何 巍，牟 宇，朱海洋，陳曉飛

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

運(yùn)載火箭一般指從地球?qū)⒂行лd荷送入空間軌道的運(yùn)輸工具，決定著一個(gè)國(guó)家進(jìn)出空間的能力，具有高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)、高成本的特點(diǎn)，是國(guó)家空間科學(xué)、空間技術(shù)、空間應(yīng)用和安全體系建設(shè)的戰(zhàn)略基礎(chǔ)，也是一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代科技發(fā)展水平和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志[1-2]。

世界各國(guó)和地區(qū)在發(fā)展運(yùn)載火箭過程中，根據(jù)國(guó)家工程需求、市場(chǎng)需求以及技術(shù)發(fā)展情況適時(shí)調(diào)整，形成了各具特色的發(fā)展規(guī)劃。美、蘇/俄始終致力于發(fā)展覆蓋小、中、大、重型運(yùn)載能力的運(yùn)載火箭，確保航天強(qiáng)國(guó)地位。歐洲地區(qū)運(yùn)載火箭發(fā)展更加注重實(shí)用與經(jīng)濟(jì)性。中國(guó)航天經(jīng)過60余年的自力更生、艱苦創(chuàng)業(yè)，發(fā)展了覆蓋小、中、大型運(yùn)載能力以及滿足低、中、高和地球逃逸軌道不同有效載荷發(fā)射需求的運(yùn)載火箭[3]。截至2022年12月底，長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭已累計(jì)發(fā)射458次，飛行成功率超過96.5%，LEO運(yùn)載能力達(dá)到25 t，GTO運(yùn)載能力達(dá)到14 t，綜合性能位居世界前列，支撐鑄就了中國(guó)航天的“三大里程碑”，有力支撐了載人航天、北斗導(dǎo)航、高分工程、月球探測(cè)、火星探測(cè)等一系列國(guó)家重大工程順利實(shí)施。

我國(guó)雖然已經(jīng)建立了較為完備的運(yùn)載火箭能力體系，快速響應(yīng)能力、可靠性等部分技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了世界先進(jìn)水平，但在進(jìn)入空間的能力、效率和成本[4]方面與之相比還存在差距[5-6]，亟須科學(xué)規(guī)劃下一代主力運(yùn)載火箭發(fā)展，支撐航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)。本文通過調(diào)研分析主要航天國(guó)家與地區(qū)的運(yùn)載火箭發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)了中國(guó)運(yùn)載火箭發(fā)展規(guī)律，提出下一代主力運(yùn)載火箭重點(diǎn)發(fā)展方向，以指導(dǎo)后續(xù)運(yùn)載火箭論證與發(fā)展。

1 世界主要國(guó)家和地區(qū)的運(yùn)載火箭發(fā)展回顧

1.1 美國(guó)運(yùn)載火箭發(fā)展回顧

美國(guó)作為航天領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先的強(qiáng)國(guó)，自艾森豪威爾政府起，每屆政府均出臺(tái)《國(guó)家航天政策》，頂層指導(dǎo)運(yùn)載火箭等航天領(lǐng)域發(fā)展，美國(guó)航天重要事件發(fā)展見圖1。依托國(guó)家政策牽引，美國(guó)具備陸、海、空基多平臺(tái)發(fā)射手段，覆蓋小、中、大、重等各種載荷發(fā)射需求。在不同時(shí)期先后發(fā)展了包括大力神(Titan)系列、宇宙神(Atlas)系列、德爾塔(Delta)系列、獵鷹(Falcon)系列等多種火箭，美國(guó)現(xiàn)役入軌級(jí)運(yùn)載火箭見圖2。

圖1 美國(guó)航天發(fā)展重要事件

圖2 美國(guó)現(xiàn)役部分入軌級(jí)運(yùn)載火箭[7]

發(fā)展初期，美國(guó)運(yùn)載火箭由國(guó)家戰(zhàn)略需求單一驅(qū)動(dòng)，1958年，基于丘比特導(dǎo)彈改裝的丘諾1號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射成功，解決了美國(guó)運(yùn)載火箭的有無(wú)問題。20世紀(jì)60年代初期，美國(guó)和蘇聯(lián)太空競(jìng)賽白熱化，美國(guó)集中優(yōu)勢(shì)科研力量研制了土星五號(hào)重型運(yùn)載火箭，實(shí)現(xiàn)了人類第一次載人登月。之后為進(jìn)一步提升發(fā)射效益，1972年啟動(dòng)了可重復(fù)使用的航天飛機(jī)研制計(jì)劃。隨著冷戰(zhàn)結(jié)束及技術(shù)的不斷發(fā)展，美國(guó)運(yùn)載火箭發(fā)展更加注重成本與效益，在1994年啟動(dòng)了改進(jìn)型一次性運(yùn)載火箭發(fā)展計(jì)劃(EELV)，逐漸由研制承包向發(fā)射服務(wù)運(yùn)營(yíng)轉(zhuǎn)變。進(jìn)入21世紀(jì)，美國(guó)開始全面鼓勵(lì)商業(yè)火箭研制，促使SpaceX、藍(lán)色起源公司等商業(yè)航天公司蓬勃發(fā)展，大幅提升了航天發(fā)射效益。2022年美國(guó)入軌級(jí)航天發(fā)射87次，SpaceX公司占據(jù)了61次。同時(shí)致力于發(fā)展火箭完備能力，新研重型運(yùn)載火箭太空發(fā)射系統(tǒng)(Space Launch System，SLS)成功首飛，重復(fù)使用重型火箭超重--星艦計(jì)劃于2023年完成首飛。

