宋征宇，汪小衛(wèi)，陳 蓉，鄧思超，張 烽, 任 寬

(中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

遠程空天運輸系統(tǒng)是一種利用航天運載技術(shù)實施全球極速運輸?shù)倪\載工具，經(jīng)由亞軌道可實現(xiàn)小時級內(nèi)將人員和物資在地球表面任意兩點之間實現(xiàn)快速運輸。其具備航班化可復用能力，具有可靠、安全、經(jīng)濟、便捷、環(huán)保等特點，使用維護簡便、可快速再次使用，能夠很好地滿足大規(guī)模點對點運輸、物資投送補給以及亞軌道太空旅游等需求，同時還可以執(zhí)行天地往返任務(wù)。

遠程極速運輸?shù)母拍钤缭?0世紀五六十年代就已提出，因為當時復用技術(shù)不成熟和運營成本高等因素，雖然不斷有國家提出相關(guān)方案，但都處在概念研究階段。近年來隨著運載火箭復用技術(shù)的發(fā)展，特別是美國SpaceX公司Falcon9火箭通過子級多次復用實現(xiàn)了發(fā)射成本明顯下降，使得利用航天運載技術(shù)實施經(jīng)濟快速遠程極速運輸成為航天界的研究熱點[1-5]。當前，美國SpaceX公司已投入數(shù)十億美元經(jīng)費研制“超重--星艦”運載器，并研究利用其提供一小時全球極速運輸服務(wù)[2]。2020年，美國軍事運輸司令部與SpaceX和XArc公司簽署協(xié)議，隨后美國空軍研究實驗室也與SpaceX和Blue Origin等公司簽訂研發(fā)合同，研究將100 t物資在一小時內(nèi)運輸至全球任意地點?！俺?-星艦”計劃2023年入軌飛行，2025年實現(xiàn)全球運輸。德國宇航中心(DLR)也提出利用運載火箭技術(shù)實現(xiàn)洲際遠程運輸?shù)腟paceliner[3]，并開展持續(xù)研究；意大利也提出了一種基于渦輪基組合動力的水平起降運輸方案Hyplane[4]。2021年，美國維珍銀河和藍源公司研制的太空船二號和新謝潑德火箭已初步實現(xiàn)亞軌道太空旅游的商業(yè)運營。2022年，火箭實驗室(Rocket Lab)宣布與美國軍事運輸司令部簽署聯(lián)合開發(fā)協(xié)議，探索利用其運載火箭開展全球貨物運輸服務(wù)。

目前，國內(nèi)在遠程極速運輸研究方面還處于起步探索階段，開展了相關(guān)方案研究和初步技術(shù)攻關(guān)[5]，同時開展了大量可復用運載火箭的關(guān)鍵技術(shù)研究[6-10]。此外我國自主研制的升力式亞軌道垂直起飛水平著陸運載器首飛和再次飛行均取得圓滿成功，為遠程空天運輸系統(tǒng)的研究和建設(shè)奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 需求與意義

遠程空天運輸系統(tǒng)作為一種利用航天技術(shù)來實現(xiàn)遠程極速運輸?shù)南到y(tǒng)，具有小時級洲際到達能力，能夠催生一小時全球極速運輸、大眾化太空旅游等新產(chǎn)業(yè)，引領(lǐng)科技發(fā)展，支撐科技強國、航天強國和交通強國建設(shè)，具有現(xiàn)實的社會、科技、經(jīng)濟應(yīng)用價值。具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 加快航班化航天運輸系統(tǒng)建設(shè)

全球極速運輸系統(tǒng)是航班化航天運輸系統(tǒng)的重要組成[5]。當前全球極速運輸系統(tǒng)尚處于離散型跟蹤研究階段。因此發(fā)展遠程空天運輸系統(tǒng)對于加快我國航班化航天運輸系統(tǒng)建設(shè)具有重要意義；且開展遠程空天運輸系統(tǒng)的研究和攻關(guān)，不僅可以豐富和完善航班化航天運輸系統(tǒng)建設(shè)，其相關(guān)技術(shù)的突破，也可以帶動整個航天運輸系統(tǒng)不斷邁向航班化。

