辞旧迎新，联合发射联盟抓紧推进火箭换代

近期，美国联合发射联盟公司（ULA）的最后一发德尔塔4火箭抵达发射场，即将进行“告别演出”；与此同时，该公司的新一代“主力担当”火神火箭正在加紧开展推进剂加注及主发动机测试，有望年中首飞。ULA公司曾被视为美国火箭的“国家队”，它与德尔塔4火箭曾创造过哪些辉煌？火神火箭又有哪些过人之处？ULA公司和火神火箭的未来前景将会如何呢？

昔日霸主，迎接挑战

ULA公司成立于2006年，比当前风头正劲的SpaceX公司还要晚4年，但它在美国航天发射界却是当之无愧的“老资格”。这是因为ULA公司由洛克希德·马丁公司和波音公司两大军工巨头合资组建，继承了美国航天发射业务的大部分传统资源。

德尔塔4重型火箭曾是世界现役运力最强火箭

作为当时ULA公司的主打产品，宇宙神5和德尔塔4两大系列火箭的首款型号均在2002年首飞。其中，宇宙神5系列火箭由洛克希德·马丁公司研制，近地轨道运载能力覆盖8.2～18.85吨，地球同步转移轨道运载能力覆盖3.78～8.9吨。德尔塔4系列火箭由波音公司研制，近地轨道运载能力覆盖8.12～28.8吨，地球同步转移轨道运载能力覆盖4.2～14.2吨。值得一提的是，德尔塔4重型火箭一度占据世界现役运载能力最强火箭的“宝座”，直到2018年猎鹰重型火箭首飞而让位。

其实，这两大系列火箭都是在美国空军1994年提出的“改进型一次性使用运载火箭”计划下研制的，希望借助模块化和标准化设计，降低发射成本，提高可靠性。截至2022年底，两大系列火箭共执行发射任务140次，发射成功率达100%。在它们与其他型号火箭助力下，ULA公司曾占据了80%以上的美国卫星发射市场份额，堪称“国家队”，一时风光无两。

不过，对于ULA公司来说，进入21世纪第二个10年，形势逐渐发生变化。随着美国官方加紧出台政策，扶持商业航天发展，SpaceX公司研制成功了可回收复用的猎鹰9火箭，并不断争取到美国政府和军方的发射订单，逐渐蚕食着ULA公司等传统火箭发射商的市场。

具体来说，ULA公司面临着经济和政治的双重压力。一方面，猎鹰9火箭的发射报价为6000多万美元，而宇宙神5541型火箭的报价长期为2.23亿美元，德尔塔4重型火箭的报价更是高达3.5亿美元以上，相差悬殊。尽管近年来猎鹰9火箭发射服务涨价，但价格差距并未明显缩小，宇宙神5系列和德尔塔4系列火箭逐渐丧失竞争力。

另一方面，随着国际形势变化，美国国会要求ULA公司使用美制发动机替代宇宙神5火箭上的俄制RD-180液氧煤油发动机，迫使ULA公司“另起炉灶”。

创新有法，稳妥为先

2015年3月初，ULA公司宣布研制“新一代运载系统”，4月正式命名为“火神”。这款火箭设计为两级构型，直径5.4米，研发中采取了多方案并行推进策略，2018年确定方案：一子级采用2台BE-4液氧甲烷发动机，二子级采用RL-10C液氢液氧发动机。

火神火箭一子级的BE-4液氧甲烷发动机试车

为了提高效益、节约成本，火神火箭积极采用模块化设计理念，通过配置0枚、2枚、4枚、6枚固体助推器，形成4种构型，预计分别具备地球同步转移轨道3.5吨、8.4吨、11.7吨、14.5吨的运载能力。

除了模块化设计等“常规操作”外，为了进一步提高任务适应性，火神火箭原计划重点应用两大创新技术。

一是面向可重复使用要求，采用“智能回收技术”。简单地说，在火箭两级分离后，BE-4液氧甲烷发动机将脱离一子级，并在充气式热防护罩的保护下再入大气层，然后依靠翼伞减速，最后由直升机在空中回收，因此又得名“空中回收技术”。