整體來看，美國(guó)作為航天強(qiáng)國(guó)，始終致力于維持其在航天領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位；強(qiáng)大的工業(yè)、技術(shù)基礎(chǔ)是美國(guó)航天發(fā)展的先決條件，支撐其政策轉(zhuǎn)變后商業(yè)航天快速發(fā)展，也支撐發(fā)展了眾多中、小型運(yùn)載火箭，從國(guó)家層面審視存在明顯的重復(fù)建設(shè)；重復(fù)使用技術(shù)驅(qū)動(dòng)航天運(yùn)輸系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，獵鷹火箭憑借價(jià)格優(yōu)勢(shì)，大幅擠占了傳統(tǒng)火箭生存空間；所發(fā)展的火神、超重--星艦等下一代運(yùn)載火箭均具備部分或完全重復(fù)使用能力，降低成本、提高效率的發(fā)展趨勢(shì)明顯。

1.2 蘇聯(lián)/俄羅斯運(yùn)載火箭發(fā)展回顧

自1957年以來，蘇聯(lián)先后成功研制衛(wèi)星號(hào)、東方號(hào)、聯(lián)盟號(hào)、閃電號(hào)、宇宙號(hào)、旋風(fēng)號(hào)、質(zhì)子號(hào)、能源號(hào)等運(yùn)載火箭，形成了能力完備的運(yùn)載火箭體系，支撐其在人類航天史上創(chuàng)造了第一顆人造地球衛(wèi)星、第一艘載人飛船、第一個(gè)月球探測(cè)器等多項(xiàng)世界第一。但1991年蘇聯(lián)解體后，俄羅斯年航天發(fā)射次數(shù)呈下降趨勢(shì)，見圖3。目前俄羅斯主要依托進(jìn)步國(guó)家航天科研生產(chǎn)中心、赫魯尼切夫國(guó)家航天科研生產(chǎn)中心兩大科研生產(chǎn)聯(lián)合體研制火箭，前者以聯(lián)盟號(hào)為主，后者以質(zhì)子號(hào)、安加拉系列為主。由于經(jīng)濟(jì)逐漸下行，運(yùn)載火箭整體更新?lián)Q代比較緩慢，如安加拉系列火箭研制工作前后持續(xù)了20多年。如何在有限經(jīng)濟(jì)約束下完成更多的航天發(fā)射任務(wù)，逐漸成為其主要發(fā)展矛盾。為此，俄羅斯一方面積極開展國(guó)際合作：積極參加國(guó)際空間站艙段建造以及載人與貨運(yùn)發(fā)射任務(wù)，為美國(guó)宇宙神系列運(yùn)載火箭研制提供高性能液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)；另一方面俄羅斯還將退役的和根據(jù)戰(zhàn)略武器削減條約而裁減的戰(zhàn)略導(dǎo)彈改裝成隆聲號(hào)、第聶伯、波浪號(hào)和靜海號(hào)等火箭，投入商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)。依靠運(yùn)載火箭發(fā)射價(jià)格低、性能好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，俄羅斯占據(jù)了一定國(guó)際市場(chǎng)。但隨著美國(guó)SpaceX公司持續(xù)降低發(fā)射成本，且2010年后俄羅斯發(fā)射事故頻發(fā)，以及國(guó)際環(huán)境持續(xù)惡化，俄羅斯逐步喪失了國(guó)際發(fā)射市場(chǎng)。

圖3 蘇聯(lián)/俄羅斯每年航天發(fā)射次數(shù)

整體來看，俄羅斯由于受經(jīng)濟(jì)下行和國(guó)際環(huán)境持續(xù)惡化影響，運(yùn)載火箭更新?lián)Q代緩慢，仍以蘇聯(lián)時(shí)期聯(lián)盟號(hào)、質(zhì)子號(hào)為主力火箭，當(dāng)前俄羅斯現(xiàn)役運(yùn)載火箭見圖4。

圖4 俄羅斯現(xiàn)役火箭[7]

