美国太空作战力量建设之太空发射能力

导读：在发射能力方面，美国的长远目标是拥有快速响应的可重复使用运载器，目前的技术解决方案主要有三种，包括空射型运载火箭、基于洲际弹道导弹设计思想的陆基火箭，以及可重复使用运载器。如今这3种方案美国都取得了成果。

一、常规太空发射能力

2021年9月24日，美国空间系统司令部(SSC)宣布，美国太空军已授出总价值为8800万美元的四份合同，用于研发下一代火箭能力。

这些合同是美国国家安全太空发射项目(NSSL)的一部分，该项目可确保美国国防部以及情报界有效载荷的重型火箭发射。作为第二阶段的部分工作，只有两家公司——美国太空探索技术公司以及美国联合发射联盟——被授予了这些合同，涵盖在2022年至2027年的五年期间内预计进行的34次火箭发射。此次竞标主要是为了响应美国国会要求——不再使用俄罗斯制造的RD-180火箭发动机。

“火神-半人马座”火箭

这些合同经由太空企业联盟(太空军用于快速原型设计和实验的合同工具)授予，其旨在通过火箭发动机测试以及提升上级弹性来扩大发射能力。

美国太空探索技术公司(SpaceX)因要进行多项工作而获得了1450万美元的资金(包括对用于猎鹰9号火箭以及猎鹰重型火箭的猛禽发动机进行快速节流与重新启动测试、液态甲烷规格研发与测试以及燃烧稳定性分析与测试)。美国联合发射联盟将获得2440万美元，用于进一步对“火神-半人马座”火箭进行上行链路指挥与控制，该火箭预计于2022年进行首次飞行，其专为美国国家安全太空发射项目第二阶段竞标而研发制造。

此外，火箭实验室(Rocket Lab)公司将获得2440万美元，用于其正在建造的中子火箭(Neutron)的前期开发。在第二阶段的竞标活动中，蓝色起源(Blue Origin)公司不敌美国联合发射联盟与美国太空探索技术公司，但仍获得了2440万美元的资金，用于其新格伦火箭(New Glenn)第二阶段的低温流体管理。

一台蓝色起源BE-4发动机

虽然美国联合发射联盟与美国太空探索技术公司是第二阶段合同竞标的赢家，并且已经确保美国国家安全太空发射项目的成功启动，但蓝色起源公司与火箭实验室公司获得了原型设计合同，这就意味着这两家公司也要参与美国国家安全太空发射项目。目前，美国太空系统司令部正在为该项目第3阶段的工作制定有关战略，预计将于2024年进行公开采购竞标。

美国发射企业主管罗伯·邦乔维上校(Col. Rob Bongiovi)表示：“我们的发射产业发展情况世界领先，我们很高兴能够与工业界合作，推进转型空间访问能力，我们也对太空企业联盟提供的采集灵活性以及速度感到非常满意。”

预计在2022财年早期，美国空间系统司令部将授出更多的原型项目，这些项目的工作重点在于轨道转移以及机动。而这有待于美国国会批准FY22的预算请求。

二、快速响应太空发射能力

2021年9月，美国国家地理空间情报局前局长罗伯特·卡尔迪洛在美媒防务新闻网站(Defense News)撰文称，针对美国所面临的日益加剧的太空威胁，应该进行快速响应太空发射能力(Responsive Launch Capability)的工业基础建设。

2020年DARPA举办的发射挑战赛无果而终

卡尔迪洛提到，美国太空作战理论和计划中的一个明显弱点就是——缺乏迅速重建关键天基能力的手段。幸运的是，美国国防部已经进行了评估，并开始采取措施。而美国太空军、国防高级研究计划局、太空发展局和其他机构正在开发和部署弹性太空架构，探索卫星保护、扩散和冗余等概念，以及更全面地纳入商业太空部门的创新。

现今，全球太空工业生态系统之中最具活力的部分正在经历创新洗礼，业界已经能够在非常小的平台上集成高性能的地球观测和通信卫星系统。但是相应地，在下游，缺少部署这些天基系统的快速响应太空发射能力。

同美国当前的目标卫星架构一样，美国需要一套反应灵敏的、有弹性的、分类的发射解决方案。如果一旦退化就没有办法快速替换的话，一个仅“有弹性”的卫星星座在未来冲突中并不能发挥什么用处。当升空时间对于确保实现国家安全目标至关重要时，国防建设必须做好准备打造一种能力，从第一次诉求发起后，能在几小时或几天内重建丢失的卫星进行补网。

