李東，李平岐

1. 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076 2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076

20世紀(jì)90年代中期，隨著世界各國航天活動(dòng)的蓬勃開展和國際商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，運(yùn)載火箭在技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)和需求牽引下，進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。為滿足新世紀(jì)航天發(fā)射的需求，美國、俄羅斯和歐洲等主要航天國家和地區(qū)以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，廣泛遵循高可靠、低成本、模塊化的設(shè)計(jì)思路，采用無毒無污染推進(jìn)技術(shù)，開展了新一代一次性運(yùn)載火箭的研制，其主要目標(biāo)是降低火箭發(fā)射成本、提高可靠性、靈活性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。其中美國于1994年由美國國防部實(shí)施了改進(jìn)型一次性運(yùn)載火箭(EELV)發(fā)展計(jì)劃，研制了宇宙神V系列、德爾塔IV系列運(yùn)載火箭；俄羅斯、歐洲分別于1994年、1988年啟動(dòng)了安加拉系列、阿里安5運(yùn)載火箭的研制。進(jìn)入21世紀(jì)，上述火箭逐步實(shí)現(xiàn)首飛并投入工程應(yīng)用，進(jìn)入空間能力普遍達(dá)到近地軌道20噸級(jí)、地球同步轉(zhuǎn)移軌道10噸級(jí)[1-3]。

2010年，SpaceX公司的獵鷹9火箭成功發(fā)射；2012年，獵鷹9火箭在執(zhí)行其首次國際空間站任務(wù)中，在1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降的情況下，通過故障診斷及在線重規(guī)劃技術(shù)順利完成發(fā)射任務(wù)；2015年12月23日，獵鷹9火箭首次實(shí)現(xiàn)了芯一級(jí)陸上垂直回收。獵鷹9系列火箭憑借其火箭子級(jí)和整流罩的回收與復(fù)用技術(shù)、故障診斷及在線重規(guī)劃等技術(shù)，對(duì)運(yùn)載火箭的技術(shù)發(fā)展帶來了巨大沖擊。其中，在降低發(fā)射成本方面，技術(shù)途徑由此前的“通用化、模塊化”向“重復(fù)使用”的技術(shù)轉(zhuǎn)變；在提高可靠性方面，技術(shù)途徑由“基于偏差設(shè)計(jì)”向“基于故障設(shè)計(jì)”的技術(shù)轉(zhuǎn)變。

獵鷹9火箭在重復(fù)使用領(lǐng)域取得了巨大成功，使得重復(fù)使用技術(shù)成為當(dāng)今世界火箭技術(shù)發(fā)展的重要方向，但一次性火箭在未來相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)仍將是進(jìn)入空間的重要力量。目前世界各航天大國均在實(shí)施各自下一代主力火箭更新計(jì)劃，包括美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟(ULA)的火神(Vulcan)火箭、俄羅斯的聯(lián)盟5火箭、歐洲的阿里安6火箭和日本的H3火箭等，在提升性能指標(biāo)的同時(shí)，這些火箭均把降低發(fā)射成本，提升任務(wù)的靈活性、適應(yīng)性作為主要研制目標(biāo)[4-6]。同時(shí)，各國也在積極推進(jìn)重型運(yùn)載火箭研制，美國在深空探測(cè)需求牽引下，基于航天飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)、大直徑箭體結(jié)構(gòu)、固體助推器等大量成熟技術(shù)，開展了重型運(yùn)載火箭太空發(fā)射系統(tǒng)(SLS)的研制工作；俄羅斯以載人登月為需求和目標(biāo)，2016年宣布研制其重型運(yùn)載火箭“葉尼塞”，該火箭充分利用 RD-171 和RD-180 等成熟發(fā)動(dòng)機(jī)，以聯(lián)盟5/6(Soyuz 5/6)火箭為基礎(chǔ)，通過捆綁來構(gòu)成，但受經(jīng)費(fèi)等因素限制，其研制工作在2021年已停止；SpaceX公司利用其獵鷹9的模塊并聯(lián)捆綁技術(shù)，研發(fā)成功了獵鷹9重型火箭，同時(shí)，其兩級(jí)可完全重復(fù)使用的“超重+星艦”也即將首飛。

長征五號(hào)(CZ-5)系列火箭是以大幅提升我國自主進(jìn)入空間的能力，滿足我國航天中長遠(yuǎn)戰(zhàn)略發(fā)展需求而研制的系列化大型運(yùn)載火箭。以CZ-5火箭為代表的新一代運(yùn)載火箭的成功研制及應(yīng)用，大幅提升了我國火箭的運(yùn)載能力和整體技術(shù)水平，但對(duì)比我國未來航天發(fā)展對(duì)運(yùn)載火箭的需求，以及國外運(yùn)載火箭的先進(jìn)水平，我國運(yùn)載火箭在進(jìn)入空間的最大能力、運(yùn)載效率、經(jīng)濟(jì)性等重要性能參數(shù)方面仍有差距；而在先進(jìn)技術(shù)方面，火箭的重復(fù)使用性、輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造、高性能火箭動(dòng)力等方面差距也很明顯。未來，還需立足我國國情，以滿足我國航天總體發(fā)展戰(zhàn)略的需求為指引，按照建設(shè)航天強(qiáng)國和世界一流的航天運(yùn)輸系統(tǒng)的總目標(biāo)，不斷地創(chuàng)新發(fā)展，以支撐我國航天強(qiáng)國建設(shè)，更好地服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)。

1 長征五號(hào)火箭研制

1.1 研制背景及意義

中國航天經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)獨(dú)立自主、自力更生的發(fā)展，形成了具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“長征”系列火箭(見圖1)，近地軌道(LEO)運(yùn)載能力達(dá)到8.6 t、太陽同步軌道(SSO)運(yùn)載能力達(dá)到6.2 t、地球同步轉(zhuǎn)移軌道(GTO)運(yùn)載能力達(dá)到5.5 t，支撐了中國航天五十余年的發(fā)展[7]。

