美国“火箭货运”方案及难点分析

王林 杨开（北京航天长征科技信息研究所）

近年来，以“超重-星舰”（Super-heavy Starship）为代表的重复使用火箭项目快速发展，使得航天运输系统用于地球上点到点人员和物资快速运输的前景被广泛关注，美国军方尤其重视其军事应用潜力。美国太空探索技术公司（SpaceX）于2017年提出“超重-星舰”可在40min内把乘客从纽约送到上海，并在2019年向美国陆军建议“超重-星舰”可用于人员及货物运输。美军运输司令部（USTRANSCOM）在2020年3月和SpaceX公司合作分析利用后者的航天运输系统进行货物和人员运输的可行性，于2020年4月和探索架构公司（XArc）合作分析利用商业航天港的潜力和条件。

1 “火箭货运”概念的提出

经过前期探索和研究，美国空军在2021年5月公布的新财年预算案中正式增加“火箭货运”项目，预算4790万美元，提出利用商业重复使用火箭实现百吨货物的全球1h抵达。随后，空军在2021年6月宣布，“火箭货运”成为“先锋”计划（Vanguard）下第四个正式项目，并发布名为“全球敏捷物流火箭试验”（REGAL）的项目征集公告。

2021年9月，空军发布“火箭货运”开展灾难救援的概念方案，展示出从货物装载、火箭发射、一子级返回发射台、二子级飞行再入、抵达受灾地区着陆（无着陆台）、货物卸载的全过程，明确了总体方案。全球物资运输速度和可达性的颠覆性创新，很可能会变革美军向任意地点进行军力投送和军力维持的能力。

2022年1月，美国空军向SpaceX公司提供为期5年总价值1.02亿美元的合同，利用SpaceX公司的试验和发射任务，采集相关数据，评估利用火箭实现物资全球快速运输的可行性，而且可能会开展飞行验证，“火箭货运”项目向前迈出关键一步。

2 “火箭货运”方案概况

美国空军在2021年6月发布的项目征集公告对“火箭货运”的需求进行了全面描述，结合空军发布的概念视频方案，可以从基本指标、应用场景、系统组成和验证途径几个方面勾画出“火箭货运”的总体方案。

两个基本指标

空军“火箭货运”方案目标运载能力与C-17运输机相当，达到30～100t的水平。最低速度要求是1h抵达（不含货物装载和卸载时间），相比现有航空运输的速度，提升约15倍，但是需要火箭飞出大气层后进行再入。除满足上述两个基本指标外，成本、发射许可、飞越领空、环境影响、靶场安全等方面也是该方案研究过程中需要考虑的因素。

两类应用场景

类似于美军采用商业海、陆、空运输服务和现有基础设施为全球军事基地进行物资运输，未来美军可以在各个基地建设发射台，利用重复使用商业火箭实现物资1h抵达。为了实现常规快速物资运输，美军重点关注优化射前和射后的操作流程，以便将点到点的航天运输能力集成到现有的军事物资运输体系中。

对于恢复遭遇破坏的军事任务能力、人道主义救援和灾难救援等应急响应需求，目的地很可能没有着陆台。该场景下，商业火箭从发射台发射，只能在偏远的简易着陆区着陆，基础设施条件非常有限，没有地面支持设备进行物资卸载，需要火箭自带设备通过自主或人工方式完成。之后，火箭可以再次加注、发射返回，也可以通过其他方式运回发射台。对于不具备着陆条件的极端情况，还需要采用空投的方式完成物资投递。

三个组成部分

“火箭货运”方案主要包括重复使用火箭、货物集装箱和发射台。

重复使用火箭是承担运输功能的主要载体，但并非项目投资的重点，空军希望借助美国在研的各类商业火箭来开展方案试验验证，如果可行性得到证实，美军将会采用类似于同航空公司合作的方式，通过购买服务进行物资的快速投递。根据空军发布的项目公告，计划2～3家公司开展火箭能力的演示验证，主要以SpaceX公司的“超重-星舰”为主。相对论空间 公司（Relativity Space）提出的地球人-R（Terran-R）火箭具备完全重复使用能力，可能成为该项目的备选方案之一。

地球人-R火箭示意图

货物集装箱功能类似于载荷适配器，操作人员在地面上将物资打包到集装箱后，再通过自主或人工的方式将集装箱装载到火箭。集装箱的密封条件可以改善运输过程中载荷的力热环境，实现应急情况下的物资空投，标准化、模块化的集装箱设计还有助于快速装载和卸载。

发射台建在美军的各个基地，能够同时用于火箭的发射和返回着陆，相比传统发射台，数量多、通用性高，对于建设成本比较敏感。为了实现快速响应，发射台还需要具有比较高的操作效率。

三种验证途径

空军为“火箭货运”规划了三种演示验证的途径。首先，通过地面试验和分析相结合的方式，从飞行弹道、火箭能力、集装箱设计、飞行环境、操作流程等方面对系统总体能力进行分析验证；其次，利用一次发射试验，同时对火箭发射、飞行、着陆的可行性进行演示验证；最后，通过多次发射试验，分别对火箭发射、飞行、着陆进行验证。

