◎中國航天科技集團(tuán)公司 羅恒 戴屹梅 梁唐

運(yùn)載火箭高適應(yīng)性發(fā)展研究

◎中國航天科技集團(tuán)公司 羅恒 戴屹梅 梁唐

空間是維護(hù)國家安全和國家利益的制高點(diǎn)，進(jìn)入空間進(jìn)而利用并控制空間是世界航天大國不懈追求的目標(biāo)。運(yùn)載火箭的技術(shù)水平代表著一個(gè)國家自主進(jìn)入空間的能力，是開展空間活動(dòng)的前提。運(yùn)載火箭在航天技術(shù)領(lǐng)域始終處于基礎(chǔ)地位，世界各國都非常重視運(yùn)載技術(shù)的發(fā)展。

筆者將世界運(yùn)載火箭發(fā)展歷史歸納總結(jié)為發(fā)展型階段、實(shí)用型階段、適應(yīng)性階段和高適應(yīng)性階段，并提煉出不同階段火箭的發(fā)展背景、技術(shù)特點(diǎn)和研制規(guī)律，最后對(duì)我國運(yùn)載火箭未來高適應(yīng)性發(fā)展進(jìn)行了展望。

一、世界運(yùn)載火箭發(fā)展特點(diǎn)分析

自從1942年運(yùn)載火箭的開山鼻祖V-2導(dǎo)彈第一次飛行至今，運(yùn)載火箭發(fā)展已達(dá)70余年，縱觀世界各國運(yùn)載火箭發(fā)展歷史，深入分析各型運(yùn)載火箭的產(chǎn)生背景、使用目的、綜合性能，基本上可將運(yùn)載火箭劃分為發(fā)展型、實(shí)用型、適應(yīng)性、高適應(yīng)性4種類型，各自定義如下。

發(fā)展型運(yùn)載火箭：掌握航天飛行力學(xué)基礎(chǔ)理論，突破運(yùn)載火箭工程研制的基本技術(shù)，運(yùn)載能力較小，且具備一定飛行成功率的火箭。

實(shí)用型火箭：全面掌握運(yùn)載火箭研制理論，具備特定用途，模塊化程度較低，運(yùn)載能力較強(qiáng)且具備較高飛行成功率的火箭。

適應(yīng)性火箭：運(yùn)載能力不斷拓展，具備較高的任務(wù)適應(yīng)能力，模塊化水平較高，可靠性較高且發(fā)射成功率很高的火箭。

高適應(yīng)性火箭：采用綠色環(huán)保推進(jìn)劑，具有完善的運(yùn)載能力覆蓋性，模塊化程度極高，可靠性極高，具備快速響應(yīng)能力和現(xiàn)代化的測(cè)發(fā)能力的火箭。

1．發(fā)展型火箭

二戰(zhàn)結(jié)束后，布勞恩等專家投奔美國，V-2導(dǎo)彈設(shè)備和資料大部分被美、蘇俘獲。美國和前蘇聯(lián)都通過仿制V-2導(dǎo)彈創(chuàng)建了本國的運(yùn)載火箭。發(fā)展型火箭的典型代表有前蘇聯(lián)的Sputnik、美國的Jupiter-C火箭和中國的CZ-1。

發(fā)展型火箭的普遍技術(shù)特點(diǎn)包括：突破航天飛行力學(xué)基礎(chǔ)理論；火箭總體性能較弱，運(yùn)載能力較小，火箭載荷比高；研制出相對(duì)成熟的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，但發(fā)動(dòng)機(jī)推力、比沖等性能較弱；控制裝置以模擬電子線路為主，慣性器件精度較低；制導(dǎo)方式以慣性制導(dǎo)為主；可靠性較低，飛行成功率較低；幾乎未考慮模塊化設(shè)計(jì)。

發(fā)展型火箭大量借鑒了彈道導(dǎo)彈設(shè)計(jì)技術(shù)，邁出了運(yùn)載火箭從基本原理向工程應(yīng)用的第一步。該階段的火箭均以驗(yàn)證火箭技術(shù)為主要目的，屬于運(yùn)載火箭發(fā)展起步階段，重點(diǎn)解決了各國火箭的有無問題，實(shí)際應(yīng)用意義較小。

