王 玨，蔡巧言，王 飛，聞 悅

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

0 引 言

重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)是指基于天地往返運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)送有效載荷快速廉價(jià)進(jìn)入空間、駐留空間實(shí)施在軌服務(wù)，以及攜帶空間載荷按需返回地面等功能的航天運(yùn)載器系統(tǒng)，其目標(biāo)是發(fā)展“廉價(jià)、快速、可靠”的航天運(yùn)輸工具，既是航天運(yùn)輸技術(shù)的重要發(fā)展方向，也是實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)出、有效利用空間的重要手段。

為了貫徹重復(fù)使用設(shè)計(jì)理念和簡(jiǎn)易發(fā)射方式，有效縮短發(fā)射周期、提高發(fā)射靈活性，與一次性航天器相比，重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)發(fā)射運(yùn)行維護(hù)提出了新的需求。本文深入分析了重復(fù)使用運(yùn)載器的研制特點(diǎn)及難點(diǎn)，從運(yùn)維中心、快速發(fā)射、檢測(cè)與評(píng)估等方面梳理了重復(fù)使用對(duì)發(fā)射運(yùn)維的需求，有力支撐重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)自由進(jìn)出空間、高效利用空間、和平開(kāi)發(fā)空間。

1 國(guó)外重復(fù)使用技術(shù)發(fā)展概述

1.1 美國(guó)

美國(guó)高度重視重復(fù)使用技術(shù)，持續(xù)開(kāi)展了重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、飛行試驗(yàn)與應(yīng)用，其發(fā)展歷程如圖1 所示。

圖1 美國(guó)重復(fù)使用技術(shù)發(fā)展歷程Fig.1 Development of Reusable Launch Vehicles in the U.S.

當(dāng)前，美國(guó)通過(guò)政府層面和私營(yíng)公司層面多途徑并行發(fā)展重復(fù)使用技術(shù)。政府層面，首要目標(biāo)是降低成本，發(fā)展火箭動(dòng)力多級(jí)入軌運(yùn)輸系統(tǒng)。重復(fù)使用運(yùn)載器作為運(yùn)輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)級(jí)或助推器首先實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用；開(kāi)展空間運(yùn)載器技術(shù)驗(yàn)證飛行試驗(yàn)，積累空間運(yùn)載器的使用經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)，瞄準(zhǔn)未來(lái)發(fā)展，積極開(kāi)展組合動(dòng)力關(guān)鍵技術(shù)研究，為實(shí)現(xiàn)單級(jí)入軌奠定技術(shù)基礎(chǔ)。私營(yíng)公司方面，積極開(kāi)展垂直起降火箭、亞軌道運(yùn)載器等重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)用研究。

1.2 歐洲

歐洲重復(fù)使用技術(shù)的發(fā)展由早期的一味追求先進(jìn)性轉(zhuǎn)而發(fā)展成漸進(jìn)式研究，當(dāng)前強(qiáng)調(diào)技術(shù)推動(dòng)并滿足商業(yè)需求，但尚未形成國(guó)家級(jí)計(jì)劃，其發(fā)展歷程如圖2所示。

圖2 歐洲重復(fù)使用技術(shù)發(fā)展歷程Fig.2 Development of Reusable Launch Vehicles in Europe

1.3 俄羅斯

俄羅斯/蘇聯(lián)早期為了同美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)，研制了暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)，因其操作費(fèi)用過(guò)高而未獲得實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)前在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、飛回式助推器技術(shù)取得重要突破，其發(fā)展歷程如圖3 所示。

圖3 俄羅斯重復(fù)使用技術(shù)發(fā)展歷程Fig.3 Development of Reusable Launch Vehicles in Russia

2 重復(fù)使用運(yùn)載器研制特點(diǎn)及難點(diǎn)

2.1 任務(wù)特點(diǎn)