1.3 歐洲運(yùn)載火箭發(fā)展回顧

歐洲是繼美、俄之后第3個(gè)擁有衛(wèi)星發(fā)射能力的地區(qū)，多國(guó)聯(lián)合研制了阿里安系列運(yùn)載火箭，可執(zhí)行單星、雙星甚至多星的發(fā)射，確立了歐洲運(yùn)載火箭在國(guó)際航天發(fā)射市場(chǎng)中的地位。同時(shí)，歐洲也在積極發(fā)展中小型運(yùn)載火箭，與俄羅斯合作研制聯(lián)盟號(hào)ST運(yùn)載火箭，以及意大利牽頭研制的織女星小型運(yùn)載火箭有效地補(bǔ)充了阿里安運(yùn)載火箭在中低地球軌道有效載荷發(fā)射方面的空缺。歐洲運(yùn)載火箭堅(jiān)定執(zhí)行模塊化發(fā)展路線，新研的阿里安6火箭和織女星C采用了通用化、模塊化設(shè)計(jì)，使用最少模塊就可以適應(yīng)從高到低幾乎所有軌道發(fā)射任務(wù)的需求。

整體而言，歐洲火箭發(fā)展堅(jiān)持“少而精”的發(fā)展路線，注重經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性，但火箭具體技術(shù)方案受困于歐洲多國(guó)利益平攤，無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)，且近期受到俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)等國(guó)際形勢(shì)影響，航天任務(wù)和研制經(jīng)費(fèi)存在諸多不確定性。當(dāng)前歐洲現(xiàn)役火箭見圖5。

圖5 歐洲現(xiàn)役火箭[7]

1.4 中國(guó)運(yùn)載火箭發(fā)展回顧

從20世紀(jì)五六十年代開始，中國(guó)運(yùn)載火箭持續(xù)發(fā)展，經(jīng)歷了從串聯(lián)到并聯(lián)、從一箭單星到一箭多星、從常溫推進(jìn)劑到低溫推進(jìn)劑、從末級(jí)一次啟動(dòng)到多次啟動(dòng)、從發(fā)射衛(wèi)星到載人飛船再到深空探測(cè)器的技術(shù)跨越，具備了發(fā)射任意地球軌道有效載荷的能力[3]。參考文獻(xiàn)[8]，并結(jié)合當(dāng)前最新的重復(fù)使用、重型火箭發(fā)展趨勢(shì)，中國(guó)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭發(fā)展歷程如下：

1)20世紀(jì)六七十年代，基于前期技術(shù)積累，研制形成CZ-1、CZ-2運(yùn)載火箭,實(shí)現(xiàn)我國(guó)運(yùn)載火箭從無(wú)到有。

2)20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初，研制了包括CZ-2C/D/E/F、CZ-3、CZ-3A/B/C、CZ-4A/B/C在內(nèi)的共11型運(yùn)載火箭。其中CZ-2C、CZ-2D、CZ-3、CZ-2E運(yùn)載火箭仍然使用有毒推進(jìn)劑(四氧化二氮和偏二甲肼)，開始部分應(yīng)用數(shù)字電路；CZ-2F、CZ-3A、CZ-3B、CZ-3C、CZ-4B、CZ-4C持續(xù)開展可靠性增長(zhǎng)和技術(shù)改進(jìn)，采用系統(tǒng)級(jí)冗余設(shè)計(jì)；部分型號(hào)通過增加三子級(jí)，高軌任務(wù)適應(yīng)能力大大提高；或?yàn)闈M足載人航天任務(wù)需求，增加了故檢逃逸系統(tǒng)；簡(jiǎn)化了發(fā)射場(chǎng)測(cè)發(fā)流程，測(cè)發(fā)效率得到了提高。經(jīng)優(yōu)化，退役CZ-2E、CZ-3、CZ-4A三型火箭，現(xiàn)役8型常規(guī)火箭見圖6，實(shí)現(xiàn)了LEO 8.6 t、SSO 3.0 t、GTO 5.5 t的能力覆蓋。

圖6 我國(guó)在役長(zhǎng)征系列常規(guī)火箭

3)21世紀(jì)以來，火箭研制基于“通用化、系列化、組合化”、無(wú)毒無(wú)污染的理念，采用無(wú)毒無(wú)污染推進(jìn)劑，環(huán)境友好。在液體火箭領(lǐng)域，形成中小型(CZ-6/6A、CZ-7/7A/8)和大型(CZ-5/5B)兩系列液體運(yùn)載火箭[9]，共7型火箭，實(shí)現(xiàn)了LEO 25 t、SSO 9.5 t 、GTO 14 t的能力覆蓋；在固體火箭領(lǐng)域，形成以CZ-11、捷龍3、快舟系列、力箭一號(hào)為代表的小型火箭，具備了LEO 1.5 t、700 km SSO 1 t以上的運(yùn)載能力，陸海通用發(fā)射，響應(yīng)時(shí)間短，任務(wù)適應(yīng)性大幅提升。我國(guó)在役新一代長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭如圖7所示。

圖7 我國(guó)在役新一代長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭

4)進(jìn)入新時(shí)代，新一代載人運(yùn)載火箭、重型火箭正在開展總體方案論證設(shè)計(jì)，攻關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)等系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，后續(xù)將支撐我國(guó)載人登月、深空探測(cè)等重大工程實(shí)施。

1.5 問題分析

我國(guó)雖然建立了能力相對(duì)完備的運(yùn)載火箭體系，但與航天強(qiáng)國(guó)相比，在進(jìn)入空間的能力、效率和成本方面還存在一定差距，亟須通過發(fā)展下一代運(yùn)載火箭支撐航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)。

