劉魯江，梁建國，吳佳林，盛英華

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引言

運載火箭是進入空間的主要工具［1-2］，決定著一個國家進入空間、利用空間和控制空間的能力，是航天能力建設(shè)的核心基礎(chǔ)，也是國家現(xiàn)代科技發(fā)展水平和綜合國力的重要標志。

運載火箭作為過去70 年飛行器界最惹人矚目的新物種，一直在不斷演變進化：單芯級火箭→捆綁火箭→新單芯級火箭→通用芯級捆綁火箭［3-4］，一次性火箭［5］→垂直發(fā)射水平回收火箭→新一次性火箭→垂直發(fā)射垂直回收火箭［6-7］，新形態(tài)層出不窮。

運載火箭的演進外部由任務(wù)需求驅(qū)動，內(nèi)部由國家基礎(chǔ)所決定。其中，發(fā)動機和箭體直徑兩個核心要素，猶如生物DNA 的雙螺旋決定了火箭的演化進程；模型與算法［8-9］則是引領(lǐng)火箭智能化和重復(fù)使用的新引擎，正在反向重塑運載火箭全生命周期的各個環(huán)節(jié)。

本文從歷史和產(chǎn)品兩個維度分析運載火箭的演進歷程，尋找影響運載火箭演進方向的內(nèi)在關(guān)鍵指標，并在此基礎(chǔ)之上給出我國運載火箭的優(yōu)化方向。最后，結(jié)合未來航天運輸發(fā)展的新格局，提出運載智能技術(shù)發(fā)展的建議。

1 國外運載火箭的演進

1.1 演進歷史

1.1.1 空間載荷發(fā)射需求

截至2019 年底，全球共成功發(fā)射了8 916 個空間飛行器，俄羅斯和美國的數(shù)量最多，兩國發(fā)射數(shù)量占全球發(fā)射總數(shù)的77.19%。在軌運行的空間飛行器共計2 498 個，其中美國數(shù)量最多（1 162 個，占比46.52%），中國首次超越歐洲，以384 個的數(shù)量位列第2。

這些空間飛行器主要包含通信、導(dǎo)航、遙感、科學(xué)試驗衛(wèi)星及飛船，其中，高軌通信衛(wèi)星質(zhì)量集中分布在5～7 t；中軌導(dǎo)航衛(wèi)星的質(zhì)量分布在0.7～1.7 t；低軌遙感衛(wèi)星的質(zhì)量主要分布在小型（0.5～1.0 t）、中型（3～5 t）和大型（13～17 t）3 個區(qū)間。飛船和空間站艙段質(zhì)量分布在8～20 t。統(tǒng)計分析全球已部署的空間載荷情況，可知對近地軌道10 t 和20 t 運載能力的火箭需求較大。

1.1.2 發(fā)展階段劃分

人類在1957 年實施首次航天發(fā)射以來，世界運載火箭經(jīng)歷了“爭奪太空霸權(quán)”“確保技術(shù)領(lǐng)先”“實現(xiàn)高效可靠”等發(fā)展階段，如圖1 所示。2015 年12 月美國SpaceX 商業(yè)航天公司成功垂直回收火箭一子級，2017 年3 月首次實現(xiàn)回收火箭重復(fù)使用，引領(lǐng)運載火箭進入以可重復(fù)使用為核心特征的“創(chuàng)新發(fā)展模式”階段。

圖1 運載火箭演進歷史Fig.1 Evolution history of launch vehicles

第1 階段：1957—1981 年，全力爭奪太空霸權(quán)。以政治、軍事需求為核心，從1957 年衛(wèi)星號首次發(fā)射，1961 年聯(lián)盟號實現(xiàn)首次載人，1969 年Saturn Ⅴ首次載人登月，實現(xiàn)運載火箭“從無到有”。

第2階段：1981—2002年，確保技術(shù)領(lǐng)先。20世紀70年代美、蘇在航天運輸領(lǐng)域轉(zhuǎn)向發(fā)展重復(fù)使用技術(shù)，1981 年美國部分重復(fù)使用航天飛機首飛，1987 年能源號火箭首飛［10］。同期美、蘇、歐洲運載火箭“從有到全”快速完善型譜，實現(xiàn)任務(wù)需求的能力全覆蓋，并啟動了“模塊化、系列化”的新運載火箭研制。

第3階段：2002—2015年，Atlas Ⅴ、Delta Ⅳ、Ariane Ⅴ系列火箭［11-12］逐步成為進入空間主力，實現(xiàn)高可靠、高任務(wù)適應(yīng)進入空間，完成了“從全到優(yōu)”的跨越，未能按研制要求大幅降低發(fā)射費用。