事实上，美国在相关领域早已投入了关注。美国国防部长期以来一直认为有必要研发这种快速反应的发射能力。美国空军最早提出“太空快速响应”(ORS)的概念，重点强调在接到需求命令后，全部的开发工作可在6至9个月内完成;从提出作战需求到航天器部署完毕，只需要几天或者几周时间。

美国国防高级研究计划局曾在2018年就启动了“发射挑战”项目，以寻找能够在几天时间内提供快速发射服务的承包商尽管曾经举办的发射竞赛结果令人失望，但DARPA并没有放弃展示行业向军方提供灵活快速发射服务的能力。DARPA正在将敏捷太空发射纳入大规模、多周的军事演习，如环太平洋军事演习。通过发射一颗卫星进入轨道，对该卫星进行调试，并在演习的时间框架内向用户提供战术数据，真正开始显示它在军事上的相关性，将理论付诸实践。

在快速响应发射能力方面，美国的长远目标是拥有快速响应的可重复使用运载器，目前的技术解决方案主要有三种，包括空射型运载火箭、基于洲际弹道导弹设计思想的陆基火箭，以及可重复使用运载器。如今这3种方案美国都取得了一些成果。

1、空射运载火箭

美国维珍轨道公司(Virgin Orbit)在2021年1月18日发表声明称，该公司的“发射器一号”运载火箭在南加州海岸附近上空从波音747-400机翼下向太空发射并首次进入轨道，向低近地轨道投送9颗CubeSat小型卫星。这种火箭发射方法极其复杂，商业利润和推送有效载荷的规模与当前小型卫星投送服务市场上的其他方案区别并不大。但是空中发射的主要优点是没有必要使用航天发射场和大型基础设施，只要有能起降波音747-400的航空港或机场足矣，数量很多。空中发射是在任何时间、任何地点发射的好方案，难以跟踪，美俄军方都较为关注这种技术。

维珍轨道公司的“发射器一号”运载火箭首次入轨

在2021年6月13日美国太空军利用一架诺斯罗普·格鲁曼公司改装的Stargazer L-1011飞机成功空投发射“飞马座XL”火箭，将其用于空间监视的TacRL-2技术演示卫星送入太空。这次“飞马座”火箭的发射团队能够在合同授予后不到四个月的时间内执行TacRL-2运载火箭的设计、集成和测试，证明了美国能够通过空射运载火箭提供快速和响应性的操作需求。

诺斯罗普·格鲁曼空射运载火箭平台

2、可重复使用运载器

可重复使用运载器不仅可实现多子级系统的大范围回收，降低航天运载器硬件成本，而且可大大简化地面配套与设备，显著降低地面操作费用，进而实现快响应、高密度、高机动发射，是面向武器、卫星等空间飞行器的空天应急作战需求、突发紧急灾害监测和抢险救灾信息支持的理想航天运载工具。

目前完全可重复使用运载器仍在研制当中，核心技术难度很大。部分可重复使用航天运载器已经出现，分为垂直起飞、水平着陆与垂直起降两类。其中垂直起飞、水平着陆的典型运载器有航天飞机和美国波音公司承制的X-37B试验机;垂直起降的典型运载器是美国Space-X公司的猎鹰9号火箭。

航天飞机作为第一代可重复使用的天地往返运输系统，在技术上、运营上都存在问题，且成本问题突出;X-37B是一个演示验证在轨飞行和再入段飞行的可重复使用运载器技术验证机，用于实际应用尚不成熟;Space-X公司的猎鹰9号火箭已经多次成功发射军用载荷，其一子级回收和复用技术已经趋于成熟，是美国现阶段最可靠的部分可重复使用运载器。

一枚猎鹰9号运载火箭发射升空，搭载着太空军第五颗GPS-Ⅲ卫星

3、基于洲际弹道导弹的陆基火箭

既然卫星是“快速响应发射”，那么自然要在很短时间内发射入轨，这对运载火箭的准备和卫星技术同时提出了很高的要求。对运载火箭而言，首先要能在短时间内准备，其次要能携带多种载荷，这样才能适应不同的响应要求。

固体运载火箭集长期储存、检测快速和便于运输的特点于一身，正符合这样的要求。机动性强的固体火箭有很大的用武之地。近年来，小卫星的快速发展也推动了固体运载火箭市场的发展。小卫星的质量普遍低于500公斤，用国际民用发射市场常见的中、大型液体运载火箭发射，不但浪费运力也增加了发射成本。美国率先把握了这一卫星发展的新方向，将本国弹道导弹改造为运载火箭。美国以民兵固体洲际导弹为基础，改装成了米诺陶系列固体火箭，并用于发射美军各类战术试验卫星。