2．實(shí)用型火箭

進(jìn)入冷戰(zhàn)時(shí)期，美蘇在航天領(lǐng)域展開了激烈競(jìng)爭(zhēng)，軍事需求成為運(yùn)載火箭發(fā)展的主要牽引力，兩國均研制了大、中、小各型運(yùn)載火箭。歐洲則將注意力轉(zhuǎn)向了國際商業(yè)發(fā)射服務(wù)市場(chǎng)，Ariane系列火箭登上歷史舞臺(tái)。實(shí)用型火箭的典型代表有歐洲的Ariane 1、前蘇聯(lián)的SL-8、美國的Saturn V和中國的CZ-2C。

實(shí)用型火箭的普遍技術(shù)特點(diǎn)包括：全面掌握運(yùn)載火箭研制理論；總體性能較強(qiáng)，箭載荷比較低；以基于慣性測(cè)量（平臺(tái)或慣組）+計(jì)算機(jī)+推力矢量的控制方案成為主流，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)替代電子模擬線路控制；可靠性較高，逐步采用了冗余設(shè)計(jì)和多數(shù)表決法；發(fā)動(dòng)機(jī)研制水平高（F-1，J-2發(fā)動(dòng)機(jī)推力、比沖等性能強(qiáng)）；模塊化程度較弱；投入巨大。

在冷戰(zhàn)背景下，政治需求和軍事需求是牽引實(shí)用型火箭發(fā)展的源動(dòng)力。實(shí)用型火箭軌道適應(yīng)能力較差，應(yīng)用范圍較為單一，可擴(kuò)展性較差。該階段火箭的成功率已大大提高，而這背后離不開美蘇等國的巨額投入。

3．適應(yīng)性火箭

冷戰(zhàn)結(jié)束后，世界航天發(fā)展進(jìn)入新時(shí)期，如何提高運(yùn)載火箭的任務(wù)適應(yīng)性，為有效載荷提供較好的發(fā)射服務(wù)，力爭(zhēng)擴(kuò)大國際商業(yè)發(fā)射份額，成為適應(yīng)性火箭的發(fā)展趨勢(shì)。適應(yīng)性火箭典型代表有歐洲的Ariane 5、俄羅斯Proton M和Soyuz、美國的Delta IV和Atlas 5、中國的CZ-2F和CZ-3A系列火箭。

適應(yīng)性火箭的普遍技術(shù)特點(diǎn)為：總體性能不斷拓展。采用高性能多次啟動(dòng)末級(jí)或者上面級(jí)拓展總體性能，可適應(yīng)一箭多星發(fā)射模式，為有效載荷提供豐富的機(jī)械接口，提供舒適的星箭力學(xué)環(huán)境；數(shù)字控制技術(shù)成為主流，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)冗余；復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)成為主流；可靠性高，多采用成熟技術(shù)和繼承性設(shè)計(jì)；復(fù)合材料及新型金屬材料的應(yīng)用成為趨勢(shì)；使用維護(hù)性較強(qiáng)，測(cè)試發(fā)射流程在20天左右；模塊化水平較高。

適應(yīng)性火箭日益重視用戶需求，不斷提高火箭的適應(yīng)性和總體性能。為了提高可靠性，縮短研制周期，降低研制成本，大量采用了成熟技術(shù)及產(chǎn)品，開拓商業(yè)發(fā)射服務(wù)市場(chǎng)成為世界各國的共同追求。

4．高適應(yīng)性火箭

2010年后，隨著科技的不斷進(jìn)步，航天運(yùn)輸系統(tǒng)正在由“解決如何進(jìn)入空間”問題轉(zhuǎn)向“解決如何高效、可靠、低成本進(jìn)入空間”問題。降低發(fā)射成本、采用綠色環(huán)保推進(jìn)劑、提高商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力成為高適應(yīng)性火箭的發(fā)展趨勢(shì)。高適應(yīng)性火箭的典型代表有歐洲的Ariane 6、俄羅斯的Angara、美國的Falcon 9和SLS、中國的新一代運(yùn)載火箭。