类似回收方案曾被美国火箭实验室公司的电子号火箭试用，效果并不理想，而ULA公司开展了“升级”测试。比如，2022年11月，ULA公司使用宇宙神5火箭完成了近地轨道充气减速器飞行任务，成功验证了航天器充气式再入技术。后续，ULA公司将借助这种方式回收BE-4液氧甲烷发动机，进一步降低火神火箭发射成本。

二是面向未来多样化轨道运输及在轨服务需求，采用具有长期在轨能力的先进低温上面级。这种装置是基于ULA公司的半人马座低温上面级发展而来的，最突出的特点是应用了集成流体技术。

众所周知，低温推进剂缓慢蒸发的过程中会释放氧气和氢气。集成流体技术利用内燃机收集这些气体，用于贮箱增压、姿控推力、推进剂管理和供电等，从而回避了传统上肼推进剂、氦气量、电池电源等因素对在轨时间的约束，有望使上面级在轨工作时间延长至数周。

按设计，先进低温上面级的性能将比半人马座低温上面级提高75%，成为名副其实的“太空拖船”，将多个有效载荷送入不同倾角、高度的轨道，还有望执行在轨组装、在轨加注、空间碎片清除等任务。

考虑到创新技术的应用进度和风险，为了应对激烈的市场竞争，ULA公司采取了“先形成发射能力，后应用创新技术”的稳妥发展策略。

按照早期计划，火神火箭的研制分3个阶段：首先研制初始构型，其一子级采用美制发动机，计划于2019年首飞；随后在21世纪20年代初应用先进低温上面级，争取在2023～2024年左右取代宇宙神5系列和德尔塔4系列火箭；然后，进一步开展火箭可重复使用技术及在轨组装模式的探索。

遗憾的是，ULA公司综合权衡技术成熟度、成本、可靠性等因素后，2020年宣布暂缓研发先进低温上面级。火神火箭改为仍使用半人马座低温上面级，因此也被称为“火神-半人马座”。

发展坎坷，挑战重重

按计划，火神火箭的首飞任务将把美国太空机器人公司的游隼月球着陆器和亚马逊公司的2颗“柯伊伯计划”互联网星座卫星送入轨道。之后，根据ULA公司和美国国防部在2020年签署的国家安全航天发射第二阶段任务合同，火神火箭将在未来5年内为美国太空军执行35次发射任务。此外，按照与亚马逊公司在2022年签订的合同，火神火箭将为“柯伊伯计划”执行38次发射任务，每次发射约45颗卫星。可以说，如果火神火箭首飞成功，未来一段时间内将忙碌地开展高强度发射。

火神火箭正在加紧测试

然而，火神火箭面临诸多挑战，不利因素来自多方面，很可能进一步“拖累”ULA公司的前景。

从技术角度来看，火神火箭的首飞之所以屡次推迟，主要是由于一子级的BE-4液氧甲烷发动机研制遭遇了严重问题。蓝色起源公司在2019年初将整个预燃室-涡轮泵系统进行了重新设计，导致发动机交付进度一拖再拖，直到2022年才达成最初目标。

另外，今年3月份，ULA公司进行半人马座低温上面级结构件加压试验时发生爆炸，尽管ULA公司称“不影响‘半人马座’的高可靠性”，但无疑使火神火箭首飞延迟。

从市场角度来看，美国太空军3月发布了国家安全航天发射第三阶段采购办法草案，宣布采购方式将“更具弹性”，而且第二阶段的合同也会调整，拟向“新兴的航天发射服务商”提供更多的竞争机会。这意味着，火神火箭将与SpaceX公司的猎鹰9/猎鹰重型火箭、蓝色起源公司的新格伦火箭、火箭实验室公司的中子号火箭等开展更激烈的竞争，盈利空间恐被压缩。

此外，美国媒体近期报道了“ULA公司即将被出售”的重磅消息，虽然波音公司和洛克希德·马丁公司“不予置评”，但并没有公开否认，耐人寻味。

事实上，正是由于这些不确定因素，对于ULA公司来说，火神火箭成功首飞的意义将进一步凸显。不过，即使实现了主力火箭更新换代，ULA公司恐怕也很难再现昔日的辉煌了。（本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》5月20日一版）