重復(fù)使用運(yùn)載器兼具“星、箭、船、彈、飛機(jī)”特點(diǎn)，飛行任務(wù)跨越多個(gè)空域，速度范圍涵蓋多個(gè)速域，是一種全新的航天器。與一次性使用航天器相比，重復(fù)使用運(yùn)載器的任務(wù)特點(diǎn)包括：天地往返、重復(fù)使用，承載靈活、服務(wù)多樣，自主返航、水平著陸，維護(hù)方便、成本低廉等。

a）天地往返，重復(fù)使用。

重復(fù)使用運(yùn)載器在任務(wù)剖面、使用環(huán)境、設(shè)計(jì)理念上與傳統(tǒng)一次性航天器很不相同，設(shè)計(jì)上更加復(fù)雜，除了考慮任務(wù)剖面內(nèi)各飛行階段的環(huán)境外，高可靠性、重復(fù)使用性、可維修保障等必須在運(yùn)載器設(shè)計(jì)之初即通盤(pán)考慮。

b）承載靈活，服務(wù)多樣。

重復(fù)使用運(yùn)載器可根據(jù)不同任務(wù)需求靈活承載不同載荷，既可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；l(fā)射、應(yīng)急發(fā)射等高密度發(fā)射活動(dòng)，快速廉價(jià)執(zhí)行低成本發(fā)射民用任務(wù)；也可執(zhí)行快速進(jìn)出空間操作，有效執(zhí)行空間支援等軍事任務(wù)，以及攜帶空間載荷按需返回地面等。

c）自主返航，水平著陸。

重復(fù)使用運(yùn)載器完成空間任務(wù)結(jié)束后，離軌再入大氣層，自主飛行控制返回，水平著陸于指定著陸場(chǎng)跑道。這是運(yùn)載器實(shí)現(xiàn)天地往返、重復(fù)使用的基礎(chǔ)能力。

d）維護(hù)方便，成本低廉。

重復(fù)使用運(yùn)載器可以像常規(guī)飛機(jī)一樣進(jìn)行快速維修維護(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)10 天10 次發(fā)射甚至更高的重復(fù)飛行目標(biāo)，可以滿足運(yùn)載器再次發(fā)射的快速維護(hù)保障需求，維護(hù)成本低廉。

重復(fù)使用運(yùn)載器與一次性航天器對(duì)比如表1所示。

表1 重復(fù)使用運(yùn)載器與一次性航天器對(duì)比Tab.1 Comparison Between Reusable Launch Vehicle and Expensable Spacecraft

2.2 研制特點(diǎn)

與一次性航天器相比，重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)研制的關(guān)鍵在于如何解決由一次性使用向有限次重復(fù)使用轉(zhuǎn)變的問(wèn)題，并兼顧技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性和經(jīng)濟(jì)可承受性。從總體頂層權(quán)衡性能和經(jīng)濟(jì)性，構(gòu)建重復(fù)使用技術(shù)指標(biāo)體系，具備全壽命周期自主保障能力和健康管理能力，確保實(shí)現(xiàn)高可靠、長(zhǎng)壽命、低成本。同時(shí)面向運(yùn)載器的重復(fù)使用，解決總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱防護(hù)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)與起落架設(shè)計(jì)、動(dòng)力設(shè)計(jì)、控制設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、產(chǎn)品制造等方面的問(wèn)題。

a）總體設(shè)計(jì)方面。

重復(fù)使用運(yùn)載器飛行任務(wù)剖面涵蓋類(lèi)似運(yùn)載火箭的發(fā)射上升段，也涵蓋類(lèi)似衛(wèi)星的在軌運(yùn)行段，同時(shí)還涵蓋類(lèi)似飛船的再入返回段及飛機(jī)的進(jìn)場(chǎng)著陸與滑跑停機(jī)等階段，設(shè)計(jì)上需綜合考慮各個(gè)階段涉及的熱環(huán)境、力學(xué)環(huán)境、電磁環(huán)境、空間環(huán)境等。