1.2 催生新興產(chǎn)業(yè)，支撐經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展

遠程空天運輸系統(tǒng)的發(fā)展能夠催生全球極速運輸、大眾化太空旅游等太空新業(yè)態(tài)，促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展與融合，支撐經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。同時，每一次運輸方式的變革都會帶來人類生活方式和生活水平的革命，隨著人類交通運載方式的改變，還將帶來人類經(jīng)濟、文化、生活、觀念上的變化，影響社會的方方面面。

1.3 引領(lǐng)科技發(fā)展，促進學科融合

開展遠程空天運輸系統(tǒng)的研究，能夠推動新型飛行器總體與高馬赫數(shù)非定常氣動設(shè)計理論和方法、復雜極端飛行環(huán)境下制導控制理論與方法、材料的極端服役疲勞、多學科耦合與優(yōu)化設(shè)計等基礎(chǔ)科學問題的研究，帶動可復用技術(shù)、先進熱防護、復雜大型結(jié)構(gòu)、高精度制導控制等重大關(guān)鍵技術(shù)的突破[5]，促進空氣動力學、固體力學、熱力學、傳熱傳質(zhì)學、飛行動力學與控制等學科交叉融合發(fā)展，推動科技創(chuàng)新與技術(shù)變革。

1.4 助推航天強國和交通強國建設(shè)

隨著文明的進步和生活水平的提高，人類對交通運輸?shù)乃儆蚝涂沼蚍秶岢隽烁叩囊?，遠程空天運輸系統(tǒng)以其極高速、極遠程的特點實現(xiàn)從交通運輸“快速”到“極速”的跨越，將航天技術(shù)與交通運載進一步融合發(fā)展和產(chǎn)業(yè)變革，探索未來新型原創(chuàng)交通運載模式，推動交通運載領(lǐng)域從“陸海空”三位一體到“陸?？仗臁彼奈灰惑w的跨越，為航天強國和交通強國的建設(shè)提供強有力支撐。

2 技術(shù)途徑與特點

為了更好地實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，從未來運輸規(guī)模需求分析，遠程空天運輸系統(tǒng)需具備一定規(guī)模的運輸能力，如SpaceX公司的“超重--星艦”具備70 t級以上的全球極速運輸能力，美國空軍更是提出100 t級的全球運輸能力需求。

通過分析國外全球極速運輸系統(tǒng)以及航空大型運輸機等運載能力，經(jīng)初步論證我國亞軌道運輸系統(tǒng)的運載能力為60 t級，具有小時級洲際(≥10 000 km航程)到達能力，可復用100次以上，單位質(zhì)量載荷運輸成本不超過一次性運載火箭5%，可靠性不低于0.997。

作為一種未來面向航班化的全球點對點極速運輸系統(tǒng)，亞軌道運輸系統(tǒng)可采用垂直起降(VTVL)、垂直起飛水平著陸(VTHL)、水平起降(HTHL)3種技術(shù)途徑[8-13]。

2.1 垂直起降

該技術(shù)途徑采用完全重復兩級火箭構(gòu)型，垂直起飛、垂直降落，該方案在傳統(tǒng)運載火箭軸對稱構(gòu)型上，兩級均可增加翼面或舵面，特別是二子級可采用可變構(gòu)型鴨翼布局來滿足大攻角再入和垂直著陸雙重要求，提高升阻比超過3.0，可充分利用氣動力提升其機動性能。運載器垂直起飛后一二級分離，一級受控返回原場，二級點火繼續(xù)爬升至100 km以上，發(fā)動機關(guān)機后無動力滑行，可利用波動彈道增程，在接近目的地時，利用二子級鴨翼布局和發(fā)動機再次啟動實施大姿態(tài)機動、減速垂直著陸。

2.2 垂直起飛水平著陸

垂直起飛水平著陸采用兩級升力式背駝構(gòu)型，垂直起飛、水平著陸，采用火箭動力；一級為助推級，二級為載荷級，均具備主動力，兩級均采用翼身組合體構(gòu)型，升阻比可達3～6；兩級組合體垂直起飛后負小攻角上升，降低飛行阻力，助推級分離后返回，載荷級主動力工作繼續(xù)動力上升，上升段加速至高度100 km以上、速度Ma=20左右軌跡開始下壓，隨后發(fā)動機關(guān)機，二級無動力滑行再入返回，可利用波動彈道增程，再經(jīng)過能量管理階段，最終水平著陸于目的地機場跑道，全程采用襟副翼等實施姿態(tài)控制。

