(中國運載火箭研究院，北京 100076)

中國運載火箭技術發(fā)展

魯宇

(中國運載火箭研究院，北京100076)

中國航天運輸系統(tǒng)建設起步于20世紀60年代，經過近50年的發(fā)展，取得了舉世矚目的成就，建設了布局合理、覆蓋全面的空間運輸系統(tǒng)體系，能夠將不同有效載荷發(fā)射到低、中、高不同軌道。國際合作方面，在搭載發(fā)射、商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射服務和在軌交付3個方面也取得了一定成績。對中國航天運輸系統(tǒng)發(fā)展成就進行了總結，對航天運輸系統(tǒng)未來發(fā)展特別是人工智能技術應用進行了展望。

運載火箭；國際合作；低成本；人工智能

Abstract：China space transportation system started in1960s and has made remarkable achievements after50years development. China has established a complete space transportation system with full spectrum of launch vehicles, enabling the launch of any payload to any orbit. China is willing to carry out international cooperation and helps newly emerged space countries develop their own space technology. This paper mainly summarizes the development achievements of China space transportation system and gives a prospect on its future development, especially on artificial intelligence technology.

Keywords：Launch vehicle; International cooperation; Low cost; Artificial intelligence

0 引言

中國的航天運輸系統(tǒng)目前的主要代表是長征系列運載火箭、遠征系列軌道轉移運載器(上面級)及可重復使用運載器。確保安全、可靠、快速、經濟、環(huán)保地進出空間，推進太空探索技術發(fā)展，促進人類文明的進程，是中國航天運輸系統(tǒng)的發(fā)展目標。

中國航天運輸系統(tǒng)的建設起步于20世紀60年代，經過近50年的發(fā)展，取得了舉世矚目的成就，具備強大的進入空間和開發(fā)、利用空間的能力，是世界上少數幾個近地軌道運載能力超過20t、具備載人發(fā)射能力和進行地外天體著陸探測的國家。中國航天運輸系統(tǒng)的發(fā)展，不但為中國國民經濟建設奠定了基礎，也為太空探索和國際商業(yè)航天發(fā)展貢獻了力量。中國航天一直有能力、有意愿充分開展國際合作，與世界各國一起共同發(fā)展航天技術，共享發(fā)展成果。

1 中國航天運輸系統(tǒng)取得的成績

中國長征系列運載火箭發(fā)展共經歷了5個階段，研制了4代17型運載火箭，具備將不同有效載荷送入低、中、高不同軌道的能力[1]。長征系列運載火箭的發(fā)展經歷了從常溫推進劑到低溫推進劑、從串聯到并聯、從一箭單星到一箭多星、從載物到載人、從末級一次啟動到多次啟動的技術跨越。截止到2017年6月底，中國長征系列運載火箭已飛行249次，發(fā)射成功率96%。運載火箭技術的發(fā)展為航天技術提供了廣闊的舞臺，推動了中國衛(wèi)星及其應用以及載人航天技術的發(fā)展，有力支撐了以“載人航天工程”“北斗導航”和“月球探測工程”為代表的中國國家重大工程的成功實施，為中國航天的發(fā)展提供了強有力的支撐。

1.1 完成四代運載火箭研制

第一代運載火箭包括CZ-1、CZ-2，是根據液體導彈改進而來，具有明顯的武器特點。第一代火箭解決了中國運載火箭有無問題，運載能力等總體性能偏低，使用維護性差，發(fā)射場測試發(fā)射周期長，采用模擬控制系統(tǒng)。

第二代運載火箭包括CZ-2C系列、CZ-2D、CZ-3、CZ-2E，仍然帶有液體導彈的痕跡，在第一代火箭的基礎上進行了技術改進。第二代火箭以原始狀態(tài)CZ-2C火箭為基礎改進，一、二級與CZ-2C火箭基本相同，采用有毒推進劑(四氧化二氮和偏二甲肼)，采用數字控制系統(tǒng)。

第三代運載火箭包括CZ-2F、CZ-3A系列、CZ-4系列。第三代火箭在第二代基礎上持續(xù)開展可靠性增長和技術改進，采用系統(tǒng)級冗余數字控制系統(tǒng)，增加了三子級，任務適應能力大大提高。為滿足載人航天任務需求增加故檢逃逸系統(tǒng)而研制載人火箭，大幅度提升任務可靠性，并且簡化發(fā)射場測發(fā)流程，提高使用維護性能。