2021年6月15日，美国“米诺陶1号”(Minotaur1)火箭发射升空，将3颗高度机密的军方航天器送入轨道，该火箭高21米，基于美国空军“民兵”导弹计划中剩余的固体燃料发动机改造而来，在导弹的两级之上添加了两个“猎户座”系列固体火箭发动机，将运载核弹头的二级弹道导弹，变成运载卫星的四级固体运载火箭，可将580公斤的有效载荷送入近地轨道。

用于快速响应发射的火箭可由退役洲际导弹改造而来。2021年6月15日发射的米诺陶1号火箭，其M55A1一级发动机、SR19二级发动机分别在1966年、1983年浇筑固体推进剂

卡尔迪洛指出，美国国防部应该拿出资源，专注于建立成熟、可操作的响应发射能力。国防部必须进行作战演示，以建立作战概念，并投资支持“随时随地发射”所需的基础设施。卡尔迪洛认为，需要在2023财年预算中创建一个开创性的计划，以实现快速响应的发射能力。“如果美国要在未来的太空冲突中有效防御对手，就必须从现在开始采取合作行动，将快速响应发射制度化。”美国参议院军事委员会成员已经提出立法，要求美国国防部加快发展反应发射能力。

4、快速组装发射的“战术卫星”

对于卫星技术，应急响应空间系统的要求要更高。它不仅要求使用国在平时就储备有部分具备特定功能的卫星之外，还要求能够根据特定的情况“定制”卫星，传统卫星制造少则数月多则几年，定制卫星则要能像组装一台兼容机一样，用几天时间快捷地将各种任务模块组装到卫星平台上。当然，还有更快的应急响应——那就是像战备值班的导弹一样，已经组装完毕，可以随时发射的应急响应卫星。

在快速反应有效载荷领域，美国国防部在2002年就已经开始了相关的研究，2003年美国国防部转型办公室正式提出了“战术卫星”(TacSat)的相关概念，其基本理念是构建低成本且具备快速反应能力的空间平台，卫星的使用范围由军、师级扩展到战区各级指挥员。美国空军、海军和其他联合实验室则尝试研制一系列小型战术卫星，可由战术指挥官进行控制。

TacSat-2卫星

2007年美国防部正式了开启“快速响应空间”(ORS)计划并成立了相应的办公室，该办公室最基本的任务是：一是对美国的空间能力需求快速响应;二是对美军联合作战指挥官的战术需求快速响应。最终目标是研制具有常规卫星大部分功能的小卫星，当发生区域战争时，在很短时间内能够快速装配出一颗卫星，同时配套的快速运载火箭能够应急地将其发射升空。这种卫星成本低，研制周期短，寿命也不要求很长。

在该领域，美空军的目标是在12个月内完成卫星的制造并投入使用，其关键在于卫星的模块化设计，即卫星平台为标准模块化平台，其能源、遥测、电子以及制导等分系统平时处于作战储备状态，一旦需要，将能在2～7天内完成组装发射。

美国麻省理工学院林肯实验室研制的快速响应空间卫星ORS-5，2017年8月由米诺陶4号火箭发射入轨

以2017年8月发射的ORS-5号传感器卫星为例。ORS-5卫星执行为期3年的任务，持续扫描地球同步带，与美国监测地球同步带活动的其他卫星相比，这个226磅重的传感器卫星显得很小。与为10年期或更长时间的任务设计的大型系统相比，ORS-5的尺寸和使用更小孔径的光学系统设计使其成为空间监视任务中成本更低、建造速度更快的选择。ORS-5的开发和测试仅用了三年时间就完成了，这个时间大约是开发和部署大型监视卫星所需时间的三分之一。

传统的大型监视卫星旨在收集已知位于地球同步带的物体的数据。这些卫星上的光学系统安装在万向架上，这样它们就可以将焦点转向目标物体。ORS-5卫星的工作原理与此不同：当卫星环绕地球运行时，它的固定光学系统会探测其当前视野范围内的每一部分。

美国相关媒体曾描述这种卫星说，这是只有洗碗机那么大的卫星，在几天甚至几个小时之内就可以由建造好的零件组装起来，具有“与笔记本类似的即插即用技术”。除了组装和发射速度快，与现有的大型卫星相比，这种卫星更能满足战术需求。在战场上，连、排一级都可以直接使用，甚至有可能出现单兵手持相关终端设备直接使用的场景。