高適應(yīng)性火箭的普遍技術(shù)特點(diǎn)為：總體性能不斷完善，定位合理；采用了型譜化設(shè)計(jì)，具有很高的通用化、模塊化和組合化設(shè)計(jì)水平；具有良好的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力；不刻意追求產(chǎn)品性能最優(yōu)；均采用了綠色無污染環(huán)保推進(jìn)劑；具備快速響應(yīng)能力和現(xiàn)代化的測(cè)發(fā)能力；積極探索可重復(fù)使用技術(shù)；可靠性很高，產(chǎn)品簡(jiǎn)單可靠；故障診斷與健康檢測(cè)、重構(gòu)控制技術(shù)成為關(guān)注重點(diǎn)。

高適應(yīng)性火箭注重經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、技術(shù)先進(jìn)性的平衡，運(yùn)載能力不是新型火箭追求的最高目標(biāo)，但運(yùn)載能力必須緊密結(jié)合未來主流需求。一次性運(yùn)載火箭仍然是航天運(yùn)輸系統(tǒng)的主要組成部分，但可重復(fù)使用技術(shù)再次成為世界各國研究的熱點(diǎn)。為了降低進(jìn)入空間的成本，以美國為代表的航天強(qiáng)國正探索引入商業(yè)和市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)，已經(jīng)取得了良好的效果。

二、高適應(yīng)性發(fā)展展望

通過與國外高適應(yīng)性運(yùn)載火箭進(jìn)行對(duì)比分析，我國運(yùn)載火箭仍存在一定的差距，尤其是在重型運(yùn)載火箭、完善型譜衍生構(gòu)型、快速響應(yīng)運(yùn)載火箭、重復(fù)使用運(yùn)載器以及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和共性技術(shù)攻關(guān)研究等方面，這也為未來我國運(yùn)載火箭高適應(yīng)性發(fā)展指明了方向。

1．開展重型火箭論證與研制

目前，美、俄把載人登月及深空探測(cè)作為后續(xù)戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)，開展SLS等重大項(xiàng)目研制；日、印則以無人和載人深空探測(cè)為目標(biāo)；我國載人登月需要近地軌道140噸、奔月軌道50噸以上運(yùn)載能力，目前現(xiàn)役及在研火箭均無法滿足。因此，后續(xù)應(yīng)盡快開展重型火箭論證和研制，同時(shí)開展大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、環(huán)境預(yù)示技術(shù)、大直徑箭體及分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)的研究。

2．完善運(yùn)載能力布局

Falcon 9、Ariane 6、H-III火箭運(yùn)載能力均瞄準(zhǔn)了未來國際商業(yè)發(fā)射服務(wù)市場(chǎng)主要需求，同時(shí)還具備高可靠、經(jīng)濟(jì)性好的鮮明特點(diǎn)。通過梳理我國火箭型譜可知，仍有部分運(yùn)載能力區(qū)間不夠完善，這對(duì)未來有效載荷發(fā)展形成了較為顯著的制約，也對(duì)我國積極搶占國際商業(yè)發(fā)射服務(wù)衛(wèi)星市場(chǎng)不利，對(duì)CZ火箭國際競(jìng)爭(zhēng)能力造成一定影響，后續(xù)應(yīng)基于成熟技術(shù)和模塊，加快新一代火箭衍生構(gòu)型研制，完善運(yùn)載能力布局，同時(shí)，研制過程中應(yīng)注重經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性，技術(shù)先進(jìn)性的平衡。

3．構(gòu)建快速響應(yīng)發(fā)射能力

國際上已有多種快速響應(yīng)發(fā)射的小運(yùn)載，如美國的Pegasus、Taurus、Falcon 9， 歐 洲 的Vega，俄羅斯的START，日本的Epsilon等，發(fā)射方式涵蓋地基簡(jiǎn)易塔架發(fā)射、公路機(jī)動(dòng)發(fā)射、空中發(fā)射和潛艇發(fā)射等多種方式；Falcon 9火箭發(fā)射場(chǎng)測(cè)試和發(fā)射周期目前僅需16天，固體小火箭時(shí)間更短，我國目前傳統(tǒng)運(yùn)載火箭發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間仍需20天以上。后續(xù)針對(duì)在飛火箭，可進(jìn)一步優(yōu)化測(cè)試發(fā)射流程、簡(jiǎn)化發(fā)射場(chǎng)測(cè)試項(xiàng)目，開展產(chǎn)品運(yùn)輸環(huán)境等試驗(yàn),解決影響測(cè)試發(fā)射的亟需問題；針對(duì)在研火箭，首飛及經(jīng)過一定任務(wù)的考核后，進(jìn)一步壓縮流程；針對(duì)未來火箭，從火箭總體設(shè)計(jì)到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)、操作維護(hù)、應(yīng)用發(fā)射均按照快速響應(yīng)思路開展。