第四代(也稱為新一代)運載火箭包括CZ-5、CZ-6、CZ-7、CZ-11等，采用環(huán)境友好的無毒無污染推進劑，采用高可靠總線技術，最大運載能力得到了本質性提升。

1.2 助推中國航天完成3個標志性里程碑

發(fā)射人造地球衛(wèi)星、載人飛船和月球探測器是中國航天發(fā)展的3個標志性里程碑。1970年4月24日，中國用長征一號(CZ-1)運載火箭成功將東方紅一號衛(wèi)星發(fā)射到近地軌道，成為世界上第5個用自制火箭成功發(fā)射本國衛(wèi)星的國家。1999年CZ-2F火箭成功發(fā)射神舟一號試驗飛船，中國成為世界上第3個自主發(fā)展載人航天技術的國家。2003年10月中國首次載人航天成功。2012年6月首次載人交會對接成功。2007年10月，CZ-3A火箭成功將中國首顆月球探測衛(wèi)星“嫦娥一號”送入預定軌道，標志著中國航天事業(yè)成功跨入深空探測的新領域。

1.3 完成載人、探月、北斗等一系列重大工程

1)載人航天工程：CZ-2F運載火箭完成13次發(fā)射，成功將14人次航天員送入太空，發(fā)射2次目標飛行器，成功完成交會對接任務，為長期在軌、有人值守的空間站建設打下堅實基礎。

2)探月工程：CZ-3A、CZ-3B和CZ-3C火箭完成4次探月飛行器發(fā)射，2013年12月發(fā)射的嫦娥三號探測器實現了中國首次地外天體軟著陸；后續(xù)CZ-5運載火箭還將執(zhí)行采樣返回任務。

3)北斗導航工程：CZ-3A系列火箭+遠征系列上面級完成18箭21顆北斗導航衛(wèi)星發(fā)射，完成了北斗區(qū)域導航系統(tǒng)建設，為全球導航系統(tǒng)建設奠定了基礎，將為中國和周邊國家經濟建設提供優(yōu)質服務。

4)其他重大工程和項目：長征系列火箭還成功將高分辨對地觀測衛(wèi)星、風云系列氣象衛(wèi)星和廣播通信衛(wèi)星送入預定軌道，為中國社會和國民經濟發(fā)展做出了貢獻。

2 中國航天運輸系統(tǒng)具備的能力

2.1 自由進出空間能力

長征系列運載火箭包括小型火箭CZ-6、CZ-11(固體)，中型火箭CZ-2系列、CZ-3A系列、CZ-4系列、CZ-7，大型運載火箭CZ-5系列；同時，中國還研制了快舟等固體運載火箭。長征系列運載火箭具備發(fā)射低、中、高不同軌道，不同類型衛(wèi)星、探測器、空間實驗室、載人飛船及貨運飛船的能力，LEO運載能力25t，GTO運載能力14t，運載能力和入軌精度均處于國際先進水平。長征系列運載火箭既能實施一箭一星發(fā)射，也能進行一箭多星快速部署；既能實現轉移軌道發(fā)射，也能直接將衛(wèi)星送入工作軌道。總之，現有長征系列火箭具備將實用航天器發(fā)射到任何空間軌道的能力[2]。

2.2 自主載人發(fā)射能力

中國是世界上第3個具備自主載人發(fā)射能力的國家，CZ-2F載人運載火箭發(fā)射成功率100%。航天飛機退役后，中國的CZ-2F運載火箭和俄羅斯聯盟號火箭是目前僅有的兩型具備載人發(fā)射能力的運載火箭。

CZ-2F用于發(fā)射載人飛船，是為載人航天而研制的具有特殊要求的運載火箭。與普通商業(yè)運載火箭相比，它要求具有更高的可靠性和安全性。通過采用系統(tǒng)級冗余技術使飛行可靠性達0.97以上，遠遠高于一般發(fā)射商業(yè)衛(wèi)星等非載人用途的運載火箭0.91～0.93的可靠性指標。同時，CZ-2F火箭配備專用的故障檢測處理系統(tǒng)和逃逸系統(tǒng)，確保故障情況下航天員的生命安全，使CZ-2F運載火箭安全性指標超過0.997。

