球各主要航天國傢利用運載火箭共向太空發射航天器或有效載荷總計約 26,936 噸。其中,美國以約 12,760 噸位居世界第一,前蘇聯 / 俄羅斯、歐洲、中國、日本、印度依次位列第二至第六位。各國火箭發射總重量及歷年發射重量見表 1和圖 1。

全球運載火箭發射重量統計與分析

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同期,各國歷年火箭發射次數見表 2 和圖 2。

全球運載火箭發射重量統計與分析

全球運載火箭發射重量統計與分析

通過比較發射重量與發射次數,可得到單發次火箭的平均發射重量,即發射重量均值,其主要體現瞭一個國傢進入空間的效率。各國火箭發射重量均值及歷年火箭發射重量均值見表 3和圖 3。

全球運載火箭發射重量統計與分析

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二、各國火箭發射重量分析

1.美國

美國作為世界排名第一的航天強國,其火箭研制經驗豐富、技術實力強勁,總發射重量幾乎 10 倍於排名第三的歐洲國傢。自 1958 年 2 月 1 日“丘諾”1 號運載火箭首次成功發射後,發射數量逐年上漲,發射重量也同步攀升,1965 年達到第一個峰值,約為 175 噸 / 年。此後,為配合 1961 年宣佈實施的載人登月計劃,年均發射次數由最高時期的 77 次下滑到40 次左右,發射重量也回落至100 噸 / 年以下。

1967—1973 年,“土星”5 號重型運載火箭服役,其 1000 千米圓軌道運載能力高達 82.5 噸,共飛行 13 次,主要用於發射 20 噸級的“阿波羅”登月飛船,使得該時期美國雖然發射數量下降,但年發射重量依然能基本穩定在100 噸 / 年之上。

1981 年 4 月 12 日,“哥倫比亞號”首飛成功,美國進入航天飛機時代,其最多可將 29.5 噸有效載荷送入近地軌道。航天飛機作為獨立運輸系統同樣在軌執行航天員工作支持、空間試驗、衛星檢修和回收等任務,並可返回地面重復使用,因此將其系統幹重也計入發射重量進行統計。航天飛機服役後,美國的航天運輸效率大幅提高,在發射數量基本穩定的情況下,發射重量迅速上升,最大峰值曾達 644 噸 / 年。

1986年1月18日“挑戰者號”在升空時爆炸和 2003 年 2 月 1 日“哥倫比亞號”返航途中解體,這 2 次重大失利給美國發射業造成瞭重創,在事故調查完成前,各型火箭基本停飛,使得在這 2 次事故後發射重量數據出現斷崖式下跌。2011 年 7 月 8 日,“亞特蘭蒂斯號”完成謝幕飛行,宣告航天飛機退役。30 年間,航天飛機共執行 135 次任務,總發射重量達 9359 噸,發射重量均值達 69 噸 / 發。

後航天飛機時代,美國年發射重量迅速回落至 100 噸以下,直到最近幾年才有所回升,這主要得益於商業火箭的迅 猛 發 展,2017—2018 年 僅SpaceX 公司的“獵鷹”系列運載火箭發射就占到全美總發射重量的 70%。

2.前蘇聯 / 俄羅斯

自 1957 年 以 來, 前 蘇 聯在戰略彈道導彈基礎上先後成功研制多款運載火箭,並發射瞭大量衛星、飛船、探測器以及其他航天器,發射數量也飛速攀升,1982 年曾達到驚人的108 次。伴隨著高升的發射數量,其年發射重量也多年穩定在 300~400 噸之間。但是,N-1重型運載火箭研制遭受重創,被迫於 1974 年中止研制,隨後“暴風雪號”航天飛機又受制於當時的國傢經濟條件,僅試飛一次。缺少重型運載火箭使前蘇聯的發射重量均值一直維持在 3~4 噸 / 發之間,與美國比較相去甚遠。

1991 年前蘇聯解體前夕,其國力衰落影響到航天業的發展,發射數量與發射重量迅速下滑,直至 1996 年通過“聯盟號”實施國際空間站發射和“質子號”執行國際發射等舉措,俄羅斯的年發射重量才逐步穩定在 140 噸左右,但是近年俄羅斯火箭的質量問題頻發,發射能力受到質疑,業務量降低使其發射重量又回落至 100 噸以下。

3.歐洲

歐洲的運載火箭發射起步於20 世紀 60 年中期,至 80 年代末期每年發射次數不過一、兩次,發射重量維持在每年 10 噸以下。1988 年,“阿裡安”4 火箭服役並逐步占領國際衛星發射服務市場,使歐洲火箭的年發射重量達到瞭 20~30 噸。

1996 年“阿裡安”5 火箭首飛,其地球同步轉移軌道運載能力約為 7 噸,經歷瞭初期發射失利波折後,“阿裡安”5 火箭憑借出色的產品質量成為當時全球競爭力最強,同時也是運載能力最大的商用運載火箭,占據瞭大部分國際衛星發射市場。依靠“阿裡安”5 火箭,2000 年後歐洲火箭年發射重量逐步達到 50 噸左右。

