□朱雄峰 程洪瑋 劉 陽(yáng) 雍子豪 王一杉 周城宏

目前我國(guó)發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)的歸口單位或主責(zé)單位眾多，并隨著商業(yè)航天的蓬勃興起而致研制單位眾多[1]。由于缺少高效的溝通交流機(jī)制，發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)目前頂層規(guī)劃方面存在政出多門、型譜不統(tǒng)一、對(duì)話環(huán)境不一致等問題，規(guī)劃與規(guī)劃之間的交互往往需要進(jìn)行“編碼”和“解碼”，大大阻礙了行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，為此有必要統(tǒng)一技術(shù)發(fā)展頂層規(guī)劃。本文著眼體系、規(guī)格和劃代三個(gè)頂層規(guī)劃急需統(tǒng)一的問題，提出構(gòu)建全國(guó)“一張?bào)w系(發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)體系構(gòu)成)”“一個(gè)規(guī)格(發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)規(guī)格劃分)”“一種劃代(發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)劃代標(biāo)準(zhǔn))”，為我國(guó)發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)主責(zé)單位、研制單位和使用單位提供統(tǒng)一對(duì)話環(huán)境，支撐發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)軟環(huán)境建設(shè)。

一、發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)的體系構(gòu)成

(一)總體考慮。發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)主要用于將航天器、人員或物資投送到指定空間，通常包括運(yùn)載火箭、天地往返飛行器等。綜合而言，本文將發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)劃分為常態(tài)進(jìn)入空間、快速進(jìn)入空間、軌道轉(zhuǎn)移部署、天地往返運(yùn)輸、遠(yuǎn)程跨域投送五位一體的體系。

(二)體系構(gòu)成。

1.常態(tài)進(jìn)入空間。是指主要利用中大型固體或液體運(yùn)載火箭，按照既定的發(fā)射計(jì)劃，以陸基大型固定發(fā)射為主要樣式，其他發(fā)射樣式為補(bǔ)充，常態(tài)化地將各類航天器投送至指定軌道。按照系統(tǒng)分類，可進(jìn)一步分為中大型固體運(yùn)載火箭和中大型液體運(yùn)載火箭。

2.快速進(jìn)入空間。是指主要利用小型固體或液體運(yùn)載火箭，按照快速制定的發(fā)射方案，以公路機(jī)動(dòng)發(fā)射為主要樣式，?；?、空基發(fā)射等其他發(fā)射等其他樣式為補(bǔ)充，及時(shí)高效將小型航天器送入軌道。按照系統(tǒng)分類，可進(jìn)一步分為小型陸基發(fā)射運(yùn)載火箭、空基發(fā)射運(yùn)載火箭和海基發(fā)射運(yùn)載火箭等。

3.軌道轉(zhuǎn)移部署。是指主要利用運(yùn)載火箭上面級(jí)或軌道轉(zhuǎn)移飛行器，以多星發(fā)射軌道轉(zhuǎn)移部署為主要樣式，快速機(jī)動(dòng)變軌樣式為補(bǔ)充，完成航天器從地面至空間或空間至空間的軌道機(jī)動(dòng)和部署。按照系統(tǒng)分類，可進(jìn)一步分為運(yùn)載火箭上面級(jí)和軌道轉(zhuǎn)移飛行器等。

4.天地往返運(yùn)輸。是指主要利用重復(fù)使用運(yùn)載火箭或組合動(dòng)力飛行器，以垂直發(fā)射垂直返回、垂直發(fā)射水平返回、水平發(fā)射水平返回為主要樣式，將各類航天器投送到指定軌道，同時(shí)可將指定軌道的航天器離軌返回地面。按照系統(tǒng)分類，可進(jìn)一步分為火箭動(dòng)力天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)和組合動(dòng)力天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)等。

5.遠(yuǎn)程跨域投送。是指主要利用亞軌道飛行器，以垂直發(fā)射垂直返回、垂直發(fā)射水平返回、水平發(fā)射水平返回為主要樣式，將各類物資從地面投送空間或從地面投送至地面。按照系統(tǒng)分類，可進(jìn)一步分為火箭動(dòng)力遠(yuǎn)程跨域投送系統(tǒng)和組合動(dòng)力遠(yuǎn)程跨域投送系統(tǒng)等。

二、發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)的規(guī)格劃分

(一)總體考慮。根據(jù)近年來(lái)運(yùn)載火箭的研制進(jìn)展，中型主力火箭的運(yùn)載能力有增加趨勢(shì)(如作為主力火箭的Falcon 9運(yùn)載能力LEO 22.8t)，同時(shí)國(guó)際上對(duì)重型火箭的運(yùn)載能力認(rèn)識(shí)趨于統(tǒng)一(LEO≥100t)，對(duì)新出現(xiàn)Falcon 9H火箭(LEO 63.8t)等既不能歸類于重型火箭，也不合適歸類于大型火箭，因此本文新設(shè)超大型火箭。綜合而言，本文將運(yùn)載火箭規(guī)格劃分為小型、中型、大型、超大型和重型火箭，同時(shí)由于其他運(yùn)輸系統(tǒng)，如天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)、遠(yuǎn)程跨域投送系統(tǒng)等目前型號(hào)研制尚在起步過程，現(xiàn)階段規(guī)格劃分參照運(yùn)載火箭的規(guī)格劃分。