2.3 高密度發(fā)射能力

長征系列運載火箭采用批生產模式，具備高密度發(fā)射能力。2011年～2017年5月底，長征系列運載火箭共完成了110次發(fā)射，年平均發(fā)射超過16次，成功率超過97%，均處世界前列。CZ-3A系列火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心創(chuàng)下了截至目前中國最短連續(xù)發(fā)射間隔周期紀錄。

高密度發(fā)射能力是不斷進行技術改進與突破的結果。統(tǒng)一運載火箭狀態(tài)，使長征系列火箭主要系統(tǒng)和單機具備統(tǒng)籌批產條件；單一構型系列運載火箭之間統(tǒng)一箭體結構、測量系統(tǒng)狀態(tài)，弱化發(fā)次代號，使其具備進行批生產條件。

高成功率是不斷提升系統(tǒng)級試驗能力的結果。突破深低溫領域試驗關鍵技術，建成中國首個增壓輸送系統(tǒng)系統(tǒng)級試驗平臺，能夠完成冷氦增壓冗余系統(tǒng)的原理性試驗和液氫溫區(qū)低溫系統(tǒng)試驗。

高頻度發(fā)射是不斷縮短發(fā)射場流程的結果。通過優(yōu)化靶場測試項目、開發(fā)自動化判讀平臺等措施，使火箭靶場測發(fā)時間由50天縮減到20余天。同時，對與發(fā)射流程有重要影響的單機和系統(tǒng)進行冗余改進，大幅提升了發(fā)射可靠性，保證火箭準時發(fā)射的同時，也提升了運載火箭窄窗口、零窗口發(fā)射能力。

2.4 深空探測與空間軌道轉移能力

高軌運載火箭具備深空探測飛行器發(fā)射能力，長征系列火箭地月轉移軌道(LTO)運載能力為8.2t，地火轉移軌道(MTO)發(fā)射能力為5t。遠征系列上面級與長征系列運載火箭組合，主要完成高軌衛(wèi)星直接入軌發(fā)射任務以及多星快速部署發(fā)射任務。在上面級的研制中，突破先進熱控、軌道自規(guī)劃等技術，具有多次起動、長時間工作、自主飛行等特點。目前，遠征系列上面級(YZ-1、YZ-2、YZ-3)最長在軌工作時間達到48h，發(fā)動機最多啟動次數達到20次，使用靈活，任務適應性強，被譽為“太空擺渡車”，大幅提升中國航天運輸系統(tǒng)進入空間的能力。

3 中國航天運輸系統(tǒng)的國際合作

中國航天運輸系統(tǒng)的國際合作主要體現在搭載發(fā)射、商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射服務和在軌交付3個方面。截至目前，長征火箭共完成55次國際合作發(fā)射，為20個國家和地區(qū)發(fā)射了64顆有效載荷[3]。

3.1 搭載發(fā)射

1987年8月，CZ-2C運載火箭第一次為法國馬特拉公司成功搭載發(fā)射微重力裝置，開啟了中國航天國際合作的歷史。通過CZ-2C火箭發(fā)射返回式衛(wèi)星數次搭載任務，中國運載火箭對國際合作項目有了更明晰的認識，對國際合作模式有了更深入的了解。

搭載發(fā)射是中國商業(yè)發(fā)射的起源，1990年7月16日CZ-2E火箭首飛除驗證主載荷發(fā)射能力外，還成功將搭載的巴基斯坦科學試驗衛(wèi)星送入預定軌道，對后續(xù)推動第三世界國家發(fā)展航天起到了重要的促進作用。

搭載發(fā)射具有成本低、驗證環(huán)境真實等優(yōu)勢，是新技術、新設備研制過程中最有效的驗證方法之一。2014年10月，利用嫦娥五號返回飛行試驗器發(fā)射任務，CZ-3C火箭成功搭載了盧森堡4M小衛(wèi)星。該搭載載荷采用不分離方案，與火箭末級一起飛往月球，經受了地月轉移軌道飛行環(huán)境驗證，為后續(xù)擴展搭載發(fā)射國際合作提供了又一經典范例。