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著我國社會(huì)主義強(qiáng)國建設(shè)的不斷推進(jìn)，國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)對(duì)航天的需求不斷增強(qiáng)。月球采樣返回、火星探測(cè)以及載人空間站工程等新時(shí)期國家重大航天工程對(duì)運(yùn)載火箭能力提出了成倍提高的要求。同時(shí)我國上一代火箭基礎(chǔ)級(jí)普遍采用四氧化二氮/偏二甲肼的有毒推進(jìn)劑，且發(fā)射場(chǎng)均在內(nèi)陸，箭體殘骸航落區(qū)安全問題突出。火箭的可靠性、安全性、適應(yīng)性、環(huán)境友好性等亟待提升。

而同期，世界主要航天強(qiáng)國均推出了各自的新一代運(yùn)載火箭，如美國宇宙神5系列、德爾塔4系列、歐洲阿里安5等。與之相比，我國僅有中型運(yùn)載火箭，大型火箭領(lǐng)域空白，火箭的運(yùn)載能力和整體技術(shù)水平與國外先進(jìn)水平的差距進(jìn)一步拉大[7]。研制無毒無污染的大型運(yùn)載火箭，大幅提升我國自主進(jìn)入空間能力，帶動(dòng)我國運(yùn)載火箭技術(shù)跨越，支撐國家重大航天工程任務(wù)實(shí)施和中國航天事業(yè)可持續(xù)發(fā)展，已成為當(dāng)時(shí)最迫切的需求。

正是在此背景下，我國啟動(dòng)了CZ-5火箭的研制工作。此時(shí)，獵鷹9火箭尚未開展研制，重復(fù)使用、故障診斷及容錯(cuò)重構(gòu)等創(chuàng)新技術(shù)尚在探索中。CZ-5火箭肩負(fù)的最重要的歷史使命是要填補(bǔ)我國大型火箭的空白，大幅提高進(jìn)入空間的能力，同時(shí)解決長征火箭急待解決的推進(jìn)劑毒、航落區(qū)安全性差等問題。CZ-5火箭按照一次性使用運(yùn)載火箭研制思路及準(zhǔn)則，瞄準(zhǔn)國家戰(zhàn)略發(fā)展需求開展論證和研制。從1986年的首屆“863計(jì)劃”起，經(jīng)過了長達(dá)20年的論證、預(yù)研及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，于2006年型號(hào)工程立項(xiàng)，再經(jīng)10年工程研制，2016年首飛圓滿成功[8]。

通過CZ-5火箭的研制，突破并掌握一大批具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全新技術(shù)，大幅提升我國運(yùn)載火箭整體技術(shù)水平，促進(jìn)我國新一代運(yùn)載火箭系列化和型譜化發(fā)展(見圖2)；構(gòu)建我國新一代運(yùn)載火箭的研制體系；建成天津新一代運(yùn)載火箭產(chǎn)業(yè)基地、亞洲規(guī)模最大的全箭振動(dòng)塔等大型地面設(shè)施，帶動(dòng)了海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)建設(shè)，使我國運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)及試驗(yàn)等研制基礎(chǔ)能力跨上了一個(gè)新臺(tái)階。同時(shí)帶動(dòng)了新材料體系、深低溫工程、大型裝備制造、先進(jìn)檢測(cè)與試驗(yàn)技術(shù)等基礎(chǔ)領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了我國運(yùn)載火箭整體技術(shù)水平的跨越發(fā)展。

截至2021年5月，CZ-5系列運(yùn)載火箭已經(jīng)進(jìn)行了7次發(fā)射。取得“天問一號(hào)”火星探測(cè)器、“嫦娥五號(hào)”月球采樣返回探測(cè)器、載人空間站工程“天和”核心艙、新一代載人飛船試驗(yàn)船以及新一代大型靜止軌道衛(wèi)星平臺(tái)等重大航天發(fā)射任務(wù)的圓滿成功。后續(xù)CZ-5火箭還將在空間站建設(shè)、深空探測(cè)、大型地球同步轉(zhuǎn)移軌道衛(wèi)星等國家重大航天工程任務(wù)中發(fā)揮核心作用。

1.2 主要技術(shù)創(chuàng)新

CZ-5火箭是我國運(yùn)載火箭升級(jí)換代的重大標(biāo)志性工程，在研制過程中，攻克了以全新構(gòu)型火箭的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)、5 m大直徑箭體結(jié)構(gòu)、無毒無污染低溫動(dòng)力等為代表的12類240余項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，形成了5大技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了我國火箭運(yùn)載能力和技術(shù)水平的重大跨越。

1)全新構(gòu)型和總體優(yōu)化技術(shù)

我國上一代運(yùn)載火箭以3.35 m直徑箭體結(jié)構(gòu)、75 t推力常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，經(jīng)過近50年的不斷改進(jìn)與發(fā)展，其運(yùn)載潛力已挖掘殆盡。為滿足進(jìn)入空間能力成倍提升的需求，需要基于全新箭體結(jié)構(gòu)和動(dòng)力技術(shù)，創(chuàng)新火箭構(gòu)型與總體方案。研制隊(duì)伍通過對(duì)近千種不同的火箭級(jí)數(shù)、箭體直徑、結(jié)構(gòu)形式、動(dòng)力組合的構(gòu)型方案進(jìn)行綜合迭代優(yōu)化，創(chuàng)新提出了5 m直徑氫氧芯級(jí)捆綁3.35 m直徑液氧煤油助推器的大型火箭構(gòu)型方案。構(gòu)型方案的確定綜合考慮了運(yùn)載火箭的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與特點(diǎn)、我國當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件與基礎(chǔ)，以及對(duì)我國運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展的牽引帶動(dòng)作用3方面的因素。