第4 階段：2015 年至今，空間探索公司創(chuàng)新運載火箭發(fā)展模式，以第一性原理重塑運載火箭設(shè)計制造理念，創(chuàng)新變革產(chǎn)品配套方式，實現(xiàn)了火箭一子級垂直回收并重復(fù)使用［13-14］，實現(xiàn)了“從優(yōu)到卓越”。

1.2 演進規(guī)律

運載火箭發(fā)展始終追求“高可靠、高任務(wù)適應(yīng)性和高經(jīng)濟性”，故其演進的顯性評判指標是發(fā)動機和箭體直徑。發(fā)動機性能提升50%或者箭體直徑增大50%以上，兩者滿足其一即標志著運載火箭走過了一個產(chǎn)品周期，而重復(fù)使用則是運載火箭實現(xiàn)卓越的主要評判指標。

對于各具備航天能力的國家，其任務(wù)需求、設(shè)計理念和基礎(chǔ)保障能力均存在差異，導(dǎo)致各自的火箭發(fā)展路線也不盡相同。從產(chǎn)品研制期、成長期、成熟期和衰退期審視所有的運載火箭產(chǎn)品（至今研制了一百余種270 余種構(gòu)型運載火箭）：以執(zhí)行50 次以上發(fā)射任務(wù)為門限，完成1 個周期演進的運載火箭4 個系列（聯(lián)盟、質(zhì)子、天頂、大力神等），完成2 個周期演進的運載火箭有3 個系列（Delta、Atlas、Ariane 系列），完成3 個周期產(chǎn)品演進的僅有獵鷹系列火箭。對完成2 個產(chǎn)品演進周期運載火箭的發(fā)展模式進行分析，歸納出普適的內(nèi)在演進規(guī)律，具體分為2 種模式：傳統(tǒng)運載火箭升級模式和新研運載火箭創(chuàng)新模式。

1.2.1 傳統(tǒng)運載火箭升級模式

傳統(tǒng)運載火箭主要包括源于彈道導(dǎo)彈的Delta和Atlas 系列，以及源于歐洲號改的Ariane 系列。見表1、圖2～圖4 所示，Delta、Atlas 及后Vulcan 運載火箭以單芯級為基礎(chǔ)，通過捆綁拓展能力；Ariane 系列的構(gòu)型在Arian Ⅳ之前以單芯級為主，通過捆綁拓展能力，Ariane Ⅴ后以大固體+氫氧模式為主。雖然，以上3 個系列火箭各自發(fā)展路線不同，但內(nèi)在演進規(guī)律是相同的，可劃分為2 個演進周期。

圖2 Delta 系列運載火箭演進Fig.2 Evolution of Delta series launch vehicles

圖3 Atlas 系列運載火箭演進Fig.3 Evolution of Atlas series launch vehicles

圖4 Ariane 系列運載火箭演進Fig.4 Evolution of Ariane series launch vehicles

表1 Delta、Atlas 與Ariane 系列運載火箭演進主要參數(shù)［15］Tab.1 Main parameters of Delta，Atlas，and Ariane series launch vehicles

第1 個周期由“有”到“全”，3 個系列火箭均從單芯級起步，并在任務(wù)驅(qū)動下持續(xù)通過提升發(fā)動機推力、加長子級模塊、增加末子級、捆綁固體/液體助推［16-17］和選用先進子系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)/電氣）等方式增加運載火箭任務(wù)覆蓋度，在達到LEO 5.0～6.5 t、GTO 3 t 的運載能力后，3 個系列火箭演進到能力上限。

第2 個周期由“全”到“優(yōu)”，以任務(wù)需求為牽引，基于新箭體和新發(fā)動機構(gòu)建運載火箭型譜。Atlas Ⅴ、Delta Ⅳ單芯級構(gòu)型運載能力LEO 10 t/GTO 5 t，并通過捆綁小固體/通用芯級助推和增加新型上面級來構(gòu)建高可靠、高任務(wù)適應(yīng)性的全新運載火箭型譜。Ariane Ⅴ基本型運載能力選擇LEO 16 t/GTO 6.9 t，同樣通過助推升級/更換氫氧上面級將運載能力提升到LEO 21 t/ GTO 10.5 t［18］。