3.2 商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射服務

對外商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射服務是中國航天運輸系統(tǒng)國際合作主要形式。1990年，長征三號發(fā)射亞星一號拉開了長征系列運載火箭對外商業(yè)發(fā)射的序幕。中國第一型液體捆綁火箭CZ-2E火箭也是專門為完成對外商業(yè)發(fā)射任務而研制的。

20世紀末，長征系列運載火箭對外發(fā)射服務項目生機勃勃，中低軌方面以CZ-2C運載火箭發(fā)射銥星為代表，高軌方面以CZ-2E和CZ-3A系列發(fā)射澳星、亞星等項目為代表。長征系列火箭以其較高的性價比享譽世界，中美兩國在航天領域的合作也成為助推全球經濟增長和社會發(fā)展的重要力量，一時被傳為佳話。進入21世紀，隨著冗余技術的大量應用，長征系列火箭可靠性進一步提高，2011年長征三號乙火箭成功發(fā)射歐洲通信衛(wèi)星組織的W3C衛(wèi)星，再次證明長征系列火箭的可靠性和履約能力。

通過對外商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射服務任務，中國航天進一步與世界接軌，推動了長征系列運載火箭與衛(wèi)星間接口的統(tǒng)一和標準化，推動了運載火箭軌道設計、遠場安全性分析、分離分析、載荷耦合分析、熱耦合分析等工作的深入研究，為推動中國航天運輸系統(tǒng)發(fā)展起到了積極作用。同時，中國積極將這些研究成果與世界共享，牽頭完成環(huán)境參數遙測數據處理方法、遠場安全性分析要素等國際標準制定。

3.3 在軌交付

中國航天在運載火箭、衛(wèi)星、載人飛船等領域全面發(fā)展，建制齊全，這使得它能夠為用戶提供火箭+衛(wèi)星的在軌交付一攬子解決方案。

在SSO方面，中國具備成熟的遙感衛(wèi)星技術，2012年發(fā)射的委內瑞拉遙感衛(wèi)星采用CZ-2D發(fā)射，是SSO軌道在軌交付任務的典型代表，不僅為相關國家航天技術發(fā)展，更為國民經濟建設做出了貢獻。

在GTO方面，隨著5t級東方紅四號衛(wèi)星平臺的日臻成熟，中國航天躋身世界主流商業(yè)通信衛(wèi)星市場。為更好地執(zhí)行東方紅四號衛(wèi)星發(fā)射任務，CZ-3B運載火箭對助推器和芯一級進行了加長改進，標準GTO運載能力由5.1t提升至5.5t。因此，東方紅四號平臺衛(wèi)星與CZ-3B組成最佳搭檔，共同參與國際競爭，以其高性價比和在軌交付等優(yōu)點贏得了市場認可。目前以此種方式，已經向尼日利亞、委內瑞拉、玻利維亞、白俄羅斯、老撾等國家成功在軌交付通信衛(wèi)星，并將于2018年向阿爾及利亞交付通信衛(wèi)星。相關國家因此實現了自己的航天夢，為國民的生活品質提升奠定了基礎。

4 未來探索發(fā)展

4.1 型譜完善

根據對2030年左右全球航天器發(fā)展的預測分析，對于未來潛在任務，現有長征系列運載火箭仍然存在能力斷檔。后續(xù)，需要研制700km SSO運載能力3t～4.5t的中低軌運載火箭(CZ-8)、GTO運載能力6.5t～7t的高軌運載火箭(CZ-832C)，需要研制LEO運載能力140t、LTO運載能力50t的重型運載火箭(CZ-9)[4]。

目前，CZ-8火箭已經立項，CZ-832C火箭正在開展方案論證工作，這兩型火箭是增強我國運載火箭商業(yè)競爭力的重要構型，基礎級仍然采用3.35m直徑，可充分借用CZ-7火箭芯級成熟技術，末級采用氫氧模塊。CZ-9火箭方案深化論證和關鍵技術攻關已經立項。CZ-9火箭為三級半構型，芯級最大直徑10m級，是完成深空探測、載人登月和載人登火、空間基礎設施建設(如空間太陽能電站)等任務的重要支撐，將加速航天強國建設步伐。