重復(fù)使用總體技術(shù)指標(biāo)體系如圖4 所示。從避免發(fā)生故障角度確保運(yùn)載器重復(fù)使用能力，需要考慮冗余裕度設(shè)計(jì)等，涉及壽命指標(biāo)和可靠性指標(biāo)。從提前發(fā)現(xiàn)故障角度確保運(yùn)載器重復(fù)使用能力，涉及預(yù)測(cè)與健康管理指標(biāo)。從解決故障的角度確保運(yùn)載器重復(fù)使用能力，涉及維護(hù)維修指標(biāo)。運(yùn)載器可靠性設(shè)計(jì)需重點(diǎn)關(guān)注任務(wù)可靠性、基本可靠性（平均故障間隔時(shí)間）和壽命指標(biāo)。

圖4 重復(fù)使用總體技術(shù)指標(biāo)體系Fig.4 Indicator System of Reusable Launch Vehicle General Design

此外，總體頂層設(shè)計(jì)還需要提出重復(fù)使用次數(shù)（經(jīng)濟(jì)性）、使用壽命、測(cè)試性指標(biāo)、健康狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)等指標(biāo)要求。

重復(fù)使用全壽命周期費(fèi)用組成如圖5 所示，包括研制費(fèi)用、制造費(fèi)用、發(fā)射費(fèi)用、操作維護(hù)費(fèi)用和其他費(fèi)用。

圖5 重復(fù)使用全壽命周期費(fèi)用組成Fig.5 Life Cycle Cost Composition of Reusable Launch Vehicle

生產(chǎn)架次與飛行次數(shù)對(duì)應(yīng)的平均壽命周期費(fèi)用如圖6 所示。生產(chǎn)制造架次越多，單架單次飛行平均全壽命周期費(fèi)用越低，運(yùn)載器生產(chǎn)制造架次達(dá)到3 架次以上時(shí)，單架單次飛行平均全壽命周期費(fèi)用開(kāi)始逐步收斂并趨平穩(wěn)。

圖6 生產(chǎn)架次與飛行次數(shù)對(duì)應(yīng)的平均壽命周期費(fèi)用Fig.6 Average Life Cycle Cost Corresponding to the Number of Production for Different Numbers of Flights per Vehicle

單架飛行次數(shù)對(duì)應(yīng)的平均壽命周期費(fèi)用如圖7 所示。單架飛行次數(shù)越多，單架單次飛行平均全壽命周期費(fèi)用越低，飛行次數(shù)大于10 次時(shí)，單架單次飛行平均全壽命周期費(fèi)用逐步收斂并趨于平穩(wěn)。

圖7 單架飛行次數(shù)對(duì)應(yīng)的平均壽命周期費(fèi)用Fig.7 Average Life Cycle Cost Corresponding to the Number of Flights per Vehicle

b）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。

傳統(tǒng)一次性航天器注重結(jié)構(gòu)的極限承載，以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度為主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，而重復(fù)使用運(yùn)載器與飛機(jī)類(lèi)似，更注重結(jié)構(gòu)重復(fù)使用壽命，通過(guò)設(shè)計(jì)確保使用壽命內(nèi)的結(jié)構(gòu)完整性，以結(jié)構(gòu)完整性大綱為依據(jù)，建立完善的重復(fù)使用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系，除了最基礎(chǔ)的靜強(qiáng)度、剛度、損傷容限及耐久性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則外，設(shè)計(jì)還需面向各種環(huán)境下的使用維護(hù)進(jìn)行評(píng)估分析。

c）熱防護(hù)設(shè)計(jì)方面。

熱防護(hù)在再入過(guò)程中面臨復(fù)雜的氣動(dòng)力、熱、噪聲和振動(dòng)等外界環(huán)境，尤其是氣動(dòng)熱環(huán)境引起的溫度問(wèn)題尤為突出。熱防護(hù)需要滿足非燒蝕特性以保證氣動(dòng)外形和熱結(jié)構(gòu)的可重復(fù)使用性，這對(duì)材料體系提出了很高的要求。此外，活動(dòng)部件的熱密封問(wèn)題也是熱防護(hù)設(shè)計(jì)上需重點(diǎn)解決關(guān)鍵問(wèn)題。