2.3 水平起降

水平起降采用兩級升力式背駝構(gòu)型，水平起飛、水平著陸，采用火箭動力運輸大型載荷，采用組合動力運輸小型載荷，配置高性能的低溫動力系統(tǒng)能夠減小運輸系統(tǒng)規(guī)模。一級為助推級，二級為載荷級，均具備主動力；兩級組合體水平起飛后，由助推級加速，再分離，當采用火箭動力時，載荷級發(fā)動機點火繼續(xù)爬升至100 km以上高度后下降，隨后發(fā)動機關(guān)機，載荷級無動力再入滑翔水平著陸目的地；當采用組合動力時，一二級分離后，載荷級在臨近空間高速巡航，最終在目的地水平著陸，如圖1所示。

圖1 水平起降方式剖面圖

2.4 技術(shù)特點分析

垂直起降方式很大程度上可繼承當前運載火箭技術(shù)，技術(shù)相對成熟，運載器整體結(jié)構(gòu)效率較高；對著陸點需求低，著陸適應(yīng)性強，更適合中大型運輸系統(tǒng)；但著陸過程姿態(tài)變化大，全程過載相對較大，載人飛行時舒適性相對較差，且載荷裝卸高度較大，難度較高，不易操作。

垂直起飛水平著陸和水平起降方式技術(shù)成熟度相對較低，尤其是對具有較大運載能力的運輸系統(tǒng)。在返回大氣層時需要設(shè)計較大的機翼來滿足升阻比需求，同時需配置起落架等復雜著陸機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)效率受到了影響；水平著陸時需要建設(shè)跑道等設(shè)施，對地面設(shè)施要求較多。但水平返回與著陸的機動性更強，可以實現(xiàn)較大范圍的自主機動，在特殊場合能發(fā)揮更大的作用，且全程過載可以較好地控制，載人飛行時舒適性較好，類似飛機的水平起降方式具有載荷裝卸簡單、易操作等優(yōu)勢[8-10]。

考慮到垂直起降的研究已比較充分，以SpaceX公司為代表的Falcon9運載火箭已經(jīng)成功實現(xiàn)了商業(yè)化運營；而垂直起飛、水平著陸也取得顯著進展，一些小規(guī)模飛行器已經(jīng)實現(xiàn)了演示驗證性飛行。相比較而言，水平起降的研究相對薄弱，尤其當運載能力的需求大幅度增加時，其挑戰(zhàn)非常巨大。為此，本文后續(xù)重點針對水平起降這種方式展開討論。

與航空運輸機、一次性高馬赫數(shù)再入飛行器、一次性運載火箭和升力式天地往返運輸系統(tǒng)相比，水平起降的遠程空天運輸系統(tǒng)的飛行環(huán)境、能力特征、規(guī)模等特點具體如圖2所示。

圖2 遠程空天運輸系統(tǒng)與其他飛行器特點對比分析

根據(jù)上述特點，結(jié)合其任務(wù)需求和飛行剖面，分析梳理得出水平起降遠程空天運輸系統(tǒng)飛行過程和全壽命周期內(nèi)具有跨空天多域、寬速域、航程遠、運載能力大、可復用次數(shù)多、可靠性要求高等任務(wù)特點，在總體設(shè)計和制導控制層面的技術(shù)難點如圖3所示。

圖3 遠程空天運輸系統(tǒng)的技術(shù)難點及相互影響

1)力--熱--結(jié)構(gòu)多場域耦合嚴重，變構(gòu)型動邊界非定常氣動顯著，復雜結(jié)構(gòu)非線性交變應(yīng)力環(huán)境嚴酷；