在火箭技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)方面，按照簡化系統(tǒng)方案、提高可靠性的思路，采用了大直徑少級(jí)數(shù)構(gòu)型的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。全新的構(gòu)型方案充分利用助推器液氧煤油動(dòng)力的大推力和高密度比沖，有效擴(kuò)大火箭規(guī)模、快速穿越大氣層；利用芯級(jí)氫氧動(dòng)力的高性能比沖，提供高效速度增量，不但使火箭的地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力由5.5 t躍升至14 t，近地軌道運(yùn)載能力由8.6 t躍升至25 t，同時(shí)還使得構(gòu)型整體比上一代火箭減少了一級(jí)：兩級(jí)半的CZ-5即可完成傳統(tǒng)的三級(jí)半火箭的任務(wù)，一級(jí)半的CZ-5B即可完成傳統(tǒng)的兩級(jí)半火箭的任務(wù)，CZ-5B也是當(dāng)今世界在役火箭中唯一一型可以一級(jí)半直接入軌的火箭(見圖3)。級(jí)數(shù)的減少可減少級(jí)間分離、發(fā)動(dòng)機(jī)高空起動(dòng)等影響火箭飛行成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，大幅降低系統(tǒng)復(fù)雜度、提高火箭飛行可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

這種全新構(gòu)型技術(shù)上最大的特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)了大推力液氧煤油動(dòng)力的助推器與小推力的氫氧芯級(jí)(芯一級(jí)本身的推重比小于1)的組合，利用助推器的大推力液氧煤油動(dòng)力確?；鸺钠痫w推力和火箭運(yùn)載規(guī)模，利于芯級(jí)的小推力、高比沖的氫氧動(dòng)力的長時(shí)間工作來實(shí)現(xiàn)少級(jí)數(shù)，可以將兩種動(dòng)力各自的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致。但這種全新構(gòu)型也帶來了捆綁與傳力設(shè)計(jì)、復(fù)雜力熱環(huán)境預(yù)示、大質(zhì)量柔性體分離、異種發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火安全控制等一系列火箭總體設(shè)計(jì)方面的難題。其技術(shù)本質(zhì)在于如何在少級(jí)數(shù)的情況下，保證火箭有足夠高的結(jié)構(gòu)效率，從而確保火箭的整體性能。

為大幅提升火箭運(yùn)載效率，型號(hào)創(chuàng)新提出了前捆綁傳力(見圖4)、懸掛貯箱(見圖5)等技術(shù)方案。其中前捆綁傳力技術(shù)，是我國首次突破大型火箭的這一核心技術(shù)。大型火箭助推器一般通過前后兩組捆綁機(jī)構(gòu)與芯級(jí)聯(lián)接，傳統(tǒng)火箭助推器的推力一般通過后捆綁點(diǎn)傳遞到芯級(jí)，稱為后傳力方案。而CZ-5火箭4個(gè)助推器的總推力超過千噸，推力從前捆綁點(diǎn)向芯級(jí)傳遞，可以使芯級(jí)大部分結(jié)構(gòu)不承受千噸級(jí)的軸向載荷，是實(shí)現(xiàn)芯級(jí)結(jié)構(gòu)輕量化、提高運(yùn)載能力的關(guān)鍵。但前捆綁傳力方案的核心技術(shù)國內(nèi)空白。為此型號(hào)研制了多球鉸自適應(yīng)前捆綁裝置，突破了復(fù)雜工況下結(jié)構(gòu)大變形的自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)，解決了傳力路徑長、變形協(xié)調(diào)困難的難題，有效提高了結(jié)構(gòu)效率和火箭運(yùn)載能力。

為了實(shí)現(xiàn)全箭氣動(dòng)外形最優(yōu)，火箭采用了助推器斜頭錐、馮·卡門外形整流罩等全新氣動(dòng)外形，解決了火箭氣動(dòng)特性高精度預(yù)示難題，消除了整流罩跨聲速脈動(dòng)壓力，實(shí)現(xiàn)全箭橫向載荷降低30%、零攻角阻力系數(shù)降低10%。

CZ-5火箭由2臺(tái)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)和 8臺(tái)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)地面同時(shí)點(diǎn)火，氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程排出大量氫氣，同區(qū)域液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)排出大量富氧燃?xì)?，直接擴(kuò)散、摻混后，會(huì)形成爆燃爆轟邊界很寬的混合介質(zhì)，不同推進(jìn)劑組元的兩種發(fā)動(dòng)機(jī)地面同時(shí)點(diǎn)火的安全控制技術(shù)在國內(nèi)空白。為此建立了氫的兩相流擴(kuò)散摻混模型，獲取了不同溫度、風(fēng)場(chǎng)下液氫排放和擴(kuò)散規(guī)律；通過在外場(chǎng)預(yù)置富氧粒子點(diǎn)火源，并精確控制富氫、富氧燃?xì)馀欧艜r(shí)序，解決了異類發(fā)動(dòng)機(jī)地面同時(shí)點(diǎn)火的安全控制重大難題。

此外，在總體技術(shù)方面，還突破了系列化火箭構(gòu)型設(shè)計(jì)技術(shù)、級(jí)間比兼容設(shè)計(jì)技術(shù)、簇式多噴管發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰作用下的尾段熱環(huán)境預(yù)示與防護(hù)技術(shù)、大型低溫火箭POGO抑制技術(shù)等核心技術(shù)。全新的火箭構(gòu)型和總體技術(shù)的突破，是CZ-5火箭實(shí)現(xiàn)運(yùn)載能力大幅提高、火箭減少級(jí)數(shù)、可靠性和經(jīng)濟(jì)顯著提升的核心關(guān)鍵。

2)大直徑箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造及試驗(yàn)技術(shù)

