來源：錢學森智庫

發(fā)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，主要表征一個國家各型火箭運載能力的總和，即進入空間的能力。筆者統(tǒng)計了自 1957 年人類首次入軌發(fā)射到 2018 年底全球主要火箭研制國家的歷年發(fā)射重量數(shù)據(jù)，旨在通過對 62 年來各國總計 5772 次的發(fā)射重量進行整理，解析各國火箭發(fā)射重量變化的原因，研究發(fā)射重量影響因素并提出后續(xù)的運載火箭研制發(fā)展建議。

1957—2018年，全球各主要航天國家利用運載火箭共向太空發(fā)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(lián) / 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(fā)射總重量及歷年發(fā)射重量見表 1和圖 1。

同期，各國歷年火箭發(fā)射次數(shù)見表 2 和圖 2。

通過比較發(fā)射重量與發(fā)射次數(shù)，可得到單發(fā)次火箭的平均發(fā)射重量，即發(fā)射重量均值，其主要體現(xiàn)了一個國家進入空間的效率。各國火箭發(fā)射重量均值及歷年火箭發(fā)射重量均值見表 3和圖 3。

1．美國

美國作為世界排名第一的航天強國，其火箭研制經(jīng)驗豐富、技術實力強勁，總發(fā)射重量幾乎 10 倍于排名第三的歐洲國家。自 1958 年 2 月 1 日“丘諾”1 號運載火箭首次成功發(fā)射后，發(fā)射數(shù)量逐年上漲，發(fā)射重量也同步攀升，1965 年達到第一個峰值，約為 175 噸 / 年。此后，為配合 1961 年宣布實施的載人登月計劃，年均發(fā)射次數(shù)由最高時期的 77 次下滑到40 次左右，發(fā)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，主要用于發(fā)射 20 噸級的“阿波羅”登月飛船，使得該時期美國雖然發(fā)射數(shù)量下降，但年發(fā)射重量依然能基本穩(wěn)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(tǒng)同樣在軌執(zhí)行航天員工作支持、空間試驗、衛(wèi)星檢修和回收等任務，并可返回地面重復使用，因此將其系統(tǒng)干重也計入發(fā)射重量進行統(tǒng)計。航天飛機服役后，美國的航天運輸效率大幅提高，在發(fā)射數(shù)量基本穩(wěn)定的情況下，發(fā)射重量迅速上升，最大峰值曾達 644 噸 / 年。

1986年1月18日“挑戰(zhàn)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(fā)射業(yè)造成了重創(chuàng)，在事故調查完成前，各型火箭基本停飛，使得在這 2 次事故后發(fā)射重量數(shù)據(jù)出現(xiàn)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(zhí)行 135 次任務，總發(fā)射重量達 9359 噸，發(fā)射重量均值達 69 噸 / 發(fā)。

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

2．前蘇聯(lián) / 俄羅斯

自 1957 年 以 來， 前 蘇 聯(lián)在戰(zhàn)略彈道導彈基礎上先后成功研制多款運載火箭，并發(fā)射了大量衛(wèi)星、飛船、探測器以及其他航天器，發(fā)射數(shù)量也飛速攀升，1982 年曾達到驚人的108 次。伴隨著高升的發(fā)射數(shù)量，其年發(fā)射重量也多年穩(wěn)定在 300~400 噸之間。但是，N-1重型運載火箭研制遭受重創(chuàng)，被迫于 1974 年中止研制，隨后“暴風雪號”航天飛機又受制于當時的國家經(jīng)濟條件，僅試飛一次。缺少重型運載火箭使前蘇聯(lián)的發(fā)射重量均值一直維持在 3~4 噸 / 發(fā)之間，與美國比較相去甚遠。

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

3．歐洲

歐洲的運載火箭發(fā)射起步于20 世紀 60 年中期，至 80 年代末期每年發(fā)射次數(shù)不過一、兩次，發(fā)射重量維持在每年 10 噸以下。1988 年，“阿里安”4 火箭服役并逐步占領國際衛(wèi)星發(fā)射服務市場，使歐洲火箭的年發(fā)射重量達到了 20~30 噸。

1996 年“阿里安”5 火箭首飛，其地球同步轉移軌道運載能力約為 7 噸，經(jīng)歷了初期發(fā)射失利波折后，“阿里安”5 火箭憑借出色的產(chǎn)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(jù)了大部分國際衛(wèi)星發(fā)射市場。依靠“阿里安”5 火箭，2000 年后歐洲火箭年發(fā)射重量逐步達到 50 噸左右。