2)設(shè)計和飛行試驗子樣少(極少)，飛行環(huán)境復雜極端，系統(tǒng)組成復雜；

3)系統(tǒng)設(shè)計面臨優(yōu)化目標多，面向航班化的可復用需求，帶來更加嚴苛的動壓、過載、熱流密度、強度、剛度等約束，設(shè)計約束多，設(shè)計變量維度高，設(shè)計約束和變量之間耦合強；

4)運動模型復雜，環(huán)境與運動模型參數(shù)不確定，大尺度翼展帶來氣動彈性嚴重，振動頻率低，顯著的彈性模態(tài)時變特性，裝定氣動參數(shù)與真實值天地不一致性進一步加大，易導致自身執(zhí)行機構(gòu)觸及飽和邊界；

5)長時顯著大氣作用使得飛行軌跡規(guī)劃非線性特征與擾動效應(yīng)顯著，寬域多飛行階段的運動軌跡難以精確快速預示。

3 研究重點與科學挑戰(zhàn)

遠程空天運輸系統(tǒng)給總體設(shè)計和控制技術(shù)帶來了新的設(shè)計難點和科學挑戰(zhàn)。如以下各節(jié)所述。

3.1 遠程空天運輸系統(tǒng)總體設(shè)計優(yōu)化方法

1)多目標強耦合多約束高維度條件下復雜系統(tǒng)總體設(shè)計優(yōu)化難度大。

作為一種復雜系統(tǒng)，遠程空天運輸系統(tǒng)總體設(shè)計面臨氣動力熱、彈道、動力、結(jié)構(gòu)、控制等多專業(yè)/多場域耦合極強，總體設(shè)計參數(shù)/氣動外形參數(shù)/發(fā)動機參數(shù)/彈道參數(shù)等設(shè)計變量維度極高，飛行全過程動壓/過載/熱流密度/總加熱量/剛度/強度/發(fā)動機性能以及可復用次數(shù)/可靠性等設(shè)計約束極多，最大航程/運載能力/運載成本等優(yōu)化目標繁多且相互矛盾等情況。在滿足以上諸多條件的情況下實現(xiàn)不同設(shè)計指標的綜合優(yōu)化是所面臨的科學挑戰(zhàn)。

高保真仿真模型近似降階預示是解決復雜系統(tǒng)總體設(shè)計與近似優(yōu)化的重要途徑之一。充分利用遠程空天運輸系統(tǒng)總體設(shè)計中存在的多源模型/數(shù)據(jù)信息，揭示設(shè)計參數(shù)與系統(tǒng)響應(yīng)映射規(guī)律，實現(xiàn)高精度小樣本條件下的復雜遠程空天運輸系統(tǒng)非線性響應(yīng)特性保精度快響應(yīng)預示，建立競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)效能評估方法，獲取綜合效能最佳的遠程空天運輸系統(tǒng)總體設(shè)計方案。

2)跨空天域、多速域下兼顧上升、再入滑翔和水平著陸需求的氣動布局設(shè)計難度大。

遠程空天運輸系統(tǒng)起飛、再入返回和水平著陸階段面臨的飛行環(huán)境復雜，經(jīng)歷的空域跨度大(100+～0 km)、馬赫數(shù)變化范圍大(Ma=20+～0)、攻角變化范圍大(0°～90°)，導致氣動性能在整個飛行過程中變化大，涉及全速域氣動外形優(yōu)化、操穩(wěn)特性匹配、高速與低速氣動性能的匹配等眾多氣動設(shè)計難題，對遠程空天運輸系統(tǒng)氣動布局設(shè)計提出了非常大的挑戰(zhàn)。

建立遠程空天運輸系統(tǒng)的氣動布局設(shè)計原理和方法，對乘波體式氣動布局、機體/推進一體化氣動布局、翼身組合體等氣動布局方案進行遴選、融合，獲得適用于遠程空天運輸系統(tǒng)的氣動布局方案。開展基于不確定性量化分析的氣動布局穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計方法研究，結(jié)合外形參數(shù)化方法、不確定性量化方法、靈敏度分析方法、網(wǎng)格自動生成技術(shù)、高精度CFD求解器、替代模型技術(shù)和優(yōu)化算法，構(gòu)建出一套適用于遠程空天運輸系統(tǒng)的多目標穩(wěn)健優(yōu)化策略，獲得寬馬赫數(shù)、多飛行高度、多攻角下的總體性能最優(yōu)的氣動布局方案。