但是,2002 年“阿裡安”5E火箭飛行失利,造成隨後 2 年歐洲的火箭發射重量回落至 20 噸以下。此後得益於良好的質量控制,“阿裡安”5 火箭再未出現發射失利,歐洲火箭的發射次數與發射重量也逐步回升並穩定在 50 噸以上,發射效率位於世界前列,年發射重量均值可達近 10 噸 / 發。需要關註的是,近年國際發射市場主要業務已逐步被美國 SpaceX 公司的“獵鷹”9 火箭蠶食,使得“阿裡安”5火箭訂單數大幅下降。在 2018年完成原有任務後,預計“阿裡安”5 火箭後續發射數量將大幅下滑,歐洲發射業是否能挽回頹勢將取決於“阿裡安”6 火箭的表現。

4.中國

中國運載火箭發射起步於 20世紀 70 年代初期,在很長一段時間內,年均發射次數和發射重量處於較低水平。進入 21 世紀後,年均發射次數呈明顯上升趨勢,特別是 2015 年後中國的發射次數逐年增加,年均發射次數已超過 20 次,逐步與美國和俄羅斯並駕齊驅,2018 年中國火箭更是完成 39 次發射,位居世界第一。但是,由於新一代大型運載火箭還未成熟運用,火箭運載能力不足,年均發射重量維持在 50 噸左右,年發射重量均值低於 5 噸 / 發,與美國、俄羅斯及歐洲國傢存在較大的差距。此外,隨著近年發射任務的逐漸增多,出現瞭數次發射失利,失利後中國的火箭發射重量也不可避免的出現下滑。

5.日本與印度

1970 年,日本用 LS-1 探空火箭完成瞭本國首次發射。截至目前,日本的年發射次數從未超過 10 次,造成其發射重量一直處於較低水平,保持在每年 20 噸左右。但是通過引進美國的相關火箭技術,日本火箭的性 能 較 高,在固體助推器、 氫 氧 發動機方面技術水平比較先進。以 H-2 系列火箭為例,其地球同步轉移軌道運載能力可達 5 噸左右。出色的火箭性能使日本的年發射重量均值可達 7 噸 / 發,但是火箭成本居高不下,國際競爭力較弱,且國內衛星發射需求也不旺盛,限制瞭其大規模發展。

印度火箭於 1980 年完成首飛,由於其發動機研制水平不高,火箭技術水平一般,本國發射需求也不旺盛。截至目前,印度火箭的發射次數從未超過10次,年發射重量僅為10噸左右,發射重量均值也僅達 1.5 噸 / 發左右,與其他航天大國相比差距較大。

三、發射重量影響因素分析

1.大型、重型火箭決定瞭發射重量的效率

大型、重型運載火箭代表瞭一個國傢運載火箭發展的最高水平,是完成空間站建設、深空探測等國傢重大航天工程的關鍵裝備。同時,這類運載火箭憑借其巨大的運載能力,可有效提高航天器的發射效率。例如,僅需少量發射即可將大質量太空艙送入軌道,可簡化空間站組建次數;或是通過一箭多星形式,快速完成多顆衛星的在軌部署。美國的“土星”5 號火箭、航天飛機,以及歐洲的“阿裡安”5 火箭服役後,對於提升本國的火箭發射重量、提高國傢航天運輸能力均有顯著貢獻。

2.成功率影響瞭發射重量的穩定

可靠成功是火箭發射的根本,在各國的發射記錄中,幾次發射重量數據塌方式下滑均由重大型號失利造成。一旦出現飛行失敗,各型火箭往往都需停飛等待問題解決,而飛行中的故障一般難以快速定位分析,問題歸零周期較長,容易出現發射真空期,使發射重量迅速下跌。因此,高成功率是保證發射重量持續穩定的前提。

3.需求牽引瞭發射重量的變化

冷戰時期,在太空爭霸政策影響下,美蘇兩個超級大國舉全國之力進行發射競賽,這一階段的發射主要由國傢需求主導,以軍事爭霸為目的,強調發射次數多和發射重量大,因此這 34 年間兩國的發射重量總和占到 62 年來各國發射總重量的近 50%。

冷戰結束後,俄羅斯國力衰落,國傢需求減緩導致其發射重量持續下滑。同一時期,美國在國際空間站等國傢重大項目的牽引下,發射重量繼續維持高位。但是隨著最近幾年商業航天的興起,這一狀況逐漸發生瞭變化,雖然國傢需求依然對發射任務影響巨大,但商業航天的需求同樣不可忽視,商業發射次數比重逐年上升。相比國傢行為,商業公司不再執著於舉世矚目的重大項目,而是更註重控制成本、提高效益,研制衛星向微小型方向發展。為瞭適應市場需求,一系列低成本的商業小型火箭應運而生,並隨著其發射次數的增加,引起近幾年各國發射重量均值數據的下滑。

綜合分析全球火箭發射重量及重量均值的歷史變化情況可知,為瞭提高國傢重大航天項目的建設效率,特別是完成載人登月和深空探測等項目,必須盡早開展重型運載火箭研制。同時,應以市場為導向,圍繞需求變化,以高可靠為基礎,提出兼具創新型和成本優勢的航天運輸解決方案 , 在可靠性與低成本的矛盾要求中尋求契合點,以便更好地開展未來火箭研制工作。

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