d）機(jī)構(gòu)與起落架設(shè)計(jì)方面。

重復(fù)使用運(yùn)載器在機(jī)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和壽命設(shè)計(jì)上與飛機(jī)遵循著類(lèi)似要求，同時(shí)由于使用環(huán)境不同，重復(fù)使用運(yùn)載器還需要機(jī)構(gòu)和起落架系統(tǒng)適應(yīng)空間環(huán)境，這些均是傳統(tǒng)一次性航天器研制中未涉及的新需求。

e）動(dòng)力設(shè)計(jì)方面。

無(wú)論主發(fā)動(dòng)機(jī)，還是姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)，重復(fù)使用運(yùn)載器均對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用提出了迫切的需求，這需要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)按照重復(fù)使用的設(shè)計(jì)理念開(kāi)展設(shè)計(jì)。

f）導(dǎo)航制導(dǎo)控制設(shè)計(jì)方面。

重復(fù)使用運(yùn)載器復(fù)雜的任務(wù)剖面決定了其使用的導(dǎo)航設(shè)備多、制導(dǎo)控制模式多、執(zhí)行機(jī)構(gòu)多，控制上往往是多執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)復(fù)合控制，控制冗余重構(gòu)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。

g）健康管理設(shè)計(jì)方面。

飛機(jī)的使用環(huán)境是大氣層內(nèi)，而重復(fù)使用運(yùn)載器不僅需要在大氣層內(nèi)飛行，還需要承受外空間環(huán)境的巨大溫差和惡劣的輻射環(huán)境等問(wèn)題，傳感器選型、傳感器布點(diǎn)和信號(hào)傳輸與處理是健康管理設(shè)計(jì)的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。首先，在空間環(huán)境工作的傳感器選型是一大難點(diǎn)。其次，由于使用環(huán)境惡劣，傳感器的布點(diǎn)很有局限性，極可能采集不到關(guān)鍵特征值，傳感器布點(diǎn)也是一大難點(diǎn)。再次，在巨大溫差和惡劣的輻射環(huán)境，部分傳感器采集的信號(hào)會(huì)在重復(fù)使用運(yùn)載器上直接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，很多數(shù)據(jù)需要打包發(fā)送到地面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并返回重復(fù)使用運(yùn)載器上，極可能使采集的信號(hào)傳遞有誤，造成虛警或者誤判斷，甚至誤操作。

h）試驗(yàn)方面。

重復(fù)使用運(yùn)載器的飛行任務(wù)剖面決定了其研制試驗(yàn)項(xiàng)目既要參考傳統(tǒng)運(yùn)載火箭和衛(wèi)星的研制試驗(yàn)項(xiàng)目，設(shè)置力學(xué)試驗(yàn)（包括靜力、模態(tài)等）、電功能測(cè)試、電磁兼容試驗(yàn)等，同時(shí)也要參考飛機(jī)設(shè)置疲勞、伺服彈性、起落架收放、牽引滑跑等試驗(yàn)。另外重復(fù)使用運(yùn)載器再入面臨的嚴(yán)峻氣動(dòng)加熱問(wèn)題、再入熱噪聲問(wèn)題、高載荷高熱流下的冷熱結(jié)構(gòu)匹配問(wèn)題，是傳統(tǒng)一次性航天器和飛機(jī)所不需要考慮的新問(wèn)題，這些新問(wèn)題也需要采取試驗(yàn)手段進(jìn)行考核和驗(yàn)證，對(duì)試驗(yàn)設(shè)施、試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)實(shí)施等均提出新要求。

i）產(chǎn)品制造方面。

重復(fù)使用運(yùn)載器輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求需要大量采用復(fù)合材料，并廣泛采用一體化成型技術(shù)，這些需求對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)研制、工藝成型、批生產(chǎn)等的能力均有很高的要求。需要深入開(kāi)展復(fù)合材料成型工藝優(yōu)化與工程化研制能力研究，實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)化成型能力，滿足大尺寸整體輕質(zhì)化和高性能化的需要；實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件鋪層設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、車(chē)間制造等全過(guò)程的仿真模擬數(shù)字流貫通，滿足批產(chǎn)要求等。此外，與一次性航天器和飛機(jī)不同，重復(fù)使用運(yùn)載器非燒蝕熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)高效防熱、低密度熱結(jié)構(gòu)、防隔熱瓦、隔熱氈等均有很高的要求，對(duì)熱防護(hù)材料的制備工藝穩(wěn)定性、批生產(chǎn)能力等也有迫切需求。