CZ-5火箭采用的全新5 m直徑輕量化箭體結(jié)構(gòu)，是擴(kuò)大火箭規(guī)模、提升運(yùn)載能力的重要技術(shù)途徑。我國上一代運(yùn)載火箭箭體主結(jié)構(gòu)最大直徑為3.35 m，研制5 m直徑大型箭體結(jié)構(gòu)，意味著我國過去50年積累的3.35 m箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、檢測(cè)等方法與技術(shù)，有許多不再適用，是對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)研制體系的全新挑戰(zhàn)。CZ-5火箭在設(shè)計(jì)方法上，發(fā)展了5 m直徑大承載、弱剛度結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)理論和基于有限元技術(shù)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法。在材料、工藝、制造上，首次采用高強(qiáng)鋁合金新型材料，自動(dòng)攪拌摩擦焊接、自動(dòng)鉚接等新工藝，全新研制了一整套適用于5 m直徑結(jié)構(gòu)的高精度制造裝備。在試驗(yàn)?zāi)芰ι?，充分利用液氮密度低、低溫下材料性能提升的特點(diǎn)，發(fā)明了液氮介質(zhì)內(nèi)壓檢測(cè)法，解決了大型低溫薄壁貯箱地面常規(guī)水壓試驗(yàn)載荷遠(yuǎn)超飛行載荷的難題。突破了大集中力、千噸級(jí)高軸壓、大彎矩和高內(nèi)壓載荷的多點(diǎn)協(xié)調(diào)平衡加載技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了5 m直徑薄殼結(jié)構(gòu)千噸級(jí)靜力加載試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

CZ-5火箭芯一級(jí)液氫貯箱工作在-253 ℃的超低溫區(qū)，容積是上一代火箭氫箱的8倍，貯箱容質(zhì)比提升50%以上，貯箱最小厚度僅3.5 mm，為解決由于徑厚比增大帶來的結(jié)構(gòu)過渡區(qū)附加應(yīng)力大幅增加的難題，CZ-5火箭在國內(nèi)首創(chuàng)了貯箱三心球冠底型(見圖6)、三角形薄壁網(wǎng)格加筋圓筒殼結(jié)構(gòu)，以及低二次應(yīng)力過渡環(huán)與筒段連接結(jié)構(gòu)，在貯箱主體結(jié)構(gòu)采用了精細(xì)化雙面應(yīng)力均化、多級(jí)過渡和剛度匹配設(shè)計(jì)技術(shù)，關(guān)鍵焊縫應(yīng)力水平降低30%以上。在制造環(huán)節(jié)，全面采用攪拌摩擦焊、懸空TIG(Tungsten Insert Gas welding)焊以及復(fù)雜曲面拉彎成型等先進(jìn)技術(shù)，建立了航天大型鋁合金構(gòu)件攪拌摩擦焊工藝-質(zhì)量-裝備-標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)體系。實(shí)現(xiàn)了我國大型低溫薄壁貯箱設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)技術(shù)的全面跨越。

由于采用了助推器前捆綁傳力技術(shù)，助推器推力需通過助推器斜頭錐可靠傳遞到芯級(jí)薄壁殼體，帶來了在有限空間內(nèi)偏置大集中載荷均勻擴(kuò)散的技術(shù)難題。CZ-5火箭單點(diǎn)捆綁載荷近300 t，數(shù)倍于上一代火箭捆綁載荷，為此，型號(hào)創(chuàng)新提出了偏置大集中力載荷高效傳遞擴(kuò)散方案，突破了傳力與布局兩級(jí)變構(gòu)型拓?fù)鋬?yōu)化和力與力矩定向解耦技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了芯級(jí)千噸級(jí)集中載荷的可靠傳遞和均勻擴(kuò)散。采用基于有限元技術(shù)的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)承載大集中載荷的芯級(jí)捆綁接頭進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了“兩側(cè)開叉、上端為樹枝狀”的結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)化前、后，捆綁接頭附近的氧箱局部結(jié)構(gòu)上最高應(yīng)力降低了200 MPa，應(yīng)力分布更為均勻，用僅48 kg輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了300 t級(jí)大承載和高效力擴(kuò)散(見圖7)。針對(duì)助推器斜頭錐承受單側(cè)大集中力的特殊工況，設(shè)計(jì)了鋁合金框桁-壁板-大梁鉚焊混合結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造性地在頭錐內(nèi)部設(shè)置了彎矩平衡梁，大幅降低了局部彎曲應(yīng)力，顯著改進(jìn)了結(jié)構(gòu)傳力路徑，提高了結(jié)構(gòu)效率。

3)高性能發(fā)動(dòng)機(jī)及動(dòng)力總體技術(shù)

CZ-5火箭采用全新無毒無污染動(dòng)力系統(tǒng)。通過型號(hào)的研制，牽引了我國三型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、YF-77大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)、YF-75D膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī))的發(fā)展和相應(yīng)的高可靠增壓輸送系統(tǒng)。

助推器的YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)，是我國首型高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，推力達(dá)120 t，是我國目前單臺(tái)推力最大的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。它采用高壓補(bǔ)燃循環(huán)技術(shù)，化學(xué)點(diǎn)火、自身啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以固定不擺，也可以單向或雙向擺動(dòng)。研制中突破了高壓大流量富氧燃?xì)獍l(fā)生器、高壓推力室煤油冷卻、大流量全進(jìn)氣低壓比富氧渦輪、渦輪泵軸向力平衡、預(yù)壓渦輪泵變螺距葉輪等一系列關(guān)鍵技術(shù)。使我國成為世界上繼蘇聯(lián)后，第2個(gè)掌握高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的國家。