1)進(jìn)入空間能力不夠強(qiáng)。主要表現(xiàn)在我國(guó)火箭運(yùn)載能力還不夠大，LEO軌道能力僅為25 t，尚不具備LEO百噸級(jí)的重型運(yùn)載能力；尚不具備重復(fù)使用能力，美國(guó)重復(fù)使用火箭獵鷹系列在2022年成功完成61次發(fā)射任務(wù)(含1次重型獵鷹)；運(yùn)載效率等綜合性能指標(biāo)偏低，發(fā)動(dòng)機(jī)推力、推重比、比沖等核心指標(biāo)與航天強(qiáng)國(guó)差距明顯。

2)進(jìn)入空間的效率還不夠高。與國(guó)外先進(jìn)水平獵鷹9火箭2022年7天/發(fā)相比有一定差距，主要表現(xiàn)在運(yùn)載火箭模塊種類多，狀態(tài)多，產(chǎn)品化率較低，制約了生產(chǎn)效率；發(fā)射保障自動(dòng)化、信息化水平較低，測(cè)發(fā)流程繁瑣，發(fā)射工位通用化程度低，限制了年發(fā)射頻次的提升。

3)進(jìn)入空間的成本還不夠優(yōu)。主要表現(xiàn)在重復(fù)使用技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，使得飛行產(chǎn)品不能復(fù)用，導(dǎo)致成本無(wú)法本質(zhì)性降低；火箭低成本研制理念不強(qiáng)，我國(guó)火箭在設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、質(zhì)量管控等環(huán)節(jié)成本統(tǒng)籌不足；我國(guó)尚未完全建立購(gòu)買發(fā)射服務(wù)的運(yùn)載火箭采購(gòu)模式，導(dǎo)致降本增效活力不足。

2 中國(guó)運(yùn)載火箭發(fā)展規(guī)律研究

2.1 中國(guó)運(yùn)載火箭代際發(fā)展技術(shù)規(guī)律

基于國(guó)外運(yùn)載火箭發(fā)展歷程以及我國(guó)運(yùn)載火箭發(fā)展問題，回歸分析我國(guó)運(yùn)載火箭發(fā)展歷程，發(fā)現(xiàn)火箭運(yùn)載能力的持續(xù)提升是代際發(fā)展中最為顯著的特征，從20世紀(jì)五六十年代的第一代CZ-1、CZ-2運(yùn)載火箭，到第二代CZ-2/3/4系列，再到第三代的CZ-5/6/7/8新一代運(yùn)載火箭，運(yùn)載能力從1 t級(jí)持續(xù)提升至20 t級(jí)，下一代運(yùn)載火箭以新一代載人運(yùn)載火箭、重型運(yùn)載火箭為典型代表，其最大運(yùn)載能力將達(dá)到100 t級(jí)，比肩世界一流。同時(shí)，技術(shù)發(fā)展是我國(guó)火箭代際發(fā)展的底層驅(qū)動(dòng)力，第一代運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的從無(wú)到有；第二代運(yùn)載火箭基于有毒推進(jìn)劑與模擬電路技術(shù)，以貯箱為代表的結(jié)構(gòu)材料體系主要使用2A14鋁合金；第三代運(yùn)載火箭基于無(wú)毒無(wú)污染液氧煤油、液氫液氧推進(jìn)劑，使用數(shù)字總線技術(shù)，并且以貯箱為代表的材料體系升級(jí)到2219鋁合金；基于運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)并對(duì)標(biāo)我國(guó)運(yùn)載火箭發(fā)展問題和不足，第四代運(yùn)載火箭將以重復(fù)使用、運(yùn)載能力跨越提升為核心特征，持續(xù)牽引智能飛行、大推力重復(fù)使用動(dòng)力、鋁鋰合金新質(zhì)材料、功能型機(jī)構(gòu)等技術(shù)攻關(guān)突破，支撐航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)；第五代運(yùn)載火箭處于多技術(shù)路徑探索階段。中國(guó)運(yùn)載火箭代際發(fā)展如圖8所示。

圖8 中國(guó)運(yùn)載火箭代際發(fā)展

2.2 運(yùn)載火箭發(fā)展需求分析

當(dāng)前隨著世界主要航天大國(guó)和主體加速太空經(jīng)濟(jì)與軍事發(fā)展，航天運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)τ谶\(yùn)載火箭的需求呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)，2022年世界運(yùn)載火箭全年入軌級(jí)發(fā)射186次，創(chuàng)下歷史新高，2023年預(yù)計(jì)發(fā)射超過200次，將再創(chuàng)新高。爆發(fā)式增長(zhǎng)的入軌發(fā)射需求對(duì)運(yùn)載火箭發(fā)展提出了新要求，一是增大火箭入軌能力；二是提升發(fā)射效費(fèi)比，用更少的成本將更多的有效載荷送入目標(biāo)軌道。由此可建立公式(1)和(2)以表征運(yùn)載火箭發(fā)展要求。

J發(fā)射效能=

(1)

