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美国运载火箭行业发展现状:私企加入竞争打破垄断

参考中国报告网发布《2010-2015年中国运载火箭行业市场调研及发展前景预测报告
       美国运载火箭制造商主要包括四家机构,NASA主要承担太空探索等非军用公益任务,承担军事及商业发射的主要是联合发射联盟(ULA)、太空探索技术公司(SpaceX)和轨道ATK公司(OrbitalATK)。
       在2005年之前,美国运载火箭发射市场存在两大巨头,分别是波音公司、洛克希德马丁,竞争同质化且非常激烈。2005年5月,波音公司和洛克希德马丁共同宣布成立合资企业的意向,各自出资50%,2006年12月1日,公司正式运营。自此,美国军用发射市场被联合发射联盟所垄断。
       美国航天飞机2011年退役后,美国向空间站运送人员和货物需要依靠俄罗斯。为改变这种状况,NASA积极支持私营企业投身航天发射行业,SpaceX的“龙”飞船、“猎鹰”火箭和轨道科学公司的“天鹅座”飞船、“安塔瑞斯”号火箭应运而生。2016年4月,SpaceX获得了美国空军的一份价值8300万美元合同,为后者发射一颗GPS卫星,打破了联合发射联盟10多年来在军事航天领域的垄断地位。

 
资料来源:公开资料,观研天下数据中心整理

       1、美国国家航空航天局(NASA):国家级太空探索任务为主
       NASA于1958年成立,主要从事非军用公益性的航天探索项目实施,研制了土星系列、战神系列等多型运载火箭,其中最为出名的为土星-5号,共有9枚土星5号运载火箭将载人的阿波罗号飞船送上月球轨道,其生产线于1970年关闭。
       1969年4月,美国宇航局提出建造一种可重复使用的航天运载工具的计划。1972年1月,美国正式把研制航天飞机空间运输系统列入计划。1981年4月12日,第一架航天飞机哥伦比亚号航天飞机发射,美国共生产了五架航天飞机,分别是哥伦比亚号、挑战者号、发现号、亚特兰蒂斯号和奋进号,进行了数十次飞行,2011年7月21日美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机于在佛罗里达州肯尼迪航天中心安全着陆,结束其“谢幕之旅”,标志着美国30年航天飞机时代宣告终结。
       美国总统布什要求美国人重返月球进而飞向火星,NASA启动了“星座计划”,研制了发射载人航天器的战神1号运载火箭和猎户座飞船,但在奥巴马时期,由于财政限制,星座计划已停止,战神系列运载火箭也因此而终止,取而代之的是新一代太空发射系统(SLS)。SLS将作为土星5号的继任者,以重返月球,甚至带人类到更远的地方。
       土星5号
       土星5号运载火箭又称登月火箭,是美国国家航空航天局在阿波罗计划和天空实验室计划两项太空计划中使用的多级重型火箭,1967年首飞,将阿波罗11号登月飞船送入轨道,之后阿波罗11号成功登陆月球表面。在1967年-1973年间共发射了13枚,最后一次发射是在1973年,这次发射将“天空实验室”空间站送入了近地轨道。土星5号高达110.6米,起飞重量3038吨,总推力达3400吨左右,可将118吨的有效载荷送上近地轨道。至今,土星5号仍是世界上运载能力最强的运载火箭。

 
资料来源:公开资料,观研天下数据中心整理
       太空发射系统(SLS)
       “太空发射系统”是土星5号之后40多年来NASA的首个重型运载火箭,共分为三个阶段,第一阶段以70到110吨的星座计划载人任务为主,之后会发展出130吨的货舱型载荷任务,最终的运载能力将达到143吨,甚至有可能达到165吨,将用于把载有宇航员的“猎户座”号太空船送入太空,首个目的地为一颗小行星,最终目的地是火星。NASA估计,第一种型号的“太空发射系统”总共要耗资120亿美元,将于2018年首飞。

 
资料来源:公开资料,观研天下数据中心整理

       2、联合发射联盟公司(UnitedLaunchAlliance):曾经的垄断者
       联合发射联盟公司是由波音公司和洛克希德马丁公司合资的一家企业,这两家企业在2006年成为合作伙伴之前,一直在激烈地争夺相同的军事合同。该公司主要利用波音、洛马所研制的两型运载火箭提供发射服务,其中德尔塔-4为波音公司研制,宇宙神-5为洛马研制。目前,联合发射联盟公司正在研制“火神”运载火箭,一是与SpaceX公司开展竞争,二是替换采用俄制RD-180作为主发动机的“宇宙神”-5火箭,因为2014年乌克兰克里米亚危机后,美国国会即禁止在美国国家安全任务中使用俄制火箭发动机。
       1、德尔塔-4
       德尔塔-4运载火箭由波音研制,于2004年首飞,是美国现役的最大的运载火箭,这种火箭可以将最多20吨的有效载荷送入低地轨道,其第一级由三个公共核心助推器组成,呈一字形直线排列,采用三个目前推力最大的氢氧火箭发动机RS-68,推力可达289吨;第二级采用RL10B-2氢氧火箭发动机,推力可达11吨。近五年,该火箭共计发射18次,主要承担美国军事卫星发射任务。
       2、宇宙神-5
       宇宙神-5运载火箭由洛马研制,于2002年首飞。宇宙神-5第一级引擎为俄罗斯的RD-180火箭发动机,以液态氧及煤油为燃料,推力可达400吨,另外可携带多个固体火箭发动机作为助推器,第二级则是RL10A氢氧火箭发动机。近五年,该火箭共计发射18次,主要承担美国货运飞船、民用卫星、军事卫星发射任务。德尔塔-4、宇宙神-5运载火箭从接到订单到发射需要30个月。