芯一級(jí)YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)是我國首個(gè)地面點(diǎn)火起動(dòng)、推力最大、燃燒室壓力最高的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。與我國上一代氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)相比，真空推力由8 t級(jí)躍升至70 t級(jí)、推力提高9倍，燃燒室壓力提高2.5倍。這種地面點(diǎn)火的發(fā)動(dòng)機(jī)，面臨著我國傳統(tǒng)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)超臨界起動(dòng)方式不再適用的重大難題，為此在國內(nèi)首次構(gòu)建了針對(duì)液氫亞/超臨界工況低溫推進(jìn)劑單相/汽液兩相瞬態(tài)流動(dòng)與傳熱、渦輪泵和燃燒室噴霧燃燒等動(dòng)力學(xué)模型和數(shù)值仿真方法，提出了大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)亞臨界點(diǎn)火起動(dòng)控制方案，解決了液氫亞臨界工況下點(diǎn)火起動(dòng)帶來的低溫流體相變流動(dòng)、推力室冷卻結(jié)構(gòu)瞬態(tài)傳熱與防護(hù)、并聯(lián)氫氧渦輪起旋加速匹配控制等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)在亞臨界工況下的可靠安全點(diǎn)火起動(dòng)。

CZ-5火箭芯二級(jí)YF-75D發(fā)動(dòng)機(jī)是我國首型閉式膨脹循環(huán)、具有高空二次起動(dòng)能力的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，它的成功研制，也使我國成為繼美國之后，世界上第2個(gè)成功實(shí)現(xiàn)閉式膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)飛行的國家。YF-75D發(fā)動(dòng)機(jī)取消了傳統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的副系統(tǒng)，系統(tǒng)大幅簡化，零組件數(shù)量大量減少，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)固有可靠性，比沖性能在我國火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中處于最高水平。由于采用了不依賴外能源的箱壓自身起動(dòng)方案，帶來了初始起動(dòng)能量與外界環(huán)境相關(guān)、組件間動(dòng)態(tài)特性強(qiáng)耦合、低溫流體瞬態(tài)傳熱影響敏感等新挑戰(zhàn)，在國內(nèi)首次構(gòu)建了針對(duì)膨脹循環(huán)系統(tǒng)低溫推進(jìn)劑單相/汽液兩相瞬態(tài)流動(dòng)與傳熱、渦輪泵起旋爬升動(dòng)特性、推力室噴霧燃燒等仿真分析模型，創(chuàng)新提出了利用推力室夾套熱容作為初始起動(dòng)能源的自身起動(dòng)控制方案，解決了閉式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)推力室混合比控制、點(diǎn)火工況與加速性匹配等起動(dòng)技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)高空兩次可靠點(diǎn)火起動(dòng)和穩(wěn)定工作。

CZ-5火箭共配置12臺(tái)低溫發(fā)動(dòng)機(jī)，起動(dòng)前需將發(fā)動(dòng)機(jī)的相應(yīng)結(jié)構(gòu)預(yù)冷至液氫、液氧溫區(qū)，以滿足安全點(diǎn)火條件。傳統(tǒng)的排放預(yù)冷方案由于存在射前預(yù)冷與補(bǔ)加流程嵌套，保證多臺(tái)低溫發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)滿足并在各種邊界條件下均能可靠維持預(yù)冷條件非常困難。CZ-5火箭首次采用了基于永磁同步電機(jī)液氫循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)和氦氣引射循環(huán)的循環(huán)預(yù)冷方案(見圖8)，攻克了超低汽蝕裕度的氫循環(huán)泵、常溫氦氣與低溫推進(jìn)劑多相流引射與控制、低溫長輸送管涌泉抑制等關(guān)鍵技術(shù)，通過在發(fā)動(dòng)機(jī)與貯箱間建立低溫推進(jìn)劑循環(huán)流動(dòng)的方法，實(shí)現(xiàn)了3種、12臺(tái)低溫發(fā)動(dòng)機(jī)充分預(yù)冷并可靠維持，大幅提升了大型低溫火箭發(fā)射適應(yīng)性。

4)高可靠控制與大容量遙測(cè)技術(shù)

CZ-5火箭的全新構(gòu)型，需助推器和芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合擺動(dòng)，以滿足姿態(tài)控制需求，其難度在于：一是全新的助推與芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合搖擺控制方式，是中國長征火箭的首次，傳統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是將箭體的彈性特性簡化為三通道解耦的單純彎曲或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，而以CZ-5火箭為代表的新一代運(yùn)載火箭由于助推器長度大、質(zhì)量占比大、且前后捆綁點(diǎn)的跨距大使得全箭動(dòng)特性呈現(xiàn)低頻模態(tài)密集、空間耦合交聯(lián)嚴(yán)重、助推器局部模態(tài)顯著的復(fù)雜特征，傳統(tǒng)的火箭彈性特性建模方法及姿控穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法的適用性需要重新審視和研究；二是由于助推器發(fā)動(dòng)機(jī)推力占總推力90%(傳統(tǒng)火箭占比不超過50%)，助推發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)全箭控制力矩瞬時(shí)下降超過90%、干擾相比傳統(tǒng)火箭增大10倍以上，控制對(duì)象特性、控制力及干擾的瞬態(tài)變化程度均數(shù)倍于傳統(tǒng)火箭；三是5 m直徑結(jié)構(gòu)及全新捆綁傳力體系，造成全箭模態(tài)特性復(fù)雜、低頻模態(tài)密集、空間交聯(lián)耦合嚴(yán)重，相對(duì)傳統(tǒng)火箭，剛晃彈穩(wěn)定控制難度大幅增加。

CZ-5火箭是我國新一代運(yùn)載火箭中最早立項(xiàng)研制的，為解決這些難題，在國內(nèi)首次采用了助推器和芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合搖擺姿態(tài)穩(wěn)定控制方案，提出了基于空間模態(tài)的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)耦合建模方法，并在國內(nèi)首次應(yīng)用柔性多體動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)的方法進(jìn)行了有效驗(yàn)證，系統(tǒng)突破了慣性敏感元件選位、發(fā)動(dòng)機(jī)-伺服系統(tǒng)小回路精確模型、擺助推控制穩(wěn)定性分析等方法理論，掌握了大型液體運(yùn)載火箭擺助推控制這一關(guān)鍵技術(shù)。提出了助推器發(fā)動(dòng)機(jī)和芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)控制力動(dòng)態(tài)分配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了助推器發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)推力瞬間大幅下降情況下的姿態(tài)穩(wěn)定控制。