式中,M起飛質(zhì)量、K運(yùn)載效率分別表征運(yùn)載火箭起飛質(zhì)量和運(yùn)載效率，兩者相乘可得運(yùn)載能力；η發(fā)射效率表征火箭每年最大發(fā)射次數(shù)，與火箭生產(chǎn)能力、測(cè)發(fā)周期、發(fā)射場(chǎng)工位數(shù)量等條件有關(guān)；R可靠性表征飛行可靠性；ω成本表征單位載荷發(fā)射成本；J發(fā)射效能表示單位經(jīng)費(fèi)可發(fā)射的入軌質(zhì)量，其數(shù)值越高，代表運(yùn)載火箭整體效費(fèi)比越高。

為滿足增大有效載荷入軌能力需求，基于公式(1)，分解得到

M入軌總質(zhì)量=∑(M起飛質(zhì)量×K運(yùn)載效率×η發(fā)射效率)

(2)

式中,M入軌總質(zhì)量表征一個(gè)自然年內(nèi)，一個(gè)國(guó)家所有運(yùn)載火箭在一年內(nèi)理論入軌最大質(zhì)量。

分析式(2)可得,對(duì)于小、中型運(yùn)載火箭，由于起飛質(zhì)量偏小，要想獲得較大的入軌質(zhì)量，需提高運(yùn)載效率、發(fā)射效率指標(biāo)。對(duì)于大、重型運(yùn)載火箭，由于起飛質(zhì)量大，在入軌總質(zhì)量滿足發(fā)射需求前提下，可適當(dāng)放寬運(yùn)載效率、發(fā)射效率指標(biāo)要求，支撐提升運(yùn)載火箭不同任務(wù)剖面的適應(yīng)性。同時(shí)為滿足發(fā)射效能提升需求，基于式(1)，分析可得可靠性指標(biāo)需有效提升，而發(fā)射成本指標(biāo)需合理降低。

隨著我國(guó)低軌星座等空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及空間探索需求持續(xù)增長(zhǎng)[10]，年入軌質(zhì)量需求將持續(xù)提升，若此時(shí)火箭運(yùn)載能力和發(fā)射效能無(wú)法提升，將導(dǎo)致出現(xiàn)高昂的發(fā)射服務(wù)費(fèi)，難以滿足新時(shí)代高質(zhì)量發(fā)展要求，必須通過創(chuàng)新技術(shù)驅(qū)動(dòng)運(yùn)載效率與能力、成本、可靠性和發(fā)射效率等核心指標(biāo)跨越升級(jí)，推動(dòng)下一代主力運(yùn)載火箭發(fā)展，助推航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)。

3 下一代主力運(yùn)載火箭發(fā)展思考與創(chuàng)新實(shí)踐

3.1 運(yùn)載效率與能力提升

傳統(tǒng)運(yùn)載火箭依靠增加級(jí)數(shù)、研制大推力發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)效率、能力的一定提升，下一代主力運(yùn)載火箭將主要在總體載荷精細(xì)化設(shè)計(jì)、基于偏差概率的總體協(xié)同設(shè)計(jì)、輕質(zhì)高效結(jié)構(gòu)和增壓技術(shù)、新質(zhì)材料、更大直徑結(jié)構(gòu)以及發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升等方面突破發(fā)展。

3.1.1 總體載荷精細(xì)化設(shè)計(jì)

為提升火箭運(yùn)載效率，總體方案設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)針對(duì)載荷精細(xì)化、偏差余量控制以及環(huán)境條件降低等方面開展。

在載荷精細(xì)化設(shè)計(jì)方面，主要包括載荷計(jì)算輸入降低、外激勵(lì)精確預(yù)示以及計(jì)算方法改進(jìn)。一是要降低載荷計(jì)算輸入，在現(xiàn)有雙向準(zhǔn)實(shí)時(shí)風(fēng)修正技術(shù)、加表主動(dòng)減載基礎(chǔ)上，拓展至三向準(zhǔn)實(shí)時(shí)風(fēng)修正技術(shù)，并研究基于風(fēng)攻角高精度測(cè)量的主動(dòng)減載技術(shù)，綜合降低載荷計(jì)算輸入；二是要精確預(yù)示與辨識(shí)外激勵(lì)，通過研究跨聲速脈動(dòng)壓力(見圖9)等外源激勵(lì)機(jī)理和反向辨識(shí)方法，提升外激勵(lì)表征精度，降低動(dòng)載荷；三是要應(yīng)用概率設(shè)計(jì)等方法，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)包絡(luò)設(shè)計(jì)模式，降低保守性。最終使同等工況下載荷計(jì)算值相較上一代火箭降低20%。

圖9 火箭跨聲速壓力云圖

在偏差余量控制方面，主要基于飛行和地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過運(yùn)載火箭動(dòng)力學(xué)天地一致性分析技術(shù)，采用智能算法回歸辨識(shí)氣動(dòng)壓心等偏差。相較上一代運(yùn)載火箭，偏差絕對(duì)值壓縮20%。