2.3 工程研制難點(diǎn)

重復(fù)使用運(yùn)載器系統(tǒng)復(fù)雜，面臨著安全性要求與維修保障費(fèi)用高的實(shí)際問(wèn)題，為提高裝備的任務(wù)可靠度，滿足運(yùn)載器高可靠性及安全性的需求，需要重點(diǎn)突破快速測(cè)試與發(fā)射、故障診斷與健康評(píng)估、重復(fù)使用無(wú)損檢測(cè)、產(chǎn)品維修與保障等方面的能力。

a）快速測(cè)試與發(fā)射。

快速測(cè)試與發(fā)射的目的是通過(guò)提高重復(fù)使用運(yùn)載器地面測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試軟件的通用化水平，設(shè)計(jì)優(yōu)化測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試流程，在不降低測(cè)試覆蓋率和可靠性的基礎(chǔ)上提高測(cè)試效率。需要攻關(guān)的技術(shù)包括一體化測(cè)發(fā)控、測(cè)發(fā)控系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)、前后端網(wǎng)絡(luò)通信一體化冗余設(shè)計(jì)、綜合檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)、通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、通用化軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)、一體式發(fā)射臺(tái)快速發(fā)射技術(shù)等。

b）故障診斷與健康評(píng)估。

通過(guò)測(cè)量設(shè)備完成狀態(tài)信息和機(jī)上診斷信息的交互，將關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳送到地面，以地面高性能計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，結(jié)合歷次測(cè)試和飛行的歷史數(shù)據(jù)，以及各分系統(tǒng)診斷模型，對(duì)診斷數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，分析飛行過(guò)程中運(yùn)載器的健康狀態(tài)，根據(jù)故障性質(zhì)、嚴(yán)重程度和影響進(jìn)行綜合決策，并將信息提供給指揮決策人員。指揮人員的決策信息通過(guò)器地通信鏈路，上傳到運(yùn)載器執(zhí)行。同時(shí)，在運(yùn)載器返回地面后，對(duì)完整的器上狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行全面分析，進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)上健康管理系統(tǒng)。需要攻關(guān)的技術(shù)包括地面預(yù)測(cè)與健康管理體系架構(gòu)、健康表征及影響評(píng)估、預(yù)測(cè)與健康管理測(cè)試性驗(yàn)證、智能故障檢測(cè)、故障診斷與自主重構(gòu)、壽命預(yù)測(cè)與健康評(píng)估及基于大數(shù)據(jù)挖掘的健康診斷技術(shù)等。

c）重復(fù)使用無(wú)損檢測(cè)。

重復(fù)使用運(yùn)載器返回著陸后需要通過(guò)快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)檢查運(yùn)載器熱防護(hù)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)件的粘結(jié)脫粘、結(jié)構(gòu)損傷、運(yùn)載器三維外形匹配性等內(nèi)容，確保重復(fù)使用運(yùn)載器的質(zhì)量與安全，為快速?gòu)?fù)飛提供技術(shù)支撐。需要攻關(guān)的技術(shù)包括典型熱防護(hù)材料與部件無(wú)損檢測(cè)準(zhǔn)則及損傷容限評(píng)估準(zhǔn)則、結(jié)構(gòu)部件與關(guān)鍵支撐件無(wú)損檢測(cè)準(zhǔn)則及損傷容限評(píng)估準(zhǔn)則、復(fù)雜氣動(dòng)外形重構(gòu)技術(shù)、復(fù)雜曲率三維異形熱防護(hù)系統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、典型結(jié)構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)技術(shù)等。