本項研究擬采取的技術(shù)途徑見圖4。

圖4 總體設(shè)計優(yōu)化方法研究

3.2 超聲速高頻次長航時飛行氣動力--熱--結(jié)構(gòu)多場耦合機理及系統(tǒng)壽命與可靠性判據(jù)研究

1)跨空天多域長時極端飛行環(huán)境下氣動力--熱--結(jié)構(gòu)多場耦合機理認識不清、力熱結(jié)構(gòu)疲勞壽命預測不準確。

由于特殊的任務(wù)特點和技術(shù)特點，遠程空天運輸系統(tǒng)在跨空天域、多速域飛行條件下，氣動力、熱具有強烈的時間非線性，結(jié)構(gòu)表面的輻射散熱、對流換熱以及內(nèi)部的熱傳導等熱量傳遞現(xiàn)象，導致氣動力--熱--結(jié)構(gòu)多場耦合機理十分復雜。同時，熱應(yīng)力會引起大面積薄壁、大尺度變形翼等結(jié)構(gòu)的嚴重形變，加之氣動彈性引起的結(jié)構(gòu)振動問題，給結(jié)構(gòu)--材料的疲勞損傷模式分析及壽命評估帶來顯著挑戰(zhàn)。

建立氣動力、熱耦合作用下結(jié)構(gòu)的力學和熱學性能分析及評估方法，澄清結(jié)構(gòu)材料、尺寸以及通道構(gòu)型、尺寸等對氣動熱防護性能的影響機理；針對翼面、舵面、起落架等可動部件，開展適用于高溫高壓來流下的熱密封設(shè)計，澄清復雜工作模式下的熱密封機理；深入揭示異頻交變載荷作用下的結(jié)構(gòu)疲勞機理，厘清在高頻次交變應(yīng)力、快速溫變條件下結(jié)構(gòu)疲勞損傷規(guī)律和失效模式。

2)基于小(極小)子樣的復雜系統(tǒng)再次發(fā)射評估與面向航班化長航時壽命預測難度大。

遠程空天運輸系統(tǒng)故障模式復雜，系統(tǒng)間故障耦合程度高，飛行、試驗和仿真數(shù)據(jù)樣本極少，可靠性特征量提取數(shù)據(jù)缺乏，面向全系統(tǒng)全信息數(shù)據(jù)融合困難，可靠性和重復使用評估難度大；在復雜惡劣飛行環(huán)境中高頻次長航時使用的經(jīng)濟和技術(shù)壽命矛盾突出，綜合設(shè)計難度大。

融合全壽命周期數(shù)據(jù)，構(gòu)建考慮故障發(fā)生隨機因素的小子樣多層超先驗網(wǎng)絡(luò)融合的可靠性評估方法，探索各分系統(tǒng)性能維持與退化對整機可靠性的影響規(guī)律，設(shè)計基于分系統(tǒng)和整機滿足可復用可靠性要求的RMS(可靠性、維修性、保障性)判據(jù)技術(shù)準則，實現(xiàn)長航時技術(shù)壽命和經(jīng)濟壽命綜合預測。

擬采取的技術(shù)途徑如圖5所示。

圖5 多場耦合機理及系統(tǒng)壽命研究

3.3 長時氣動作用下在線軌跡規(guī)劃與低頻密頻彈振弱模型依賴控制

1)多飛行階段性能指標互異、高氣動不確定性強約束下軌跡在線規(guī)劃難收斂。

大尺度遠程空天運輸系統(tǒng)長時大氣作用使得軌跡規(guī)劃模型動態(tài)特性顯著，升力式外形與高動壓、大特征面積共同作用，導致軌跡規(guī)劃約束復雜，控制可行域狹窄，求解效率低。同時飛行末段稠密大氣作用不確定性強、性能指標約束與飛行中段有較大差異，飛行軌跡難以精確、快速預示。