(二)規(guī)格劃分。

1.小型運(yùn)載火箭。是指近地軌道運(yùn)載能力4t以下的運(yùn)載火箭，具有集成度高、快速發(fā)射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，通常以固體運(yùn)載火箭為主。國(guó)外主要型號(hào)包括Minotaur(LEO 0.34t)、Pegasus(LEO 0.44t)、Rokot、Kosmos(LEO 0.3t)、Vega(LEO2.3t)；我國(guó)主要型號(hào)包括CZ-11、KZ-1A等(LEO<1t)。

2.中型運(yùn)載火箭。是指近地軌道運(yùn)載能力4～25t，具有綜合性能和綜合效費(fèi)比高、通用適配能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)射數(shù)量占比高，因此往往也稱為中型主力運(yùn)載火箭，通常以液體運(yùn)載火箭為主、固體運(yùn)載火箭為輔。國(guó)外主要型號(hào)包括Delta Ⅳ(LEO 9～22t)、Atlas V(LEO 9～19t)、Falcon 9(LEO 22.8t)、Antares(LEO 5.5t)、Soyuz(LEO 7.2～8.2t)、Proton(LEO 19.76～23.0t)、Zenit(LEO～13.92t)；我國(guó)主要型號(hào)包括CZ-2/3/4/7/8等，運(yùn)載能力(LEO<14t)。

3.大型運(yùn)載火箭。是指近地軌道運(yùn)載能力25～50t，具有單次投送能力強(qiáng)、整流罩包絡(luò)大，可用于發(fā)射大型異構(gòu)載荷，也可用于一箭多星批量發(fā)射，通常以液體運(yùn)載火箭為主。國(guó)外主要型號(hào)包括Delta ⅣH(LEO28.3t)；我國(guó)主要型號(hào)包括CZ-5系列火箭，運(yùn)載能力(LEO25t)。

4.超大型運(yùn)載火箭。是指近地軌道運(yùn)載能力50～100t，此類型運(yùn)載火箭重點(diǎn)面向載人航天和深空探測(cè)等任務(wù)，專用型相對(duì)較強(qiáng)，通常以液體運(yùn)載火箭為主。國(guó)外主要型號(hào)包括Falcon 9H(LEO 63.8t)；我國(guó)主要型號(hào)包括正在研制過程中的新載人火箭，運(yùn)載能力(LEO>50t)。

5.重型運(yùn)載火箭。是指近地軌道運(yùn)載能力100t以上，此類型運(yùn)載火箭重點(diǎn)面向載人深空探測(cè)、大規(guī)?？臻g開發(fā)等，專用性相對(duì)較強(qiáng)，通常以液體運(yùn)載火箭為主。

我國(guó)中型主力運(yùn)載能力LEO 14t(CZ-7)，對(duì)比美國(guó)中型主力運(yùn)載能力LEO 22.8t(Falcon)；我國(guó)大型運(yùn)載能力LEO 25t(CZ-5B)，美國(guó)大型運(yùn)載能力LEO 28.3t(Delta ⅣH)；美國(guó)超大型運(yùn)載能力LEO 63.8t(Falcon 9H)，我國(guó)在該領(lǐng)域尚屬空白；重型運(yùn)載火箭均在論證或研制過程中。運(yùn)載能力是衡量一個(gè)國(guó)家進(jìn)入空間能力的最重要指標(biāo)，上述對(duì)比可以看出，我國(guó)與航天強(qiáng)國(guó)美國(guó)在各種規(guī)格的運(yùn)載能力上仍有一定的差距，有待進(jìn)一步發(fā)展和提升。

三、發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)的劃代標(biāo)準(zhǔn)

(一)總體考慮。系統(tǒng)劃代將發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)按照一定的技術(shù)指標(biāo)、發(fā)展脈絡(luò)和發(fā)展規(guī)律進(jìn)行代際劃分，可為理論和工程界提供統(tǒng)一的對(duì)話標(biāo)準(zhǔn)。本文[2～3]按照聚類分析方法并結(jié)合指標(biāo)評(píng)分法，將我國(guó)現(xiàn)役運(yùn)載火箭分為四代，并前瞻考慮未來(lái)第五代和第六代運(yùn)載火箭。綜合而言，本文考慮發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)的綜合性能、綜合效費(fèi)比、可靠性和安全性、環(huán)境適應(yīng)性、使用維護(hù)性等方面進(jìn)行劃分，將發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)分為五代。