3 “火箭货运”技术难点

基于垂直起降方案的火箭重复使用技术

“火箭货运”采用垂直起降重复使用火箭，主要涉及发动机多次启动及推力深度调节、返回和再入制导控制技术、再入热防护技术、高可靠着陆缓冲机构等关键技术。空军概念方案以SpaceX公司的“超重-星舰”为原型，采用两级构型，一子级完成助推飞行后，返回过程中发动机需多次启动，通过推力深度调节，逐步将速度降至零，实现在发射台的平稳着陆；二子级再入过程需要结构热防护，之后以相同方式在目的地着陆。二子级有可能需要在条件比较恶劣的简易平台上着陆，会对着陆缓冲机构提出更高的技术要求。另外，“火箭货运”方案下，火箭一、二子级大多数时间在大气层内飞行，飞行目的地有一定的随机性，飞行弹道变化多，气动力影响大，制导控制要求更高，需要综合应用发动机推力矢量控制、反作用控制系统和格栅舵等多种控制机构实现精准控制。

新型货物集装箱及装载/卸载技术

空军在“火箭货运”方案下计划采用标准化、模块化的货物集装箱方案，类似于带有标准接口的卫星适配器，可以适配不同尺寸、质量、形状的各类物资。将物资封装到通用化容器中，能够在运输和装卸过程中保持货物完整性，便于实现货物的快速装载和卸载，有助于和美军现有物资运输体系相结合，还能在应急空投时为物资提供力、热环境保护。集装箱的装载/卸载技术，尤其是无人自主装卸技术既能大幅提升操作效率，还能在应急着陆缺少地面支持设备的情况下自主完成货物卸载。2021年12月，美军组织的“超空间挑战”（Hyperspace）研讨会上，骑士航天公司（Knight Aerospace）提出了立方体模块型的集装箱以及由笛卡尔坐标装载系统和柱面坐标装载系统组成的载荷操作系统，还提出利用“火箭医院”概念，将医疗设备设计成模块化组件，通过火箭运输。

快速响应发射的地面操作技术

“火箭货运”的快速响应优势不仅体现在火箭飞行时间控制在1h内，地面操作的速度和灵活性也是非常重要的方面。在“火箭货运”两种不同的应用场景下，运输的物资及目的地，有可能事先已知，也可能事先未知，尤其是在没有地面发射支持设备的情况下，需要创新型的推进剂加注和发射技术，或者把火箭运输到附近的发射台开展后续操作。

发射、飞行和着陆的环境测量技术

在方案可行性研究阶段，需要对各种环境参数进行测量，以评估系统性能。在发射环节，需要对射前推进剂加注等操作环节的时长进行测量，确定射前的操作流程。在飞行环节，需要对火箭飞行全程弹道，货舱的噪声、过载和热环境参数进行测量，确定飞行环境能否满足物资运输要求。在着陆环节，需要对火箭羽流及其和地面间的相互影响进行测量，评估发射台建设需求。

4 分析

（1）“火箭货运”可补充完善物资运输体系，大幅提升应急响应能力

美军当前的军事物资运输体系基于陆海空方式建立，随着“超重-星舰”等商业重复使用运载火箭研制项目的快速推进，航天发射成本大幅降低，基于航天运输系统的物资运输方式进入美军视野。相比传统运输方式，“火箭货运”能够将运输时间缩短至1/15以内，实现物资甚至人员的应急投送，快速建立或恢复军事作战能力，助力美军达成军事战略目标。作为美空军“先锋”计划下第4个正式项目，“火箭货运”具备“先锋”计划的典型特征，不仅要取得技术上的突破，更要通过对美军整个物资运输体系的创新改变，支撑体系作战能力的提升。

（2）关注集装箱和任务操作等核心能力需求，火箭技术依靠商业公司解决

空军发布的项目征集公告中，涉及“点到点能力和操作演示验证”“点到点火箭演示验证”两个方面的内容，前者计划最多授出20份演示验证合同，每份价值3500万美元，后者计划授出2～3份演示验证合同，每份价值1000万美元。空军也一再强调，要依靠商业公司的重复使用火箭，甚至要利用商业公司研发过程中的试验和数据，而不会直接为火箭投入研制经费。显然，美军要聚焦新型集装箱方案和技术、发射任务操作等核心能力需求上，从系统总体需求的角度出发，开发关键技术、演示系统能力。

（3）提前谋划布局高风险项目，以实现系统能力的突破性变革

“火箭货运”的基础是商业重复使用火箭，但以进展最快的“超重-星舰”项目而言，也仅仅是完成二子级10km的高空飞行和返回着陆，二子级再入热防护、一子级数十台发动机并联设计、新型捕捉回收方案等大量新技术还未得到验证，“猛禽”（Raptor）发动机仍未最终定型，火箭总体方案还在不断进行优化调整，技术风险还非常大。而“地球人-R”等其他完全重复使用火箭仍停留在纸面上，商业公司融资和经营方面的风险也很可能会导致项目夭折。尽管如此，美国空军面向2030年的《科技战略》中对“先锋”计划的定位就是要通过对高风险设计的演示验证，来明确未来发展方向，确定差距和需求，回答具体问题，为未来决策提供信息。

5 结束语

随着航天运输技术的快速发展，其应用领域逐步超越传统航天器发射的范畴，不管是商业领域的太空旅游、科学探索领域的火星移民，还是军事领域的物资快速投递，都在从不可能变为可能，从可能变为现实。在“火箭货运”项目上，尽管风险巨大，但潜在收益也相应提升，军方超前谋划布局、商业公司快速响应支撑，利用技术进步给应用带来更多创新方案。