 
资料来源:公开资料,观研天下数据中心整理

       3、火神
       联合发射联盟公司2015年公布了其新一代军用运载火箭部分设计详情,该火箭被命名为“火神”,具有两大先进技术,首先其第一级发动机可重复使用,其次它的第二级火箭在完成任务后可停留在轨道充当“加油站”,允许其他航天器与其对接并获得燃料补给,预计这两项技术将在2023-2024年后达到实用水平。
       3、太空探索技术公司(SpaceX):颠覆行业的私营航天企业
       SpaceX由埃隆马斯克于2002年创建,开发了猎鹰1号和猎鹰9号运载火箭。公司成立15年来创造了多项人类航天史上的第一。
       2008年12月,SpaceX宣布它获得NASA价值16亿美元的商业补给服务的合同,2012年10月,SpaceX发射了猎鹰9号火箭,将“龙”太空舱送入轨道,这是SpaceX公司货运飞船首次正式承担向国际太空站运货的任务。2014年9月,NASA在佛罗里达州的肯尼迪航天中心宣布,波音和SpaceX赢得价值68亿美元的“太空的士”合同,将在未来几年向国际空间站运送航天员。2017年,猎鹰9号将搭载“龙飞船”将宇航员送往国际空间站。
       SpaceX在成本控制上成绩突出。2015年12月,发射猎鹰9号火箭并将一级火箭经成功回收,创造了人类太空史的第一。2017年3月,在太空史上首次利用回收的“二手”火箭发射卫星。猎鹰9号火箭的标准发射费用为6200万美元,若使用回收的火箭,则发射成本进一步降低至原来的70%左右。
       猎鹰9号
       猎鹰9号火箭于2010年6月首飞,发射至近地轨道的最大载荷为13吨,发射至地球同步转换轨道的最大载荷为4.85吨,经发动机改进后的全推力版近地轨道的最大载荷可达22.8吨,因为火箭回收需要耗费能量,若考虑回收,其载荷能力将下降至70%。猎鹰9号全部采用梅林1D发动机,第一级采用9台梅林1D,第二级采用1台加大喷管扩张比的梅林1D真空型发动机,该发动机以液氧煤油为燃料,单台发动机推力可达76吨。近五年,该火箭共计发射35次,主要承担民用卫星、货运飞船以及美国军事卫星发射任务。

 
资料来源:公开资料,观研天下数据中心整理

       重型猎鹰
       “重型猎鹰”是正在研制的能将货物、人员送上月球、小行星甚至火星的可重复利用运载火箭,采用三个猎鹰-9并联,具备63.8吨的LEO运载能力,预计2017年首飞。

 
资料来源:公开资料,观研天下数据中心整理

       4、轨道ATK公司(OrbitalATK):小型运载火箭为主,正在迈向中型市场
       轨道科学公司是一家专门制造和发射卫星的美国公司,1982年成立,至今占有拦截导弹市场40%的份额,小型通信卫星市场的55%以及60%小型运载火箭的市场,该公司凭借安塔瑞斯火箭的开发研制和对通用动力先进信息系统卫星部门的收购,将业务扩展到中型运载火箭和卫星市场。其主要运载火箭产品包括飞马座号运载火箭、金牛座号运载火箭和米诺陶系列运载火箭。
       飞马座号运载火箭
       飞马座号运载火箭是美国第一种完全由私人企业投资研制的小型商用运载火箭,1990年首飞,主要用于将小型卫星送入近地轨道。轨道科学公司负责“飞马座”火箭研制计划的全面管理、硬件抓总和整个火箭的试验工作;赫尔克里士航空航天公司负责一、二、三子级的发动机和有效载荷整流罩的设计、制造和鉴定。
       飞马座号运载火箭包括标准型和加长型(飞马座XL)两个型号,均为三级固体运载火箭,采用端羟基聚丁二烯推进剂。采用机载发射方式,载机为改装的B-52轰炸机,发射时,火箭由载机携带至预定地点上空投放,自由下落5s后点火,投放时,飞机高度约11900m,飞行速度0.8Ma。近5年,飞马座号和飞马座XL两型火箭发射次数总计为4次,主要载荷为民用卫星。
       2016年10月,微软联合创始人保罗艾伦宣布“平流层发射”巨型双身飞机项目,其将与轨道科学公司建立合作伙伴关系,并考虑在首发时单次携带三枚该公司的“飞马座XL”火箭。有别于从地面垂直发射火箭的传统方式,“平流层发射”可轻松降落、装载发射物再升空,准确地把卫星送上目标轨道,而且不会因为天气等因素出现延迟,“就如前往太空的定期航班”,将有助抢占火箭及发射卫星的市场。