第2.5 個周期由“優(yōu)”到“精”，美國正研制Vulcan系列替代Atlas Ⅴ和Delta Ⅳ，發(fā)動機選用藍源的BE-4［19-21］。歐洲則正在研制Ariane Ⅵ，芯級沿用大氫氧的思路，助推則以整體式替換大型分段，并通過捆綁2/4 個助推實現(xiàn)運載能力梯度覆蓋。Ariane Ⅵ固體助推與織女號火箭一子級的固體發(fā)動機通用。

1.2.2 新研運載火箭創(chuàng)新模式

作為新研火箭，獵鷹系列運載火箭［22-24］的演進可劃分為4 個周期，如表2 和圖5 所示。第1 周期由“無”到“有”，以液氧煤油小火箭（1 臺Merlin 1A/C+1.2 m 箭體）突破運載技術(shù)；第2 周期由“有”到“精”，以采用全液氧煤油動力的兩級單芯級火箭（9 臺Merlin 1C/D+Φ3.66 m 箭體）達到傳統(tǒng)大型捆綁火箭性能；第3 周期由“精”到“卓越”，一子級多次垂直回收（2021 年3 月24 日B1051.9 模塊第9 次發(fā)射并成功回收）；第4 周期由“卓越”到“產(chǎn)業(yè)化”，正在開展大規(guī)模進出空間和完全重復(fù)使用演示驗證（28 臺猛禽+9 m 箭體）。

圖5 獵鷹系列運載火箭演進Fig.5 Evolution of Falcon series launch vehicles

表2 獵鷹系列運載火箭演進主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of Falcon series launch vehicles

1.3 演進關(guān)鍵指標

火箭構(gòu)型、運載能力、發(fā)射費用和運載效率是評判運載火箭可靠性、任務(wù)適應(yīng)性、市場競爭力和技術(shù)先進性的顯性指標，而捆綁助推、選用高性能末子級等是實現(xiàn)運載火箭型譜拓展的常規(guī)手段，選用高性能發(fā)動機、輕質(zhì)化材料、先進電氣等則是以系統(tǒng)進步提升火箭綜合性能。以上這些都不是引導(dǎo)運載火箭演進的內(nèi)在關(guān)鍵指標。

引領(lǐng)運載火箭演進的內(nèi)在關(guān)鍵指標是面推比，其定義為起飛推力除以當量面積（kN/m2）。表征單位當量面積上的推力量級，可衡量發(fā)動機與箭體直徑的匹配度。此指標能夠從頂層定量評判運載火箭演進效果。如表3 和圖6～圖7 所示，只有實現(xiàn)這個指標的持續(xù)增長，運載火箭的升級換代方能提升發(fā)射效能。因此，須以此指標引領(lǐng)運載火箭向正確的方向演進。

圖7 Atlas、獵鷹和長征系列運載火箭當量面推比變化Fig.7 Area-thrust ratios of Atlas，F(xiàn)alcon，and Long March series launch vehicles

表3 主流發(fā)動機與箭體匹配的面推比Tab.3 Area-thrust ratios of main engines corresponding to rocket bodies

圖6 國內(nèi)外主要發(fā)動機尺寸對比Fig.6 Size comparison of main engines at home and abroad

由圖7 可知，Atlas、獵鷹系列火箭在產(chǎn)品演進過程中，一子級面推比增加。Atlas、獵鷹與長征系列火箭因推進劑密度相近，面推比具有可比性，由高到低分別為獵鷹系列、Atlas 系列、我國現(xiàn)役運載火箭、我國新一代運載火箭。我國現(xiàn)役基礎(chǔ)模塊（YF-20C+Φ3.35 m）與Atlas Ⅴ基礎(chǔ)模塊（RD-180+Φ3.81 m）面推比相近，比獵鷹九基礎(chǔ)模塊（Merlin 1D+Φ3.66 m）面推比低54.5%，比新一代基礎(chǔ)模塊（YF-100+Φ3.35 m）高24.5%，也即新一代基礎(chǔ)模塊（YF-100+Φ3.35 m）發(fā)動機與箭體匹配度較差。

2 中國長征系列運載火箭的演進

2.1 演進歷史

如圖8 所示，長征系列火箭在20 世紀70 年代初實現(xiàn)了由“無”到“有”［25-28］，而后基于YF-20 系列發(fā)動機和Φ3 350 mm 箭體持續(xù)拓展（增加高性能末子級/捆綁助推）。2015 年長征六號首飛，2016 年長征五號首飛，我國運載火箭實現(xiàn)了從“有”到“全”的能力覆蓋，未來將從“全”向“優(yōu)”、向“精”再向“卓越”邁進。