通過以上火箭研制，可以構建體系完整、分布合理、性能卓越的航天運輸系統(tǒng)，提升中國進入空間、探索空間的能力，支持深空探測、空間科學和各種航天發(fā)射活動，滿足經濟、社會發(fā)展需要，為建設航天強國提供有力支撐。

4.2 低成本改進

低成本進入空間永遠是每個航天國家和企業(yè)追求的目標。美國SpaceX公司的Falcon9火箭從設計、生產、試驗和管理各個維度采取低成本措施，較低的發(fā)射成本給當前活躍于發(fā)射服務市場的主流火箭帶了較大競爭壓力。歐洲在21世紀初就開展了未來運載器預研項目(FLPP)研究，該項研究主要目標是降低運載器成本[5]。當前，各國正在研制的下一代火箭也將通過更先進的技術和管理方法來降低成本，這些火箭主要包括美國的火神火箭、歐洲的阿里安6、日本的H3以及俄羅斯的安加拉。到2020年左右，各國低成本下一代火箭將陸續(xù)首飛，我國長征系列火箭將面臨嚴酷的競爭。

4.2.1 技術改進

現役火箭低成本改進是提升競爭力的當務之急，已經投入發(fā)射應用的第二代到第四代運載火箭都可以從總體、電氣、結構、動力等方面開展低成本改進，進一步提升我國長征系列火箭國際競爭力。

1)開展總體優(yōu)化設計?？傮w各專業(yè)從傳統(tǒng)的串行設計改為多專業(yè)并行協同設計，開展基于主模型的總體協同設計，規(guī)范專業(yè)間數據接口。另一方面，結合飛行結果，開展參數辨識。參數辨識與總體協同設計結合起來，盡可能消除各專業(yè)不必要的設計余量，降低火箭載荷，進一步提高結構效率，提高運載火箭綜合性能。

2)開展低成本電氣系統(tǒng)設計。取消非必須的冗余設備，取消非必須的遙測參數及測量設備；部分電氣系統(tǒng)產品采用民用產品，研究并形成工業(yè)級電子元器件采購與篩選控制方法；開展電氣系統(tǒng)一體化設計，實現各系統(tǒng)模塊集成和優(yōu)化，重要模塊和單機實現冗余和重構，降低成本的同時保證系統(tǒng)可靠性。

3)開展低成本動力系統(tǒng)設計。增壓系統(tǒng)設計方面，可采用自生增壓方案，減少全箭氣瓶數量；開展以YF-100為代表的發(fā)動機推力提升、總裝泵后擺改進、結構減重和簡化使用維護流程研究、渦輪泵優(yōu)化改進方案產品冷試驗證、流量調節(jié)器改進方案冷調試驗研究，提升發(fā)動機性能，簡化使用維護流程。

4)開展低成本結構系統(tǒng)設計。例如液氧箱可以改用柱段不絕熱，取消柱段發(fā)泡工藝；對部分結構的環(huán)境防護措施進一步優(yōu)化。提高生產工藝水平，如貯箱壁板/箱底結構改為等厚度壁板，貯箱筒段壁板可采用光筒結構，前后底采用等厚結構，等厚結構將簡化設計流程；貯箱采用先進的攪拌摩擦焊工藝替代現有的熔焊自動焊工藝；采用大厚度板材代替鍛件工藝從而取消熱處理等工序；部分零部件采用激光增材(3D打印)制造技術；貯箱箱底采用旋壓整體成型技術。通過以上措施，可顯著提高生產效率，縮短生產周期，降低成本。

除此之外，通過系統(tǒng)研究目前測試發(fā)射流程設計的關鍵要素，改進不必要和不優(yōu)化的環(huán)節(jié)，應用新方法、新技術、新手段，采用遠程快速測試發(fā)射技術，提高測試效率，降低使用成本。