同時(shí)，CZ-5火箭在國內(nèi)首次提出了運(yùn)載火箭基于1553B總線的系統(tǒng)級(jí)冗余體系框架，構(gòu)建了基于異類慣組信息的三慣組、雙速率陀螺、冗余總線、具有高可靠動(dòng)態(tài)重構(gòu)能力的CZ-5火箭控制系統(tǒng)方案，相比于傳統(tǒng)的冗余技術(shù)，通過采用三慣組加表和陀螺、速率陀螺的立體矩陣式健康管理技術(shù)，可快速完成多維度加表和陀螺的故障判斷、隔離與重構(gòu)，可在線規(guī)劃的表級(jí)冗余重構(gòu)方案達(dá)700余種，火箭控制系統(tǒng)的魯棒性及慣性器件故障適應(yīng)能力大幅增強(qiáng)。

CZ-5火箭測(cè)量參數(shù)由我國上一代火箭約1 000路提高到5 500路，遙測(cè)總?cè)萘繌? Mbps提高到15 Mbps，單點(diǎn)頻遙測(cè)容量從2 Mbps提高到10 Mbps，需要確?；鸺谌我庾藨B(tài)下的遙測(cè)信息全向發(fā)送與接收，面臨無線傳輸距離顯著下降、5 m直徑箭體S、C波段全向繞射難題。針對(duì)上述難題，采用了TPC乘積碼與MSD多符號(hào)檢測(cè)組合調(diào)頻遙測(cè)增強(qiáng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了相同碼速率條件下無線傳輸距離提高2.5倍；創(chuàng)新采用彎曲振子天線與十字交叉振子兩種不同極化天線組合形式，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了5 m直徑箭體的全向高增益天饋系統(tǒng)。

5) 全新的測(cè)試發(fā)射模式和發(fā)射支持技術(shù)

為了提高發(fā)射可靠性、測(cè)試發(fā)射效率和自動(dòng)化程度，以及低溫加注后人員的安全性，同時(shí)更好地適應(yīng)海南的特殊氣候氣象條件，CZ-5火箭首創(chuàng)了“在活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)內(nèi)部集成了地面測(cè)發(fā)控前端設(shè)備的三垂”測(cè)發(fā)模式，其特點(diǎn)是火箭進(jìn)場(chǎng)后便直接在發(fā)射臺(tái)上完成組裝和箭地連接，在垂直技術(shù)廠房完成測(cè)試后，保持箭地接口狀態(tài)直接垂直轉(zhuǎn)運(yùn)到發(fā)射區(qū)完成發(fā)射，大幅簡化發(fā)射區(qū)測(cè)試操作，縮短在發(fā)射區(qū)的準(zhǔn)備時(shí)間，可有效應(yīng)對(duì)濱海發(fā)射場(chǎng)極端氣象條件多發(fā)、影響發(fā)射可靠性等問題。這種新的三垂測(cè)發(fā)模式方案成功在后續(xù)的CZ-7、CZ-8等新一代中型運(yùn)載火箭中推廣應(yīng)用。

2 000 t級(jí)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)是我國目前規(guī)模最大、功能最復(fù)雜、集成度最高的活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)(見圖9)，首次集成了支承、行走、供配電、供配氣、供液、垂直度調(diào)整等30余項(xiàng)系統(tǒng)功能及上千套地面測(cè)發(fā)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了火箭在發(fā)射場(chǎng)測(cè)試發(fā)射全流程箭地接口無間斷連接?；鸺痫w時(shí)刻10臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火，發(fā)射臺(tái)需承受的力熱環(huán)境嚴(yán)酷度遠(yuǎn)超上一代火箭。面臨著超高溫、強(qiáng)振動(dòng)、高噪聲等極端嚴(yán)酷力熱環(huán)境下可靠、安全發(fā)射難題。為此發(fā)明了基于多點(diǎn)支撐并帶有臍帶塔擺桿的活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)、大流量噴水降溫降噪系統(tǒng)、大流量氫氣快速安全處理系統(tǒng)等，攻克了復(fù)雜環(huán)境下多學(xué)科高度集成總體優(yōu)化、2 000 t平臺(tái)毫米級(jí)高精度行走自動(dòng)定位、非線性多目標(biāo)多約束條件下的12點(diǎn)高精度調(diào)平、嚴(yán)酷力、熱環(huán)境控制與防護(hù)、大流量噴水降溫降噪等關(guān)鍵技術(shù)，成功研制了國內(nèi)技術(shù)最先進(jìn)、承載能力最強(qiáng)、系統(tǒng)構(gòu)成最復(fù)雜、集成度最高的活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了我國運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)控模式和活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)技術(shù)跨越發(fā)展，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

通過CZ-5火箭的研制，我國運(yùn)載火箭在總體方案、先進(jìn)動(dòng)力、輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)、高可靠電氣和高安全發(fā)射支持技術(shù)等方面取得重大進(jìn)步，火箭整體技術(shù)水平進(jìn)入世界同類火箭的先進(jìn)水平行列，見表1，帶動(dòng)了我國新一代運(yùn)載火箭的型譜化和系列化發(fā)展，為我國運(yùn)載火箭后續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

表1 CZ-5火箭運(yùn)載能力與國內(nèi)外大型火箭對(duì)比(折算到標(biāo)準(zhǔn)GTO軌道)Table 1 Comparison of LM-5 carrying capacity with large rockets at home and abroad (converted to standard GTO orbit)

CZ-5火箭已成功應(yīng)用于月球采樣返回、火星探測(cè)、載人空間站工程、新一代大型靜止軌道衛(wèi)星平臺(tái)等重大航天工程，為我國月球探測(cè)、行星探測(cè)、載人空間站等重大專項(xiàng)工程的實(shí)施奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)。