目前美军的卫星制造组装速度仍然以月为单位，但模块化的设计可能会帮助缩短从载荷定制到组装发射的时间，其战时补星周期可能已经接近数天到一周。

三、火箭货运全球送，百吨货物小时达

值得注意的是，美军发展的太空发射能力并非仅用于空间部署。美国空军研究实验室(AFRL)在2021年5月底公布的美国空军2022财年预算申请中加强了其“火箭货运”(Rocket Cargo)项目的重要性，该项目计划使用商业运载火箭在1小时内将100吨重的物资送到地球上任何一个地方。该项目也成为“先锋”(Vanguard)计划下第四个项目。

“火箭货运”项目概念图(美国空军)

AFRL在2022财年预算需求中申请4790万美元，相比2021财年的973万美元大幅增加，明显加大了技术研发的扶持力度。美国空军计划将所申请的经费用于演示初始单程运输能力，包括试验支持、商业运载火箭原型开发、国防部系统集成和发射场准备等工作。美空军还计划联合工业界设计配套的货运专用集装箱和装卸概念。

AFRL与许多供应商进行了沟通，毫无疑问，SpaceX肯定是其中最显眼的。SpaceX最近一直在德克萨斯州的工厂测试星舰的原型，2021年5月，星舰SN-15顺利完成亚轨道试飞，并安全返回地面，标志着星舰研制取得里程碑式进展，为实现入轨飞行奠定了重要基础。但是既然军方试图做的是进入轨道或亚轨道轨道，将有效载荷带回地球，并将其降落在地球上，那么如今有多家公司拥有这种技术能力，而不仅仅是SpaceX。空军希望有更多供应商来参与竞争，并且愿意考虑尚未开发点对点完全可重复使用能力的火箭货运公司。以此建立接口和入口，鼓励越来越多的公司进入这个领域。

星舰原型SN10在着陆时启动了三台猛禽发动机

蓝色起源公司可能会成为第二家与美国军方签署合作协议的火箭公司，以研究如何利用太空飞行器在世界各地运输货物，该公司正在和美国运输司令部(U.S.Transportation Command,USTC)对话。USTC去年与SpaceX和探索建筑公司(XArc)达成合作研发协议，即CRADA，以研究如何将太空火箭整合到军事运输网络中。蓝色起源正式回应了运输司令部发出的信息请求，但尚未决定是否推进CRADA。随着为太空旅游制造的亚轨道“新谢泼德”可重复使用运载火箭，蓝色起源“正在学习如何快速发射这种载具”。目前蓝色起源的重型火箭“新格伦”距离首次轨道发射至少还有一年。

火箭的能力实际上是这个项目中最不受关注的问题。军方的想法是利用火箭提供快速反应的后勤能力，在紧急情况下运送货物。但航天工业的现实是，从客户说他们想把东西送上太空到它真正发射，大约需要两年时间。因此，商业航天可以从火箭货运项目中学到很多东西。而拥有可靠的可重复使用的火箭将是能够执行这项服务的关键。

为美军发射和运送物资的“火箭货运”载具的渲染图(空军研究实验室)

AFRL计划在2022财年进行一次端对端试验，届时将使用商业火箭向条件简陋的地点进行运输，以验证这一概念的可行性，具体要求包括：运载能力达到100吨级，兼顾载货和载人能力;在一小时内抵达全球任何地点;火箭完全可重复使用;可在多种非常规条件下降落和作业;载货舱能够迅速装卸;可再入大气层后空投货物。

快速物流支撑着美军投射力量的能力，这是启动火箭货运项目的根本动机。它的潜在应用包括：迅速恢复部队在严峻环境中前进的作战能力;大大缩短提供关键人道主义援助和救灾物资所需的时间;特殊空运;打开全球物流能力的贸易空间等。

先锋计划通过原型制作和实验迅速推进新兴武器系统和作战概念。火箭货运项目有望开辟改变游戏规则的军事运输方式，极大提升战略运输的效率，为未来十年的战场作战人员提供卓越的优势。从而为未来军事对抗带来新的显著变化。

四、小结

美国目前太空作战发射能力的发展遵循两项原则：快速反应性(迅速性和全球性)和经济可承受性。正值太空军事力量重塑之际，美国正在积极利用商业的先进技术和先进采办流程提升美国太空军事能力，未来美国的太空发射将呈现层次化和多样化的特点。(北京蓝德信息科技有限公司 研究员 李雷)

参考资料

[1]Department of the Air Force announces fourth Vanguard program. USAF. 2021-06-04.

[2]The Pentagon wants to use private rockets like SpaceX’s Starship to deliver cargo around the world. CNBC. 2021-06-04.

[3]DARPA Not Giving Up on Responsive Launch Capability. DefenseNews. 2020-08-06.