但是，2002 年“阿里安”5E火箭飛行失利，造成隨后 2 年歐洲的火箭發(fā)射重量回落至 20 噸以下。此后得益于良好的質量控制，“阿里安”5 火箭再未出現(xiàn)發(fā)射失利，歐洲火箭的發(fā)射次數(shù)與發(fā)射重量也逐步回升并穩(wěn)定在 50 噸以上，發(fā)射效率位于世界前列，年發(fā)射重量均值可達近 10 噸 / 發(fā)。需要關注的是，近年國際發(fā)射市場主要業(yè)務已逐步被美國 SpaceX 公司的“獵鷹”9 火箭蠶食，使得“阿里安”5火箭訂單數(shù)大幅下降。在 2018年完成原有任務后，預計“阿里安”5 火箭后續(xù)發(fā)射數(shù)量將大幅下滑，歐洲發(fā)射業(yè)是否能挽回頹勢將取決于“阿里安”6 火箭的表現(xiàn)。

4．中國

中國運載火箭發(fā)射起步于 20世紀 70 年代初期，在很長一段時間內，年均發(fā)射次數(shù)和發(fā)射重量處于較低水平。進入 21 世紀后，年均發(fā)射次數(shù)呈明顯上升趨勢，特別是 2015 年后中國的發(fā)射次數(shù)逐年增加，年均發(fā)射次數(shù)已超過 20 次，逐步與美國和俄羅斯并駕齊驅，2018 年中國火箭更是完成 39 次發(fā)射，位居世界第一。但是，由于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(fā)射重量維持在 50 噸左右，年發(fā)射重量均值低于 5 噸 / 發(fā)，與美國、俄羅斯及歐洲國家存在較大的差距。此外，隨著近年發(fā)射任務的逐漸增多，出現(xiàn)了數(shù)次發(fā)射失利，失利后中國的火箭發(fā)射重量也不可避免的出現(xiàn)下滑。

5．日本與印度

1970 年，日本用 LS-1 探空火箭完成了本國首次發(fā)射。截至目前，日本的年發(fā)射次數(shù)從未超過 10 次，造成其發(fā)射重量一直處于較低水平，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(fā)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(fā)射重量均值可達 7 噸 / 發(fā)，但是火箭成本居高不下，國際競爭力較弱，且國內衛(wèi)星發(fā)射需求也不旺盛，限制了其大規(guī)模發(fā)展。

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

1．大型、重型火箭決定了發(fā)射重量的效率

大型、重型運載火箭代表了一個國家運載火箭發(fā)展的最高水平，是完成空間站建設、深空探測等國家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(fā)射效率。例如，僅需少量發(fā)射即可將大質量太空艙送入軌道，可簡化空間站組建次數(shù)；或是通過一箭多星形式，快速完成多顆衛(wèi)星的在軌部署。美國的“土星”5 號火箭、航天飛機，以及歐洲的“阿里安”5 火箭服役后，對于提升本國的火箭發(fā)射重量、提高國家航天運輸能力均有顯著貢獻。

2．成功率影響了發(fā)射重量的穩(wěn)定

可靠成功是火箭發(fā)射的根本，在各國的發(fā)射記錄中，幾次發(fā)射重量數(shù)據(jù)塌方式下滑均由重大型號失利造成。一旦出現(xiàn)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(xiàn)發(fā)射真空期，使發(fā)射重量迅速下跌。因此，高成功率是保證發(fā)射重量持續(xù)穩(wěn)定的前提。

3．需求牽引了發(fā)射重量的變化

冷戰(zhàn)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(fā)射競賽，這一階段的發(fā)射主要由國家需求主導，以軍事爭霸為目的，強調發(fā)射次數(shù)多和發(fā)射重量大，因此這 34 年間兩國的發(fā)射重量總和占到 62 年來各國發(fā)射總重量的近 50%。

冷戰(zhàn)結束后，俄羅斯國力衰落，國家需求減緩導致其發(fā)射重量持續(xù)下滑。同一時期，美國在國際空間站等國家重大項目的牽引下，發(fā)射重量繼續(xù)維持高位。但是隨著最近幾年商業(yè)航天的興起，這一狀況逐漸發(fā)生了變化，雖然國家需求依然對發(fā)射任務影響巨大，但商業(yè)航天的需求同樣不可忽視，商業(yè)發(fā)射次數(shù)比重逐年上升。相比國家行為，商業(yè)公司不再執(zhí)著于舉世矚目的重大項目，而是更注重控制成本、提高效益，研制衛(wèi)星向微小型方向發(fā)展。為了適應市場需求，一系列低成本的商業(yè)小型火箭應運而生，并隨著其發(fā)射次數(shù)的增加，引起近幾年各國發(fā)射重量均值數(shù)據(jù)的下滑。

綜合分析全球火箭發(fā)射重量及重量均值的歷史變化情況可知，為了提高國家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(chuàng)新型和成本優(yōu)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。