d）產(chǎn)品維修與保障。

建立重復(fù)使用運(yùn)載器的三級(jí)維護(hù)維修方法，明確各級(jí)狀態(tài)下運(yùn)載器的重要部位維護(hù)維修需求和指標(biāo)要求：一級(jí)維護(hù)核心是例行維護(hù)；二級(jí)維護(hù)核心是執(zhí)行可更換組件的修復(fù)；三級(jí)維護(hù)將執(zhí)行大規(guī)模的返修、修復(fù)和特殊工藝設(shè)備的整修，并提供操作現(xiàn)場(chǎng)所不具備設(shè)備和設(shè)施。需要攻關(guān)的技術(shù)包括全壽命周期自主保障體系、運(yùn)載器壽命管理技術(shù)、健康狀態(tài)輔助決策技術(shù)、故障重演及三維顯示定位技術(shù)、運(yùn)行維修方法與流程、各分系統(tǒng)維護(hù)及后處理技術(shù)等。

3 重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)射運(yùn)維需求

對(duì)于重復(fù)使用運(yùn)載器，其發(fā)射成本包括運(yùn)載器研制成本和運(yùn)行維護(hù)成本。相比于一次性航天器，重復(fù)使用運(yùn)載器除要求實(shí)現(xiàn)運(yùn)載器快速組裝、簡(jiǎn)化發(fā)射、快速測(cè)試、無(wú)人值守測(cè)試發(fā)射外，同時(shí)要求對(duì)返回后的運(yùn)載器進(jìn)行多次檢測(cè)維護(hù)，維護(hù)成本要低，效率要高，以滿足重復(fù)使用運(yùn)載器在全壽命周期內(nèi)具備良好的運(yùn)行使用性。

重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)射運(yùn)維設(shè)想如圖8 所示。

圖8 重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)射運(yùn)維設(shè)想Fig.8 Concept of Reusable Launch Vehicle Operation and Maintenance

現(xiàn)階段，重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)射及運(yùn)行維護(hù)需考慮的關(guān)鍵技術(shù)或問(wèn)題包括：a）建立一套重復(fù)使用運(yùn)載器運(yùn)行維護(hù)中心，中心設(shè)置管理系統(tǒng)進(jìn)行日常管理與檢修工作；b）通過(guò)簡(jiǎn)化發(fā)射平臺(tái)、并行高效的測(cè)試流程、無(wú)人值守發(fā)射技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)射；c）通過(guò)全運(yùn)載器無(wú)損檢測(cè)、全運(yùn)載器故障診斷、自動(dòng)化綜合預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載器重復(fù)使用檢測(cè)與評(píng)估。

3.1 重復(fù)使用運(yùn)載器運(yùn)行維護(hù)中心

運(yùn)行維護(hù)中心由總裝廠、發(fā)射場(chǎng)、著陸場(chǎng)三級(jí)運(yùn)行維護(hù)體系組成，承擔(dān)著重復(fù)使用運(yùn)載器全壽命周期的檢測(cè)、維護(hù)、評(píng)估和修理工作?？傃b廠維保中心用于重復(fù)使用運(yùn)載器檢測(cè)、評(píng)估、大修及大部件更換，設(shè)有備件庫(kù)。發(fā)射場(chǎng)維保中心是維護(hù)保障中心的核心，承擔(dān)著發(fā)射和任務(wù)階段的例行維護(hù)與任務(wù)維護(hù)工作。著陸場(chǎng)維保中心承擔(dān)著運(yùn)載器在跑道著陸后的簡(jiǎn)易處理和拆解轉(zhuǎn)運(yùn)工作，設(shè)有簡(jiǎn)易廠房。