2 我國運(yùn)載火箭技術(shù)未來發(fā)展展望

2.1 世界運(yùn)載火箭技術(shù)最新發(fā)展

隨著航天發(fā)展對(duì)運(yùn)載火箭在運(yùn)載能力、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、使用靈活性和便捷性方面需求的不斷增加，同時(shí)重復(fù)使用、新動(dòng)力、新材料、人工智能等新技術(shù)的蓬勃發(fā)展，世界運(yùn)載火箭技術(shù)在近年來取得了長足的進(jìn)步。

1)在總體技術(shù)方面，通過重復(fù)使用技術(shù)的應(yīng)用，有效降低了進(jìn)入空間成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。重復(fù)使用技術(shù)已成為運(yùn)載火箭發(fā)展的重要方向，以SpaceX公司獵鷹9火箭為代表，從2015年12月22日首次實(shí)現(xiàn)了陸上垂直回收以來，獵鷹9火箭實(shí)現(xiàn)了單一一級(jí)模塊11次復(fù)用，中轉(zhuǎn)周期最短為27 d，垂直起降回收技術(shù)已完全成熟，并取得了商業(yè)上的巨大成功[9-12]。智能技術(shù)的快速進(jìn)步為運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展帶來了新動(dòng)能，全生命周期數(shù)字化管理、基于數(shù)字樣機(jī)的虛擬設(shè)計(jì)、快速生產(chǎn)制造、智能飛行和自主返回控制等技術(shù)不斷取得突破[13-16]。

2)在箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)方面，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，載荷、布局及結(jié)構(gòu)逐漸由傳統(tǒng)的串行設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖俚鷥?yōu)化設(shè)計(jì)，如通過發(fā)動(dòng)機(jī)推力結(jié)構(gòu)與箭體結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)殼段或貯箱箱底傳力，提高結(jié)構(gòu)效率；先進(jìn)材料應(yīng)用上，各國不斷發(fā)展鋁鋰合金和復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)技術(shù)，從而降低結(jié)構(gòu)系數(shù)；制造工藝上，廣泛采用以攪拌摩擦焊、3D打印等為代表先進(jìn)成形工藝技術(shù)[17-19]。

3)在先進(jìn)動(dòng)力技術(shù)方面，不斷發(fā)展高性能液氧甲烷、液氧煤油和氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，美國的梅林-1D液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推重比高達(dá)185，RL-10B氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)真空比沖達(dá)到465 s，SpaceX公司研發(fā)猛禽液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)采用全流量補(bǔ)燃循環(huán)，真空比沖超過370 s，室壓最大可達(dá)到33 MPa，推重比不小于200，節(jié)流范圍約45%～100%，設(shè)計(jì)重復(fù)使用次數(shù)不小于50次[20-21]。

4)在先進(jìn)測(cè)試發(fā)射技術(shù)方面，各國均在開展快速測(cè)試發(fā)射技術(shù)研究，發(fā)展電氣系統(tǒng)智能化機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)、先進(jìn)地面測(cè)發(fā)控技術(shù)、智能化故障診斷技術(shù)以及并行測(cè)試技術(shù)等諸多關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭快速、可靠進(jìn)入空間[22]。

2.2 存在的差距與不足

以CZ-5火箭為代表的中國新一代運(yùn)載火箭，其技術(shù)方案及進(jìn)步，主要基于當(dāng)時(shí)運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)，以提升進(jìn)入空間能力、可靠性和環(huán)境友好性作為主要研制目標(biāo)。新一代運(yùn)載火箭的成功研制，相比我國上一代火箭，在上述幾方面均取得了較大進(jìn)步，包括運(yùn)載能力實(shí)現(xiàn)了成倍提升、火箭飛行可靠性達(dá)到0.98的國際先進(jìn)水平、采用了無毒無污染推進(jìn)劑技術(shù)等等。但對(duì)比國外運(yùn)載火箭技術(shù)最新發(fā)展，我國運(yùn)載火箭技術(shù)水平仍存在較大差距：

1)在進(jìn)入空間能力方面存在明顯差距。我國通過CZ-5系列火箭，實(shí)現(xiàn)了近地軌道運(yùn)載能力25 t、地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力14 t，但獵鷹9重型火箭近地軌道運(yùn)載能力63.8 t，美國正在研制的重型運(yùn)載火箭太空發(fā)射系統(tǒng)和“超重-星艦”，近地軌道運(yùn)載能力分別為130 t和100 t。

2)在先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用方面存在較大差距。以美國SpaceX公司的獵鷹9火箭為代表，垂直起降重復(fù)使用等技術(shù)在運(yùn)載火箭上的應(yīng)用逐漸成熟，有效降低了單位質(zhì)量載荷發(fā)射成本。而我國在重復(fù)使用等領(lǐng)域仍處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及驗(yàn)證階段，距離實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用仍存在一定差距。另外，國外運(yùn)載火箭近地軌道運(yùn)載效率最大可達(dá)4%，而我國目前運(yùn)載效率最高的CZ-5B火箭僅為2.9%；同時(shí)我國運(yùn)載火箭普遍存在測(cè)試發(fā)射操作復(fù)雜、自動(dòng)化測(cè)試程度低、測(cè)發(fā)流程長等問題。

3)火箭型譜及綜合性能仍存在差距。目前國外主要航天研發(fā)機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司，均提出了下一代主力運(yùn)載火箭研制計(jì)劃，均以降低發(fā)射成本、提升任務(wù)靈活性和適應(yīng)性作為主要目標(biāo)，不再僅僅追求性能指標(biāo)的提升，包括美國的火神(Vulcan)、新格倫(New Glenn)，俄羅斯的聯(lián)盟5，歐洲的阿里安6和日本的H3火箭等。各國新研制運(yùn)載火箭均向著型譜簡化、模塊精簡的目標(biāo)發(fā)展，而我國主戰(zhàn)場(chǎng)運(yùn)載火箭型譜明顯偏多、模塊化程度不夠、運(yùn)載效率偏低、使用維護(hù)性也有待提升。