在環(huán)境條件降低方面，一是通過回歸辨識(shí)飛行和地面數(shù)據(jù)降低環(huán)境條件；二是通過主被動(dòng)減振降噪設(shè)計(jì)，如采用吸隔聲一體化聲學(xué)覆蓋層等技術(shù)實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)化全頻段復(fù)合降噪，以支撐單機(jī)及系統(tǒng)減少不必要的設(shè)計(jì)裕度。相較上一代運(yùn)載火箭，降低星箭界面和關(guān)鍵位置的環(huán)境條件30%。

3.1.2 基于偏差概率的總體協(xié)同設(shè)計(jì)

在降低偏差的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步合理使用偏差，突破并應(yīng)用基于偏差概率的總體協(xié)同設(shè)計(jì)，解決制約運(yùn)載火箭總體性能提升的偏差余量大、設(shè)計(jì)保守等共性瓶頸問題，提升運(yùn)載火箭總體性能。

開展運(yùn)載火箭總體協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)建設(shè)，通過規(guī)范數(shù)據(jù)接口，構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)同源”；通過集成總體各專業(yè)核心設(shè)計(jì)工具，實(shí)現(xiàn)基于顯性化流程的數(shù)據(jù)“變化同知”；有效集成總體設(shè)計(jì)流程、數(shù)據(jù)接口、設(shè)計(jì)工具，實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)小小回路、小回路、大回路的多專業(yè)快速迭代設(shè)計(jì)，總體協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)功能見圖10。在此基礎(chǔ)上，一是可實(shí)現(xiàn)彈道、制導(dǎo)、控制與載荷多專業(yè)聯(lián)合優(yōu)化飛行剖面，減少專業(yè)解耦設(shè)計(jì)后各自重復(fù)留取的設(shè)計(jì)余量問題；二是開展基于偏差概率的增壓優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)安全系數(shù)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)極限偏差包絡(luò)設(shè)計(jì)模式，實(shí)現(xiàn)偏差的合理使用，解決偏差余量較大的問題。相較上一代運(yùn)載火箭，偏差使用方式由單項(xiàng)疊加變?yōu)橥捶治?，降低偏差綜合影響20%。

圖 10 總體協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)功能

基于上述兩項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)結(jié)合輕質(zhì)高效結(jié)構(gòu)和增壓技術(shù)、新質(zhì)材料等技術(shù)和材料的發(fā)展與應(yīng)用，共同支撐運(yùn)載效率提升20%以上。

3.2 成本降低

新技術(shù)與新管理方法相結(jié)合共同促進(jìn)下一代運(yùn)載火箭成本降低。在新技術(shù)方面，重點(diǎn)通過攻關(guān)垂直起降、帶翼飛回等重復(fù)使用總體技術(shù)，攻克高精度返回導(dǎo)航制導(dǎo)姿控、再入熱防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一子級(jí)重復(fù)使用以及兩級(jí)完全重復(fù)使用，使運(yùn)載火箭回歸運(yùn)輸工具的本質(zhì)特性，將本質(zhì)降低下一代運(yùn)載火箭成本；在新管理方法方面，主要推動(dòng)運(yùn)載火箭產(chǎn)品化、通用化發(fā)展，基于通用貨架產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)高效集成，推動(dòng)成本降低，同時(shí)可保證產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2.1 重復(fù)使用技術(shù)

在新技術(shù)方面，通過攻關(guān)垂直起降、帶翼飛回等重復(fù)使用總體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一子級(jí)重復(fù)使用以及兩級(jí)完全重復(fù)使用，使運(yùn)載火箭回歸運(yùn)輸工具的本質(zhì)。垂直起降等重復(fù)使用回收技術(shù)將對(duì)火箭構(gòu)型方案[11]產(chǎn)生多方面影響。

(1)一子級(jí)重復(fù)使用火箭級(jí)間比減小

與一次性火箭不同，為確保一子級(jí)返回，一二級(jí)分離高度不能過高，否則將導(dǎo)致額外的熱防護(hù)質(zhì)量增大和更多的減速推進(jìn)劑需求，影響火箭上升段性能，所以重復(fù)使用火箭相對(duì)于同等規(guī)模一次性火箭級(jí)間比有所減小。以某型火箭為例，其重復(fù)使用運(yùn)載能力隨級(jí)間比變化情況如圖11所示，重復(fù)使用時(shí)最優(yōu)運(yùn)載能力對(duì)應(yīng)的級(jí)間比為3.6左右，同等起飛規(guī)模一次性火箭構(gòu)型的最優(yōu)級(jí)間比為4.0左右。

圖 11 某型火箭運(yùn)載能力隨級(jí)間比變化情況

(2)垂直起降重復(fù)使用火箭普遍采用多機(jī)布局構(gòu)型

返回時(shí)火箭結(jié)構(gòu)質(zhì)量與剩余推進(jìn)劑質(zhì)量一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于起飛質(zhì)量，為了提升返回著陸時(shí)的速度位置控制精度，要求基礎(chǔ)級(jí)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)推力不能太大，需要與返回時(shí)火箭總質(zhì)量相匹配，因此垂直起降重復(fù)使用火箭將普遍采用多機(jī)布局構(gòu)型[12]，如表1所示。同時(shí)一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)變多，將增加一子級(jí)在全箭中的成本占比，有利于提升重復(fù)使用效益。