4．解決重復(fù)使用運(yùn)載器關(guān)鍵技術(shù)

可重復(fù)使用是降低航天運(yùn)輸系統(tǒng)成本的重要途徑，同時(shí)也是保障國家戰(zhàn)略安全的關(guān)鍵領(lǐng)域。近年來，世界各國掀起了一股可重復(fù)使用技術(shù)研究熱潮，包括美國的XS-1、Xaero B、Spaceship Two、New Shepard、Dream Chaser等一系列可重復(fù)使用飛行器，歐洲的IXV、Skylon等項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入飛行驗(yàn)證階段。我國尚需進(jìn)一步開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和驗(yàn)證，后續(xù)我國應(yīng)密切跟蹤重復(fù)使用發(fā)展動(dòng)態(tài)，逐步解決重復(fù)使用運(yùn)載器關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)完全重復(fù)使用的終極目標(biāo)。

5．全面提升運(yùn)載火箭綜合水平

共性技術(shù)代表了運(yùn)載火箭未來的技術(shù)發(fā)展方向，共性技術(shù)的落后直接制約了運(yùn)載火箭綜合性能和高適應(yīng)性，共性技術(shù)可分為總體集成與優(yōu)化技術(shù)和系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)?？傮w集成與優(yōu)化技術(shù)代表了運(yùn)載火箭總體技術(shù)的發(fā)展方向，包括環(huán)境預(yù)示及優(yōu)化、全箭動(dòng)特性獲取和頻率預(yù)示、變推力彈道優(yōu)化、動(dòng)力冗余總體設(shè)計(jì)、故障診斷與健康檢測(cè)、重構(gòu)控制技術(shù)等。系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)代表了運(yùn)載火箭系統(tǒng)級(jí)技術(shù)的發(fā)展方向，包括輕質(zhì)多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)、高性能動(dòng)力技術(shù)、高可靠強(qiáng)魯棒制導(dǎo)與控制技術(shù)、先進(jìn)測(cè)量與通信技術(shù)、快速測(cè)試及發(fā)射技術(shù)等。后續(xù)我國應(yīng)盡快開展共性技術(shù)攻關(guān)研究，全面提升運(yùn)載火箭綜合水平。

運(yùn)載火箭是牽動(dòng)航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展和科技進(jìn)步的龍頭，運(yùn)載火箭技術(shù)的發(fā)展直接促進(jìn)了衛(wèi)星應(yīng)用、載人航天和空間安全等技術(shù)的發(fā)展，給國民經(jīng)濟(jì)帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益和巨大的間接效益。因此運(yùn)載火箭技術(shù)水平不僅代表著一個(gè)國家自主進(jìn)入空間的能力，也體現(xiàn)著一個(gè)國家最終利用空間和發(fā)展空間技術(shù)的能力，維護(hù)國家的空間安全和空間利益是一個(gè)國家航天能力的基礎(chǔ)，也是綜合國力的象征。

我國運(yùn)載火箭正處于快速全面發(fā)展的時(shí)期，在持續(xù)跟蹤、研究國外航天發(fā)展動(dòng)態(tài)，把握世界航天技術(shù)發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)的基礎(chǔ)上應(yīng)大力發(fā)展高適應(yīng)性運(yùn)載火箭，完善運(yùn)載能力布局。結(jié)合深空探測(cè)等任務(wù)需求，開展重型運(yùn)載火箭論證及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。密切跟蹤重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展動(dòng)態(tài)，積極探索可重復(fù)使用技術(shù)。針對(duì)共性技術(shù)開展攻關(guān)研究，全面提升運(yùn)載火箭綜合水平。這對(duì)我國運(yùn)載火箭技術(shù)的發(fā)展，確保我國運(yùn)載火箭發(fā)展的高適應(yīng)性，乃至提升我國綜合國力具有重要意義?！?/p>