2.3 未來發(fā)展展望

運(yùn)載火箭仍是人類目前，乃至未來相當(dāng)長一段時(shí)間進(jìn)入空間的主要方式，對(duì)標(biāo)國際運(yùn)載火箭先進(jìn)水平，我國后續(xù)發(fā)展重點(diǎn)是構(gòu)建高性能、高可靠的運(yùn)載火箭體系，構(gòu)建完備的重型及大、中、小型運(yùn)載火箭型譜，能力覆蓋全面，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)突出。一是需加快推進(jìn)新一代運(yùn)載火箭升級(jí)換代，并通過提升模塊化程度、產(chǎn)業(yè)化水平，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、快速、高效進(jìn)出空間；二是推動(dòng)新一代載人運(yùn)載火箭和重型運(yùn)載火箭研制，近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到百噸級(jí)、且具備重復(fù)使用能力，填補(bǔ)我國重型運(yùn)載火箭領(lǐng)域的空白，支撐我國完成載人登月、月球科研站建設(shè)、載人登火等標(biāo)志性工程建設(shè)。

為了推進(jìn)我國運(yùn)載火箭技術(shù)更好、更快發(fā)展，需要重點(diǎn)開展以下幾方面研究：

1)在研制模式方面，加快推進(jìn)運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)型，在繼承的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地改進(jìn)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程、分工及方法，開展運(yùn)載火箭精細(xì)化設(shè)計(jì)規(guī)范與技術(shù)研究，重點(diǎn)圍繞長期制約液體運(yùn)載火箭總體性能提升的量化標(biāo)準(zhǔn)不夠精細(xì)、偏差余量大、設(shè)計(jì)理念保守、一體化融合設(shè)計(jì)不足等瓶頸問題開展研究，發(fā)展并建立液體運(yùn)載火箭一體化協(xié)同優(yōu)化、基于概率設(shè)計(jì)、載荷精細(xì)化設(shè)計(jì)、復(fù)雜環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)等先進(jìn)方法，構(gòu)建運(yùn)載火箭精細(xì)化設(shè)計(jì)的研制體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，有效釋放設(shè)計(jì)余量，提升運(yùn)載火箭整體技術(shù)水平。

2)在總體技術(shù)方面，推進(jìn)總體多專業(yè)一體化協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)、載荷精細(xì)化設(shè)計(jì)、復(fù)雜力熱環(huán)境精細(xì)化預(yù)示與設(shè)計(jì)等技術(shù)發(fā)展，提升運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)水平；推進(jìn)在線故障診斷與容錯(cuò)重構(gòu)、智能飛行與評(píng)估等技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)重要單點(diǎn)產(chǎn)品的健康評(píng)估及管理，提升火箭故障適應(yīng)性和可靠性；推進(jìn)重復(fù)使用關(guān)鍵技術(shù)的突破和工程應(yīng)用，降低進(jìn)入空間成本，滿足未來大規(guī)模、經(jīng)濟(jì)、可靠進(jìn)入空間需求[23-25]。

3)在火箭箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造方面，推進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則升級(jí)和結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型；推進(jìn)高強(qiáng)度、高模量金屬材料、復(fù)合材料等先進(jìn)材料的研究與工程應(yīng)用，提升火箭結(jié)構(gòu)效率水平；開展新型強(qiáng)度設(shè)計(jì)與仿真理論研究，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精細(xì)化水平；加快推進(jìn)激光增材、柔性制造等先進(jìn)工藝的應(yīng)用，構(gòu)建先進(jìn)航天制造能力體系[26-27]。

4)在高性能動(dòng)力技術(shù)方面，持續(xù)推進(jìn)現(xiàn)有的YF-100、YF-77和YF-75D等發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)提升，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、使用維護(hù)性和綜合性能指標(biāo)，打造精品；加快推進(jìn)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)型譜論證，明確下一代液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展方向，加快下一代高性能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作，滿足重型運(yùn)載火箭和下一代中大型運(yùn)載火箭的使用需求；同時(shí)，積極開展頂層規(guī)劃，瞄準(zhǔn)未來需求，發(fā)展高性能固體發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)[28-29]。

5)在先進(jìn)測(cè)試與發(fā)射方面，推進(jìn)智能化無人測(cè)試發(fā)射技術(shù)應(yīng)用研究，開展遠(yuǎn)程智能測(cè)試、自主箭測(cè)與閉環(huán)動(dòng)態(tài)測(cè)試、無線傳輸、無線傳能等技術(shù)應(yīng)用研究，提升火箭使用維護(hù)性、縮短測(cè)試發(fā)射周期，增強(qiáng)我國運(yùn)載火箭的任務(wù)適應(yīng)能力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[30-31]。

3 結(jié)束語

CZ-5火箭是我國運(yùn)載火箭升級(jí)換代的標(biāo)志性重大工程，以它為代表的我國新一代運(yùn)載火箭的成功研制，大幅提升了我國自主進(jìn)入空間能力，是我國由航天大國邁向航天強(qiáng)國的重要標(biāo)志。目前我國運(yùn)載火箭技術(shù)相比國外先進(jìn)技術(shù)水平仍存在一定的差距，需通過科學(xué)規(guī)劃，在運(yùn)載火箭精細(xì)化設(shè)計(jì)、重復(fù)使用、智能飛行與控制、輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造、高性能火箭動(dòng)力和先進(jìn)測(cè)試與發(fā)射等技術(shù)方面持續(xù)發(fā)展，提升火箭的運(yùn)載能力、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性，支撐航天強(qiáng)國建設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，為我國的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)貢獻(xiàn)航天的智慧和力量。