表1 垂直起降重復(fù)使用火箭的基礎(chǔ)級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)

(3)重復(fù)使用火箭二級(jí)推重比增大

由于重復(fù)使用火箭級(jí)間比縮小，火箭二級(jí)飛行時(shí)須克服更多的重力，二級(jí)總速度增量增加，要求二級(jí)推重比增大,結(jié)構(gòu)效率提高。同時(shí)，為適應(yīng)中高軌任務(wù)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)具備深度推力調(diào)節(jié)和多次點(diǎn)火能力。

3.2.2 產(chǎn)品化發(fā)展

基于當(dāng)前我國(guó)運(yùn)載火箭已有成熟產(chǎn)品以及未來發(fā)展需求，深入分析產(chǎn)品研制的本質(zhì)內(nèi)涵和核心邏輯，建立運(yùn)載火箭“總體--系統(tǒng)--單機(jī)”發(fā)展架構(gòu)；面向多型運(yùn)載火箭，將系統(tǒng)功能需求細(xì)分為共性通用與個(gè)性定制兩類，同時(shí)兼顧前瞻性和擴(kuò)展性，對(duì)需求“既統(tǒng)且籌”，通過統(tǒng)一接口規(guī)范和制定通用試驗(yàn)技術(shù)條件打造通用產(chǎn)品平臺(tái)，進(jìn)而建立系統(tǒng)級(jí)、單機(jī)級(jí)通用產(chǎn)品貨架，指導(dǎo)系統(tǒng)集成和單機(jī)產(chǎn)品研制，為型號(hào)提供成熟可靠的產(chǎn)品選擇，產(chǎn)品化工作流程見圖12。目前已完成了運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、電氣、地面測(cè)發(fā)控等全系統(tǒng)通用產(chǎn)品貨架的制定。

圖12 產(chǎn)品化工作流程

以運(yùn)載火箭地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)[14]為例，從系統(tǒng)物理本質(zhì)出發(fā),按照專業(yè)技術(shù)驅(qū)動(dòng)將地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)按“地面供配電、有線測(cè)控、無(wú)線測(cè)控、數(shù)傳通信、測(cè)發(fā)軟件”5個(gè)功能模塊開展系統(tǒng)研制，通過推動(dòng)不同型號(hào)的地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)統(tǒng)型，可降低維護(hù)改造費(fèi)用，同時(shí)支撐實(shí)現(xiàn)同一工位能發(fā)射多型火箭。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)陸發(fā)射場(chǎng)CZ-2C、CZ-3A地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)統(tǒng)型，其中CZ-2C型號(hào)已在多次飛行試驗(yàn)中成功應(yīng)用，地面設(shè)備種類減少50%以上，靶場(chǎng)人員崗位減少30%以上。同時(shí)按照統(tǒng)型方案完成了海南發(fā)射場(chǎng)CZ-5、CZ-7、CZ-8火箭地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)升級(jí)改造工作，相關(guān)成果將有力支撐下一代運(yùn)載火箭研制。

3.3 可靠性提升

下一代主力運(yùn)載火箭不僅要提升產(chǎn)品固有可靠性，還將主要從構(gòu)型模塊精簡(jiǎn)、動(dòng)力系統(tǒng)冗余以及應(yīng)用智能飛行技術(shù)等方面來提升可靠性。

3.3.1 構(gòu)型模塊精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)

當(dāng)產(chǎn)品可靠性一定時(shí)，通過簡(jiǎn)化構(gòu)型與模塊，減少產(chǎn)品數(shù)量可實(shí)現(xiàn)可靠性提升。

針對(duì)低軌發(fā)射任務(wù)，在同等起飛規(guī)模下，假設(shè)多級(jí)火箭各級(jí)結(jié)構(gòu)效率相等，發(fā)動(dòng)機(jī)真空比沖一定，則在不同級(jí)數(shù)下，對(duì)運(yùn)載效率和理想速度關(guān)系進(jìn)行分析，如圖13所示，分析可得：

圖13 火箭級(jí)數(shù)和結(jié)構(gòu)效率對(duì)理想速度與運(yùn)載效率影響

1)當(dāng)兩級(jí)火箭結(jié)構(gòu)效率達(dá)到0.95時(shí)，其低軌運(yùn)載效率已經(jīng)高于結(jié)構(gòu)效率為0.90的三級(jí)火箭；

2)當(dāng)多級(jí)火箭結(jié)構(gòu)效率提升同等幅度時(shí)(例如從0.90提升至0.95)，三級(jí)火箭運(yùn)載效率提升幅度Δ2小于兩級(jí)火箭的提升幅度Δ1。