圖8 長征系列運載火箭演進Fig.8 Evolution of Long March series launch vehicles

我國先研制發(fā)動機，再由任務(wù)引領(lǐng)運載火箭立項研制（長征五號、長征七號等）［29-31］，而后由底向上規(guī)劃運載火箭型譜。

新一代火箭的新研模塊面推比偏低，使得型譜效能偏低。如Φ3.35 m 模塊（安裝兩臺YF-100）面推比為269.57 kN/m2，而現(xiàn)役常規(guī)Φ3.35 m 模塊面推比為335.67 kN/m2。

2.2 優(yōu)化方向

YF-100 發(fā)動機預(yù)計是未來15 年我國新一代火箭的主動力［32-33］，基于YF-100 發(fā)動機的火箭產(chǎn)品優(yōu)化主要2 種模式：

1）優(yōu)選現(xiàn)有模塊。如圖9 所示，綜合考慮面推比、通用性、任務(wù)適應(yīng)性等，基礎(chǔ)級模塊優(yōu)選3.35 m直徑布置2 臺YF-100 模塊作為通用芯級；末子級模塊優(yōu)選3.35 m 直徑布置YF-115、3.35 m 直徑布置YF-75 系列，構(gòu)建單芯級近地軌道5 t、通用芯級捆綁近地軌道15 t 火箭精簡型譜。

圖9 3 種基礎(chǔ)模塊基本能力覆蓋Fig.9 Basic capabilities of three basic modules

2）新研高效能模塊。以最優(yōu)面推比為約束，經(jīng)優(yōu)化可得出的結(jié)論：3.8 m 直徑4 臺YF-100K 發(fā)動機、5.0 m 直徑7 臺YF-100K 發(fā)動機可實現(xiàn)我國YF-100 發(fā)動機與箭體的較優(yōu)匹配。這2 種基本模塊如圖10 所示，其面推比約為440 kN/m2，相比3.35 m直徑布置2 臺YF-100 模塊面推比提升65%，與新格林和獵鷹九V1.0 基礎(chǔ)模塊面推比相近，達到國外先進火箭水平。

圖10 2 種新研基礎(chǔ)模塊Fig.10 Two kinds of new basic modules

基于此2 種基本模塊，構(gòu)建的單芯級火箭近地軌道運載能力分別為10 t、20 t 級，而后通過上面級、通用芯級捆綁可以大幅提升任務(wù)覆蓋效率。

3 運載火箭智能技術(shù)展望

隨著以微電子、微機電、微機光電為代表的電子技術(shù)、信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展及更多智能化技術(shù)應(yīng)用，運載火箭正在向智能化轉(zhuǎn)變。智能技術(shù)賦能運載火箭，大幅提升了運載火箭可靠性、任務(wù)適應(yīng)性，實現(xiàn)了垂直起降和重復(fù)使用。

狹義的運載火箭智能技術(shù)發(fā)展以控制技術(shù)為主軸主線，逐步應(yīng)用系統(tǒng)冗余、專家系統(tǒng)、統(tǒng)計模型、機器學(xué)習(xí)等新技術(shù)和硬件，實現(xiàn)本體與環(huán)境的在線辨識、運載能力在線評估與規(guī)劃和控制在線重構(gòu)等，具備個體強適應(yīng)、任務(wù)快響應(yīng)等特點。

廣義的運載火箭智能技術(shù)發(fā)展則以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能為基礎(chǔ)，通過全生命周期數(shù)據(jù)的充分利用和挖掘，實現(xiàn)建模、仿真、制造、試驗和發(fā)射服務(wù)自主迭代和升級，具備航班化、智能化和模塊化的特征。

3.1 運載火箭智能技術(shù)應(yīng)用回顧

運載火箭早期運用靜態(tài)點火和牽制釋放技術(shù)，力爭在起飛前發(fā)現(xiàn)并排除故障，以提升可靠性。而后通過地面和飛行試驗構(gòu)建故障診斷專家系統(tǒng)，在火箭飛行中進行快速故障診斷，以最優(yōu)控制、動力冗余實現(xiàn)部分非致命故障下的控制重構(gòu)，如圖11所示。