重復(fù)使用運(yùn)載器運(yùn)行維護(hù)流程如圖9 所示。在總裝廠維保中心完成產(chǎn)品總裝及總測(cè)工作，以確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)狀態(tài)滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，總裝總測(cè)完成后，將部分試驗(yàn)產(chǎn)品進(jìn)行拆解并分別公路運(yùn)輸至發(fā)射場(chǎng)保障中心；在發(fā)射場(chǎng)保障中完成全運(yùn)載器總裝和總測(cè)，運(yùn)至發(fā)射塔架，完成加注燃料、起豎及射前檢測(cè)等工作。之后開(kāi)展飛行試驗(yàn)，飛行試驗(yàn)后在跑道上進(jìn)行危險(xiǎn)推進(jìn)劑處理后轉(zhuǎn)運(yùn)至著陸場(chǎng)維護(hù)保障中心，進(jìn)行處理、維護(hù)、拆解，轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射場(chǎng)維保中心，完成發(fā)射準(zhǔn)備工作后具備再次發(fā)射條件。經(jīng)檢測(cè)后，若發(fā)射場(chǎng)維保中心不具備維修條件，則需轉(zhuǎn)運(yùn)回總裝廠房維保中心進(jìn)行大修。

圖9 重復(fù)使用運(yùn)載器典型運(yùn)行維護(hù)流程Fig.9 Typical Operation and Maintenance Procedure of Reusable Launch Vehicle

運(yùn)行維護(hù)中心設(shè)置管理系統(tǒng)提供對(duì)整個(gè)運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)的日常管理與檢修工作，尤其是運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)中心的管理和維護(hù)。運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)中心管理軟件平臺(tái)采用B/S 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，各系統(tǒng)工程師可通過(guò)終端登陸服務(wù)器，在任意時(shí)刻升級(jí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 運(yùn)載器快速發(fā)射

a）簡(jiǎn)易發(fā)射臺(tái)。

重復(fù)使用運(yùn)載器采用簡(jiǎn)易發(fā)射、便捷測(cè)試、快速健康評(píng)估、多次使用的全新設(shè)計(jì)理念，發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間短，要求實(shí)現(xiàn)發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間小于1 天，再次發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間小于2 天。對(duì)于簡(jiǎn)易發(fā)射臺(tái)的需求主要包括兩方面：a）大幅度降低對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的人力需求，可在更大范圍內(nèi)進(jìn)行發(fā)射；b）實(shí)現(xiàn)類(lèi)似飛機(jī)的航班化發(fā)射，如圖10 所示。

圖10 航班化發(fā)射場(chǎng)設(shè)想Fig.10 Concept of Flight-like Launch Site

b）并行高效的測(cè)試流程。

重復(fù)使用運(yùn)載器需建立快速測(cè)發(fā)控子系統(tǒng)，前端實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，后端通過(guò)技術(shù)專(zhuān)家遠(yuǎn)程支持減少測(cè)試操作人員，通過(guò)高速總線實(shí)現(xiàn)與運(yùn)載器的實(shí)時(shí)通信，快速搜集運(yùn)載器的自檢信息，依據(jù)專(zhuān)家知識(shí)系統(tǒng)自動(dòng)判讀，準(zhǔn)度定位故障并給出解決方案，支持重復(fù)使用運(yùn)載器快速發(fā)射。

c）無(wú)人值守發(fā)射技術(shù)。

目前中國(guó)液體運(yùn)載火箭在故障診斷、自主對(duì)接、故障隔離等技術(shù)上研究較少，自動(dòng)化程度不高，是造成運(yùn)載火箭的測(cè)試發(fā)射周期長(zhǎng)、成本高、危險(xiǎn)性大的主要原因之一，不適應(yīng)火箭快速測(cè)發(fā)的發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)重復(fù)使用運(yùn)載器24 h 內(nèi)發(fā)射、48 h 內(nèi)再次發(fā)射的要求，迫切需要開(kāi)展相關(guān)的理論與方法研究，以大流量低溫加注、自動(dòng)化加注、器地連接器自動(dòng)對(duì)接脫落和大噸位牽制釋放為發(fā)展方向，提升火箭發(fā)射效率，保證發(fā)射可靠性和安全性。