(二)劃代標(biāo)準(zhǔn)。

1.第一代發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)。從戰(zhàn)略武器型號(hào)改進(jìn)而來(lái)，重點(diǎn)解決運(yùn)載火箭有無(wú)問題，運(yùn)載能力、入軌精度等總體性能較低，使用維護(hù)性差，發(fā)射場(chǎng)測(cè)發(fā)周期長(zhǎng)，采用模擬控制系統(tǒng)，產(chǎn)品性能較低。國(guó)外典型型號(hào)包括美國(guó)的Juno、Thor、Titan等運(yùn)載火箭；俄羅斯(含前蘇聯(lián))的Sputnik、Luna、Vostok等運(yùn)載火箭；我國(guó)典型型號(hào)包括CZ-1、FB-1等運(yùn)載火箭。

2.第二代發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)。繼承了戰(zhàn)略武器型號(hào)技術(shù)并進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，采用了數(shù)字控制系統(tǒng)，在綜合性能、綜合效費(fèi)比、可靠性等方面有較大提升。國(guó)外典型型號(hào)包括美國(guó)的Delta 2000、Delta 3000、Delta Ⅱ等運(yùn)載火箭；俄羅斯(含前蘇聯(lián))的Soyuz、Kosmos、Tsklon、Proton等運(yùn)載火箭；我國(guó)典型型號(hào)包括CZ-2/3/4系列運(yùn)載火箭。

3.第三代發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)。采用全新的動(dòng)力系統(tǒng)，通常是無(wú)毒無(wú)污染的先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)，采用全箭統(tǒng)一總線技術(shù)和先進(jìn)電氣設(shè)備，運(yùn)載能力和運(yùn)載效率得到了大幅提升。國(guó)外典型型號(hào)包括美國(guó)的Delta Ⅳ、Atlas V、Antares、SLS等運(yùn)載火箭；俄羅斯的Zenit、Angara等運(yùn)載火箭；我國(guó)典型型號(hào)包括CZ-5/6/7/8系列運(yùn)載火箭。

4.第四代發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)。采用多次啟動(dòng)重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)推力深度調(diào)節(jié)、多次啟動(dòng)、輕質(zhì)高強(qiáng)材料等，同時(shí)采用智能化控制技術(shù)，具備多次重復(fù)使用能力，運(yùn)載能力和運(yùn)載效率大幅提升，發(fā)射成本大幅降低。國(guó)外的典型型號(hào)包括美國(guó)的Falcon 9/9H、SuperHeavy-Starship(在研)、New Green(在研)等運(yùn)載火箭；俄羅斯的Amur(在研)等重復(fù)使用運(yùn)載火箭；我國(guó)目前尚無(wú)工程化型號(hào)。

5.第五代發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)。采用吸氣組合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，如RBCC、TBCC、SABRE發(fā)動(dòng)機(jī)等，可在大氣層、臨近空間和太空多域最優(yōu)適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)跨域飛行，通常采用水平起降方式可最終實(shí)現(xiàn)單級(jí)入軌，該代發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)航班式進(jìn)入太空的有效手段。國(guó)外典型型號(hào)包括應(yīng)該SKYLON(在研)等發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)；國(guó)內(nèi)尚無(wú)工程化型號(hào)，主要在開展組合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

美國(guó)發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)已經(jīng)成功跨入第四代，其4.1代系統(tǒng)已經(jīng)完全工程化和實(shí)用化，發(fā)射成本已降到折合低軌1.51萬(wàn)元人民幣每公斤，具有極強(qiáng)的綜合性能和綜合效費(fèi)比，并且正在發(fā)展4.2代系統(tǒng)，具有完全重復(fù)使用能力，預(yù)期將再一次掀起發(fā)射運(yùn)輸領(lǐng)域的科技革命。相比我國(guó)發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)目前仍停留在第三代，且沒有相對(duì)明確的重復(fù)使用工程型號(hào)，這與美國(guó)已形成事實(shí)上的代差，需直面挑戰(zhàn)、趕超先進(jìn)、跨代發(fā)展，為經(jīng)略太空提供堅(jiān)實(shí)保障。

四、結(jié)語(yǔ)

本文著眼部分解決需求側(cè)的頂層規(guī)劃問題，借鑒航空運(yùn)輸領(lǐng)域的頂層規(guī)劃方法，在體系構(gòu)成上將發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)分為5類、在系統(tǒng)規(guī)格上將發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)分為5型、在系統(tǒng)劃代上將發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)分為5代，上述頂層規(guī)劃考慮可供發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)主責(zé)單位、研制單位和使用單位提供統(tǒng)一的對(duì)話環(huán)境，為我國(guó)發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)盡快彌補(bǔ)差距、跨代發(fā)展提供支撐。