4.2.2 顛覆性技術發(fā)展

顛覆性技術是指以意想不到的方式取代現有主流技術的技術。顛覆性技術的應用，會使得運載火箭成本呈數量級的降低，性能大幅提升。未來運載火箭各系統(tǒng)均有顛覆性技術的應用場景。箭體結構方面，采用高強度納米材料，充分發(fā)揮納米材料高強度優(yōu)勢，大幅降低結構質量。電氣方面，采用抗干擾的可靠通信手段，全箭采用無電纜化設計，保證安全的同時，也可傳遞海量數據，降低電氣系統(tǒng)成本的同時，大幅降低電氣系統(tǒng)質量，提升運載火箭效率。發(fā)動機方面，突破新型動力技術，可使比沖等性能指標有質的飛躍。

4.3 可重復使用運載器

重復使用運載器具有廉價、快速、機動、可靠等特點，是航天運輸系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，也是降低發(fā)射成本的重要途徑。通過對國內外發(fā)展情況的分析，結合我國重復使用運載器的技術研究現狀及技術基礎，充分借鑒美國在發(fā)展重復使用運載器過程中由于過于追求單級入軌的先進指標幾經挫折的經驗教訓，提出我國發(fā)展重復使用運載器“三步走”的發(fā)展思路：

第1步：火箭動力的助推器、或第一級可重復使用實現工程應用；對于第1步，已經開展了部分關鍵技術研究，包括傘降回收和垂直起降技術，完成部分試驗驗證，一些關鍵技術取得突破。

第2步：火箭動力兩級入軌完全可重復使用運載器實現工程應用。

第3步：組合動力兩級入軌完全可重復使用運載器具備工程應用能力。

4.4 智能技術應用

經過60多年的演進，特別是在移動互聯網、大數據、超級計算、腦科學等新理論新技術的驅動下，人工智能發(fā)展進入新階段，呈現出深度學習、跨界融合、人機協同、群智開放、自主操控等新特征[6]。可以預見，未來人工智能也將會是運載火箭的屬性之一，并涵蓋從設計、制造、飛行、進化、管理等全壽命周期各環(huán)節(jié)。

4.4.1 智能設計與驗證

運載火箭設計是典型的系統(tǒng)工程，涉及多種學科和專業(yè)，參數模型復雜，系統(tǒng)間接口數據多，研制流程長。我國運載火箭目前采用數學模型的專業(yè)設計方法，文件傳遞的接口傳遞方法，以及總體方案優(yōu)化-分系統(tǒng)獨立設計-產品集成測試的“總-分-總”的研制流程，已難以適應新型號研制和精細化設計的需求。如模型上，新一代運載火箭采用擺助推技術后，重新推導姿態(tài)控制方程前后歷時2年之久；接口傳遞上，由于文件傳遞迭代過程長，各系統(tǒng)均只能基于標準工況在大偏差下開展設計，設計裕度大；研制流程上，產品集成測試是對總體方案優(yōu)化的最終驗證，缺乏有效的中間驗證環(huán)節(jié)，驗證周期極長。

運載火箭智能設計體系圍繞數字化研制流程，結合虛擬現實智能建模技術，開展基于虛擬樣機，統(tǒng)一數據源下的系統(tǒng)設計和“虛實結合”的試驗手段。由數學模型與虛擬樣機結合代替單一數學模型，由數據+模型驅動代替設計文件驅動，由“虛實結合”試驗代替實物驗證。以產品CAE模型為基礎，通過參數驅動，建立集成產品物理結構、電氣性能等虛擬樣機，完成總體、分系統(tǒng)、設備的性能仿真，大幅增強適應新技術能力。協同研制平臺統(tǒng)一數據源，實現迭代的自動化和設計精細化，大幅提升設計效率和精細化水平。通過虛實結合的試驗手段，提早開展仿真驗證，將“總-分-總”的“V形”研制流程變成隨時在驗證、時常在迭代的“W型”流程，縮短驗證周期，降低方案可能反復的風險，提升設計效率。

4.4.2 智能結構與智能制造

智能結構是集成傳感器、驅動裝置、微處理器等元器件或記憶合金、功能復合材料等特殊材料而成的結構，具備感知外部環(huán)境并主動響應的能力，又稱為自適應結構。利用智能材料感知、自適應變形和響應的性能，用于箭上結構的損傷檢測、主動損傷抑制和自診斷，儀器設備的主動減振、減噪控制，以及將智能結構用于箭上有動作的機構中，實現機械式低沖擊分離或空間交會對接和組裝等，還可以在可重復使用火箭回收過程中，實現主動氣動外形控制以適應再入氣動和回收姿態(tài)控制的需要。