研究重點(diǎn)包括建設(shè)無(wú)人值守加注和發(fā)射流程數(shù)字仿真平臺(tái)，具備流程設(shè)計(jì)和故障注入仿真等功能，設(shè)計(jì)和優(yōu)化無(wú)人值守加注測(cè)試發(fā)射總體方案。建設(shè)無(wú)人加注值守試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證遠(yuǎn)程自主監(jiān)測(cè)及故障處理、連接器自主決策自動(dòng)對(duì)接、二次對(duì)接低溫密封等關(guān)鍵技術(shù)。

d）簡(jiǎn)潔高效的地面支持系統(tǒng)。

地面支持系統(tǒng)主要包括：運(yùn)輸設(shè)備，加注系統(tǒng)，推進(jìn)劑泄出系統(tǒng)，供氣系統(tǒng)，發(fā)射初始段發(fā)射環(huán)境防護(hù)系統(tǒng)，快速降溫系統(tǒng)，環(huán)境保障系統(tǒng)，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，產(chǎn)品整體起豎設(shè)備，吊裝輔助設(shè)備等。

為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔高效的地面支持系統(tǒng)，需要針對(duì)快速與機(jī)動(dòng)發(fā)射技術(shù)、低溫推進(jìn)劑快速加注技術(shù)、氣源及配氣臺(tái)快速制備及供氣技術(shù)、連接器快速對(duì)接與脫落技術(shù)、一體式發(fā)射臺(tái)快速發(fā)射技術(shù)、低溫甲烷貯存與運(yùn)輸技術(shù)、整體轉(zhuǎn)運(yùn)與起豎技術(shù)等開(kāi)展研究。

3.3 運(yùn)載器重復(fù)使用檢測(cè)與評(píng)估

a）檢測(cè)維護(hù)。

重復(fù)使用運(yùn)載器的檢測(cè)維修需要圍繞全壽命周期維修信息保障、測(cè)發(fā)控、熱防護(hù)檢測(cè)及維護(hù)、復(fù)合材料維護(hù)、電氣系統(tǒng)檢測(cè)及維護(hù)、增壓輸送系統(tǒng)檢測(cè)與維護(hù)等開(kāi)展研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)重復(fù)使用運(yùn)載器故障檢測(cè)與隔離、異常告警、健康診斷與評(píng)估、綜合維護(hù)輔助決策支持，建立快速測(cè)發(fā)控子系統(tǒng)，建立熱防護(hù)系統(tǒng)、復(fù)合材料構(gòu)件、電氣系統(tǒng)、增壓輸送系統(tǒng)的快速檢測(cè)及維護(hù)能力。

b）評(píng)估決策。

射前測(cè)試決策子系統(tǒng)負(fù)責(zé)重復(fù)使用運(yùn)載器每次射前測(cè)試到發(fā)射過(guò)程的全器健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估，根據(jù)診斷結(jié)果提出決策信息。射前測(cè)試決策系統(tǒng)所要獲取的測(cè)試信息種類(lèi)繁多，數(shù)據(jù)更新快速，通過(guò)全器健康評(píng)估軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。軟件以對(duì)預(yù)測(cè)與健康管理數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)和射前測(cè)試的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行全器健康狀態(tài)評(píng)估，給出定量評(píng)估結(jié)果和是否可以進(jìn)入下一次飛行過(guò)程的建議，供指揮人員決策參考。

4 結(jié)束語(yǔ)

航天運(yùn)輸系統(tǒng)是航天技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，重復(fù)使用是航天運(yùn)輸系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。發(fā)展航班化運(yùn)營(yíng)的重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速、高可靠、低成本、環(huán)保地進(jìn)出空間，能夠有效降低航天發(fā)射成本，有力支撐未來(lái)高密度、高頻次發(fā)射任務(wù)。發(fā)射運(yùn)維作為實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，有助于以更加經(jīng)濟(jì)有效的方式保證航天運(yùn)輸系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的使用效能和保障能力。通過(guò)梳理明確重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)于發(fā)射運(yùn)維的需求，支撐重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展，持續(xù)推進(jìn)航天領(lǐng)域的跨越式發(fā)展，將有力帶動(dòng)科技創(chuàng)新能力的大幅提高，推動(dòng)基礎(chǔ)學(xué)科和工程技術(shù)水平的整體提升。