 
资料来源:公开资料,观研天下数据中心整理


 
资料来源:公开资料,观研天下数据中心整理
       金牛座号运载火箭
       金牛座号运载火箭是根据美国国防部高等研究计划局的一项“标准小型运载火箭”验证发射合同而开发的。这种完全使用固体燃料的四级运载火箭使用“飞马座”运载火箭作为上面级,使用ATK公司研制的Castor120固体火箭发动机作为第一级。金牛座号运载火箭的低地球轨道运载能力为1350公斤。第一次发射在1994年,总共发射9次,成功6次。最后4次发射中有3次失败,给NASA造成损失7亿美元。

 
资料来源:公开资料,观研天下数据中心整理

       安塔瑞斯号运载火箭
       安塔瑞斯(Antares)火箭在早期发展阶段被称为金牛座Ⅱ号运载火箭,是美国轨道科学公司为承担NASA提出的商业轨道运输服务合同而研制的。安塔瑞斯号运载火箭主要用于将“天鹅座”宇宙飞船运送至规定轨道,另外,也能够承担一些小型与中型任务内容,其近地轨道运载能力为5吨。2013年4月21日,该火箭首次试飞成功,共计发射6次。
       安塔瑞斯火箭为轨道科学公司所发展过最大型的火箭,其第一级采用2个AJ-26火箭发动机,该发动机来自前苏联开发N-1火箭时所剩的NK-33发动机改装而成,以液氧煤油为燃料,由于该型火箭发动机可靠性不高,轨道科学公司之后购置了俄罗斯的RD-181液体火箭发动机用以替代AJ-26,RD-181以液氧煤油为燃料,单台推力可达400吨;第二级采用了轨道科学公司自己的Castor30固体火箭发动机;第三级作为可选项,可以选择轨道科学公司自己的48BV型固体火箭,也可选择3个IHBT-4火箭发动机。

 
资料来源:公开资料,观研天下数据中心整理

       米诺陶系列运载火箭
       “米诺陶”运载火箭是基于美国“和平卫士”和“民兵”导弹研制的目前共5种型号,其中三种型号用于运载卫星。米诺陶一号只能将小型卫星运送至近地轨道,米诺陶二号运载火箭通常运送中地球轨道的卫星,米诺陶三号运载火箭尚处于研制过程中,米诺陶四号运载火箭主要用于目标跟踪或反导弹试验,米诺陶五号运载火箭则用于发射人造卫星至地球同步轨道、地月转移轨道。近5年,米诺陶系列运载火箭仅发射过1次。
       5、蓝色起源(BlueOrigin):发动机技术先进,未来不可小觑
       蓝色起源是亚马逊CEO杰夫贝索斯旗下的一家商业太空公司,2000年成立。该公司致力于亚轨道旅游项目,开发了“新谢泊德”(NewShepard)运载火箭,2015年11月实现了该火箭的发射和回收,火箭升到100km高空后完好无损的降落到了预定的地面位置,预计2017年进行载人测试飞行,2018年搭载付费客户飞行。

 

资料来源:公开资料,观研天下数据中心整理
       2016年,公司推出“新格伦”火箭,将是未来参与商业竞争的主力运载火箭。“新格伦”火箭为两级或三级液体火箭,第一级采用7台蓝色起源自研的BE-4发动机,以液氧、甲烷为推进剂,推力可达245吨,第二级采用1台BE-4U发动机,为BE-4的高空版,第三级采用公司自研的BE-3发动机,以液氧、液氢为推进剂,推力可达50吨。“新格伦”火箭直径为7米,长度82米(二级版)或95米(三级版),二级版本的近地轨道运载能力约为45吨,同步转移轨道运载能力约为13吨。Eutelsat公司已经成为“新格伦”火箭的首个商业客户,其大型通信卫星的发射时间定于2021年。

 
资料来源:公开资料,观研天下数据中心整理

       6、其他:主要瞄准微小型卫星发射市场
       美国其他制造运载火箭的公司包括维珍银河、美国火箭实验室公司等,主要致力于小型运载火箭研制。
       维珍银河公司成立于2004年,致力于太空旅游事业,为付费客户提供亚轨道航天飞行体验,也提供运载火箭发射服务。目前拥有“发射者一号”(LauncherOne)运载火箭,正在研发“发射者二号”,用于为卫星互联网公司OneWeb提供39次的发射任务需求。
火箭实验室公司成立于2008年,为美国与新西兰合资设立,正在研制一种被称为“电子”的小型运载器,已开始接受载荷未来发射机会在线预订并已获得订单,可将高达150kg的载荷送入500km太阳同步轨道。

 
资料来源:公开资料,观研天下数据中心整理

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