針對大規(guī)模升力式外形及寬速域特點，開展高粒度軌跡規(guī)劃求解模型構(gòu)建、小規(guī)模高精度模型凸化處理及再入軌跡凸規(guī)劃問題高效求解算法研究，突破過程約束易達到容許邊界、規(guī)劃可行域狹窄等難點問題，提升算法收斂速度及魯棒性。針對飛行末段能量約束要求苛刻的特點，開展精確快速末段軌跡規(guī)劃方法研究，實現(xiàn)飛行大偏差或狀態(tài)異常情況的能量管理與進場著陸段軌跡可靠在線精準規(guī)劃。

2)大尺度箭體低頻密頻振動參數(shù)難以準確估計、復雜飛行剖面下全流程氣動參數(shù)難以精確預示帶來控制性能降低。

遠程空天運輸系統(tǒng)大翼展結(jié)構(gòu)下箭體低階振動頻率密集且與剛體振動頻率相近，在氣動力/熱/結(jié)構(gòu)耦合等復雜作用下呈現(xiàn)顯著的彈性模態(tài)時變特性，離線裝定的氣動參數(shù)與真實數(shù)據(jù)存在顯著的天地不一致性，進一步加大了運輸系統(tǒng)快響應(yīng)需求下所需的控制力矩，使得運輸系統(tǒng)易觸及自身執(zhí)行機構(gòu)的飽和邊界，引起姿態(tài)振蕩甚至失穩(wěn)。在線更新運輸系統(tǒng)氣動參數(shù)和振動信號，研究對模型依賴程度低的快響應(yīng)、抗飽和控制方法是所面臨的科學挑戰(zhàn)。

探索氣動參數(shù)在線辨識與低頻密頻下彈性振動抑制方法，研究運輸系統(tǒng)在線最優(yōu)協(xié)調(diào)控制分配策略，開發(fā)弱模型依賴條件下預定時間控制方法，降低控制系統(tǒng)對地面模型參數(shù)依賴程度，顯著提升在快時變、強耦合、強非線性、強不確定性等復雜動力學特性下姿態(tài)的收斂速度，實現(xiàn)姿態(tài)快速收斂與執(zhí)行機構(gòu)飽和邊界易觸及之間的協(xié)調(diào)控制。擬采取的技術(shù)途徑如圖6所示。

圖6 制導與控制技術(shù)研究

綜上所述，遠程空天運輸系統(tǒng)的設(shè)計給總體和控制技術(shù)帶來了極大的挑戰(zhàn)，需要解決的問題已經(jīng)觸及相關(guān)學科在飛行器設(shè)計領(lǐng)域的極限能力。開展相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究，不僅是要探索采用水平起降形式大運載能力的遠程空天運輸系統(tǒng)的總體方案的可行性，也可拓展相關(guān)學科的研究邊界，帶來新的學科發(fā)展增長點。

4 結(jié)論

遠程空天運輸系統(tǒng)突破傳統(tǒng)航空和航天運載器設(shè)計理念，具有跨空天多域、寬速域、航程遠、運載能力大、使用次數(shù)多、可靠性要求高、升力起飛、滑翔著陸等任務(wù)特點，以及飛行環(huán)境復雜極端、復雜結(jié)構(gòu)非線性交變應(yīng)力環(huán)境嚴酷、多場域耦合嚴重、系統(tǒng)組成復雜、設(shè)計和飛行試驗子樣少、優(yōu)化設(shè)計指標多、全過程復雜邊界多因素強約束、運動模型復雜、環(huán)境與運動學模型參數(shù)不確定、規(guī)模大、氣動彈性嚴重、振動頻率低等技術(shù)特點；由于可復用需求，面臨更加嚴苛的動壓、過載、熱流密度、強度、剛度等約束。不同于航空飛行、一次性高馬赫數(shù)再入飛行和運載火箭入軌飛行等，遠程空天運輸系統(tǒng)總體設(shè)計與控制具備新的設(shè)計難點和科學挑戰(zhàn)，在促進科技進步、產(chǎn)業(yè)融合、經(jīng)濟發(fā)展中將發(fā)揮重要的作用。

遠程空天運輸系統(tǒng)的研發(fā)極具探索性。通過總體和控制技術(shù)的研究，以期確定相關(guān)的飛行方案、飛行剖面，實現(xiàn)總體指標和各參數(shù)的閉環(huán)。