在“中國制造2025”等國家戰(zhàn)略的指引下，智能制造成為軍工制造業(yè)發(fā)展的重要方向。采用生產裝備智能物聯與云化數據采集、生產線動態(tài)智能調度等技術，建設智能生產線和智能工廠[8]。在工業(yè)4.0制造體系下，打通數字化設計與制造的通道，實現設計和制造的一體化。構建智能制造的基礎環(huán)境及標準體系，建設智能管控系統(tǒng)，搭建基于模型的智能化虛擬制造平臺，大量采用智能化技術裝備，大幅提升航天產品質量和制造能力。

4.4.3 基于故障診斷和重構的智能飛行

目前國內運載火箭的飛行程序均是基于運載火箭各部件工作正常的假設，在部分飛行試驗中暴露出當前方法的嚴重不足，迫切需要實現運載火箭由自動飛行到智能飛行的跨越。

未來運載火箭基于智能技術進行故障診斷與重構是重要的發(fā)展方向，通過部分故障下的系統(tǒng)重構和任務重構，實現智能飛行。首先，根據發(fā)生的故障，充分采用智能技術，根據系統(tǒng)模型綜合分類、聚類、關聯、孤立點分析等數據挖掘和建模分析完成故障診斷和定位。然后采用神經網絡自適應控制方法等進行系統(tǒng)重構，保證火箭穩(wěn)定飛行，為任務重構提供基礎。任務重構是智能飛行的主要目標，基于火箭當前信息和目標軌道信息，決策當前任務是否能夠正常完成，進而決策是否進一步進行軌跡在線生成；對無法完成當前任務的，在線生成降級任務目標，如從LTO軌道降級到LEO軌道，有效載荷在降級的軌道上通過其他方式入軌或者等待救援。無法完成降級任務的，箭上決策進入再入自毀及殘骸落區(qū)規(guī)劃流程。

4.4.4 平行智能鏡像系統(tǒng)

構建運載火箭天地平行智能鏡像系統(tǒng)，可以和箭上故障診斷與重構系統(tǒng)協同工作，對于飛行時間短的任務，以箭上決策為主；飛行時間長的任務，以地面平行智能鏡像系統(tǒng)決策為主?；鸺w行過程中，根據飛行遙測數據進行實時狀態(tài)模擬和地面故障診斷，利用地面遠強于箭上的高速計算能力，輔助以增強智能技術，開展故障信息深度挖掘，在故障情況下進行輔助判斷，為地面操作人員緊急決策提供支持，執(zhí)行系統(tǒng)重構及任務重構。

無飛行任務時，可開展鏡像系統(tǒng)的深度學習，提升系統(tǒng)智能水平；亦可利用鏡像系統(tǒng)開展人員培訓，提升設計師及測控隊伍能力。利用鏡像系統(tǒng)開展多種方案的比對，多種新技術的試用，實時、隨機注入多種故障，對方案和新技術的魯棒性進行驗證，對火箭瓶頸環(huán)節(jié)進行識別和持續(xù)改進，利用精確的分析和有效的驗證不斷提升火箭智能化水平。

4.4.5 智能管理

我國航天在60年的發(fā)展歷程中，始終貫徹著基于文檔的航天系統(tǒng)工程開發(fā)和組織管理方法。隨著生產力的發(fā)展，該模式存在一定弊端，如信息的完整性、一致性及信息之間的關系難于評估和確定，難以描述復雜的活動，更改影響分析的全面性不足，各環(huán)節(jié)橫向和縱向層級較多，導致信息及時性和準確性難以保證；需要開展基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)與智能管理研究，建立運載火箭研制中的需求-功能-行為-結構模型，有效傳遞系統(tǒng)工程研發(fā)中的動態(tài)信息，實現系統(tǒng)設計一體化，并提升系統(tǒng)研發(fā)的可重用性，增強研發(fā)流程的顯性化表述與再造，確保全程信息傳遞的一致性，從而創(chuàng)建高效、智能、協調、集約的運載火箭研發(fā)體系，實現我國運載火箭全壽命周期、全要素數字化智能管理。