圖11 飛行故障辨識與智能控制Fig.11 Fault identification and intelligent control for flight

故障模型是動力系統(tǒng)故障辨識的基礎(chǔ)，計算機則為運載火箭飛行中的軌跡在線規(guī)劃提供了高端算力。20 世紀NASA 研制了用于SSME 地面試車過程監(jiān)控的“異常與故障檢測系統(tǒng)”（SAFD），統(tǒng)計了7 種型號發(fā)動機（MA-3、MA-5、RS-27、F-1、H-1、J-2、SSME）的85 000 次故障，并歸結(jié)為16 種故障模式，而后通過故障模型在箭上應(yīng)用持續(xù)提升故障準確判定能力。

1968 年阿波羅6 號任務(wù)時，土星五號二級5 臺J-2 發(fā)動機中的1 臺關(guān)閉，通過關(guān)閉對稱1 臺發(fā)動機，延長三子級工作時間保障了飛船入軌。1985 年挑戰(zhàn)者號升空后，安全系統(tǒng)關(guān)閉了1 臺故障發(fā)動機并完成了飛行試驗。2012 年獵鷹9 火箭發(fā)射龍飛船，第1 級1 號發(fā)動機壓力驟降，控制系統(tǒng)關(guān)閉發(fā)動機，并計算了新的上升軌跡，最終將龍飛船準確送入軌道。2017 年獵鷹9 火箭實現(xiàn)一子級模塊首次重復(fù)使用［34-37］。

在20 世紀90 年代，我國載人運載火箭（CZ-2F）全面使用了系統(tǒng)級冗余技術(shù)和專家診斷系統(tǒng)，提高了火箭故障適應(yīng)能力。2010 年以來，我國將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用于遠征（YZ）上面級的姿控系統(tǒng)中，提升了各種任務(wù)的適應(yīng)能力和智能化水平。目前垂直起降重復(fù)使用方向已經(jīng)驗證了基于凸優(yōu)化理論在線軌跡規(guī)劃的可實現(xiàn)性和有效性，實驗室狀態(tài)下檢驗了G-FOLD 算法制導(dǎo)著陸精度［38］。

3.2 運載火箭智能技術(shù)發(fā)展

為推進我國運載火箭智能技術(shù)發(fā)展，可借助一次性運載火箭向精益化發(fā)展契機，系統(tǒng)推進的一體化精細化設(shè)計、故障自診斷及安全隔離、自主在線規(guī)劃與自適應(yīng)控制等核心技術(shù)如圖12 所示，降低載荷和力學(xué)環(huán)境綜合，準確預(yù)示環(huán)境邊界條件，實現(xiàn)部分故障下發(fā)射任務(wù)適應(yīng)性，大幅提升飛行可靠性和運載能力。

圖12 運載火箭新技術(shù)發(fā)展體系Fig.12 New technology development system of launch vehicles

此外，還應(yīng)聚焦垂直起降重復(fù)使用，突破發(fā)動機深度節(jié)流與多次啟動、運載火箭故障診斷與重構(gòu)、信息技術(shù)智能管理、高速再入精確制導(dǎo)等技術(shù)，提升火箭飛行智能化水平，實現(xiàn)重復(fù)使用的工程應(yīng)用。

未來則應(yīng)數(shù)字化重塑航天發(fā)射產(chǎn)品，以數(shù)字孿生推動航天發(fā)射產(chǎn)品的物理域與虛擬域全面融合，實現(xiàn)航天發(fā)射智能化和產(chǎn)業(yè)化，主要包括［39-41］：1）連接。火箭產(chǎn)品的全生命周期的產(chǎn)品互聯(lián)，解決人和人、人和產(chǎn)品、產(chǎn)品和產(chǎn)品的連接問題。2）數(shù)據(jù)。連接后產(chǎn)生集成和協(xié)同，協(xié)同過程自然會產(chǎn)生數(shù)據(jù)。3）智能。數(shù)據(jù)經(jīng)過加工和提煉，形成智能化分析應(yīng)用。

最終利用數(shù)字化技術(shù)（例如云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈等）、能力驅(qū)動火箭研制模式創(chuàng)新和生態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)，實現(xiàn)運載火箭研制、制造、試驗、發(fā)射服務(wù)、再次使用的轉(zhuǎn)型、創(chuàng)新和增長。

4 結(jié)束語

我國運載火箭正在從“全”向“優(yōu)”“精益”“卓越”發(fā)展，未來運載火箭將從“機械定義”和“電子電器定義”步入到“軟件定義”的新時代。布局下一代火箭發(fā)展，需要推動總體、結(jié)構(gòu)、動力、電氣（信息）和基礎(chǔ)能力等一體化發(fā)展，引領(lǐng)運載火箭突破重復(fù)使用和智能化技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。