4.5 未來國際合作設想

未來，中國可以在商業(yè)發(fā)射、航天技術聯合研究、國際發(fā)射合作、載人及空間站等多個維度與世界各國開展合作。首先，繼續(xù)發(fā)揮中國航天運輸系統(tǒng)布局合理、覆蓋全面、能力大、適應性強的優(yōu)點，向全世界開放，提供商業(yè)發(fā)射服務。中低軌主流衛(wèi)星發(fā)射任務將主要采用CZ-8完成，微小衛(wèi)星專屬發(fā)射可以采用CZ-11，高軌發(fā)射任務將由CZ-3A系列火箭、新一代中型高軌火箭和CZ-5火箭完成。火箭和上面級結合能夠提供更靈活的入軌方式，CZ-3B+上面級和CZ-5+上面級火箭發(fā)射GEO任務運載能力分別為1.8t和4.5t，能夠提供多軌道面部署和星座、星群發(fā)射服務，提升任務適應性。完成主星發(fā)射任務的同時，也可充分發(fā)揮“太空順風車”的優(yōu)勢，通過定期公布并及時更新潛在的搭載發(fā)射服務能力和時機，為發(fā)展中國家或新興航天國家提供搭載發(fā)射平臺，促進世界航天和諧發(fā)展。

航天技術聯合研究也是國際合作的重點之一。中國可以和其他航天大國建立國際學術機構或者聯合實驗室，集中全世界優(yōu)勢資源開展航天運輸系統(tǒng)基礎技術研究，為未來發(fā)展打牢技術根基，提供創(chuàng)新原動力。近期以中外聯合實驗室為平臺，在新概念飛行器、可重復使用運載器、先進復合材料設計和試驗等專業(yè)技術領域開展深入合作，為未來微小型運載火箭研制和發(fā)射的重要支撐。同時，建立固定的技術交流平臺，定期開展航天運輸系統(tǒng)技術、管理、服務等相關方面的成果展示、經驗交流，促進世界航天運輸系統(tǒng)領域健康快速發(fā)展。

聯合研制運載火箭是未來我國研制火箭的途徑之一。如重型運載火箭的研制，可以充分利用中俄合作優(yōu)勢，在低溫發(fā)動機研制、大型試驗、大結構制造等方面開展合作；可以發(fā)揮各國、地區(qū)資源優(yōu)勢，對箭上產品和地面設備進行全球采購或在國外建立基地，進一步提升運載火箭性能，降低成本，提供一型更具競爭力的運載工具。除了在中國現有4個發(fā)射場完成發(fā)射外，也可租用國外已有發(fā)射場，提升發(fā)射的靈活性；或在赤道地區(qū)建設國際聯合發(fā)射場，合作研制海上發(fā)射平臺。

2022年前后，中國將建成永久性的空間站，隨著國際空間站的退役，中國的空間站有條件成為國際合作的優(yōu)選平臺。各國航天員和科學家可以來往于地球與空間站，進行規(guī)模比較大的空間應用；長征火箭可以向其他國家提供載人發(fā)射服務、參與空間站建設的能力；中國可以與全球航天科研機構及商業(yè)公司合作開展太空旅游等民用產業(yè)研究，促進太空技術邁入尋常百姓家。

5 結束語

經歷若干年的研制攻關，中國航天運輸系統(tǒng)取得了巨大的進步，形成了長征系列運載火箭、遠征系列上面級和可重復使用運載器等3大產品體系和技術體系，具備將各類有效載荷送入預定工作軌道的能力，并且廣泛開展搭載發(fā)射、商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射和在軌交付等國際合作，促進全球航天技術進步。未來，中國必將更加注重國際合作，在低成本、可重復、人工智能等方面加速發(fā)展，加快我國運載火箭更新換代的腳步，加速我國向航天強國邁進。

本文特獻給中國運載火箭技術研究院建院60周年(1957-2017)。

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SpaceLaunchVehicle’sDevelopmentinChina

LU Yu

(ChinaAcademyLaunchVehicleTechnology，Beijing100076，China)

V448.22

A

2096-4080(2017)03-0001-08

2017-08-08；

2017-09-01

魯宇(1958-)，男，研究員，中國運載火箭技術研究院科技委主任。