因此，下一代運(yùn)載火箭在采用結(jié)構(gòu)效率提升措施后，綜合考慮可靠性和成本，可將構(gòu)型精簡(jiǎn)為兩級(jí)火箭。

基于上述分析以及重復(fù)使用火箭構(gòu)型特點(diǎn)，推動(dòng)重型運(yùn)載火箭構(gòu)型方案從并聯(lián)構(gòu)型變?yōu)榇?lián)構(gòu)型，如圖14所示，從3種直徑模塊統(tǒng)一到1種，發(fā)動(dòng)機(jī)種類從3種變?yōu)?種，其中兩級(jí)串聯(lián)構(gòu)型全箭使用同一種液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)型模塊的大幅精簡(jiǎn)。重型運(yùn)載火箭構(gòu)型方案的轉(zhuǎn)變，將更好地支撐我國(guó)下一代運(yùn)載火箭發(fā)展，助推航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)。

圖14 重型運(yùn)載火箭構(gòu)型方案演進(jìn)

3.3.2 智能飛行技術(shù)

為了在產(chǎn)品本質(zhì)可靠性極限基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升飛行可靠性，需發(fā)展并應(yīng)用智能飛行技術(shù)[15]，使運(yùn)載火箭具備智能感知監(jiān)測(cè)、評(píng)估決策以及處置能力，共同提升下一代運(yùn)載火箭可靠性。在故障診斷與任務(wù)重規(guī)劃技術(shù)方面，2020年基于長(zhǎng)征二號(hào)丙火箭，開展了相應(yīng)的飛行搭載驗(yàn)證[16]，通過基于飛行動(dòng)力學(xué)參數(shù)故障診斷方法，實(shí)現(xiàn)飛行過程中每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)推力系數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并基于火箭當(dāng)前飛行速度和位置以及剩余燃料，在線評(píng)估推力下降故障后的剩余入軌能力，完成了任務(wù)重規(guī)劃技術(shù)的初步驗(yàn)證。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步突破發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)故障診斷、決策融合故障診斷、姿控可重構(gòu)性評(píng)價(jià)算法，完成了考慮落區(qū)約束的任務(wù)重規(guī)劃算法，以及控制可重構(gòu)性評(píng)價(jià)、改進(jìn)迭代制導(dǎo)、容錯(cuò)姿態(tài)控制算法研究，制定如圖15所示的運(yùn)載火箭“故障診斷--重規(guī)劃--控制重構(gòu)”故障診斷與處置技術(shù)通用架構(gòu)，可有效支撐在役火箭飛行可靠性提升和下一代運(yùn)載火箭智能化升級(jí)。

圖15 故障診斷與處置技術(shù)通用架構(gòu)

采用故障診斷與處置等智能飛行技術(shù)，將有效提升運(yùn)載火箭對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障適應(yīng)能力，支撐我國(guó)下一代運(yùn)載火箭飛行可靠性有效提升0.5%以上。

3.4 發(fā)射效率提升

下一代主力運(yùn)載火箭發(fā)射效率提升除進(jìn)一步流程優(yōu)化以外，采用智能測(cè)試、無(wú)人加注值守、遠(yuǎn)程聯(lián)合輔助測(cè)發(fā)以及箭地接口通用化等設(shè)計(jì)，可以本質(zhì)上提升發(fā)射效率。

3.4.1 智能測(cè)試技術(shù)

當(dāng)前我國(guó)運(yùn)載火箭測(cè)試階段依賴地面等效測(cè)試設(shè)備，存在較多的切換操作，自動(dòng)化水平不足，未能充分利用箭載系統(tǒng)的智能處理能力。為提升測(cè)試效率，下一代運(yùn)載火箭需重點(diǎn)在4個(gè)方面開展工作。

1)自動(dòng)化?？蓪⒉糠值販y(cè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)移至箭上進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)判讀驗(yàn)證，目前新一代運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)測(cè)試已基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，判讀僅需要少量人為操作，參數(shù)判斷以閾值法和簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式為主。后續(xù)重點(diǎn)針對(duì)回路阻值測(cè)試、時(shí)序測(cè)試等項(xiàng)目進(jìn)一步開展自動(dòng)化測(cè)試設(shè)計(jì)。

2)并行化。辨識(shí)測(cè)試過程中可并行測(cè)試的項(xiàng)目，采用自動(dòng)并行測(cè)試大幅縮短測(cè)試時(shí)間，如控制分系統(tǒng)測(cè)試中，對(duì)各單機(jī)的自檢、零位測(cè)試等項(xiàng)目同步開展。

3)智能化。采用基于模式識(shí)別的智能化電氣設(shè)備快速感知技術(shù)，依托模式識(shí)別、人工智能等技術(shù)實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、綜合判斷及智能化快速自感知。

4)等效化。面向重復(fù)使用一子級(jí)回收后的測(cè)試，充分借用等效器實(shí)現(xiàn)部段測(cè)試，支撐重復(fù)使用等特殊場(chǎng)景應(yīng)用。

3.4.2 遠(yuǎn)程輔助測(cè)發(fā)技術(shù)

隨著航天運(yùn)輸領(lǐng)域超高密度發(fā)射逐步常態(tài)化，型號(hào)研制與發(fā)射任務(wù)的持續(xù)高壓，高密度的研制發(fā)射形勢(shì)與有限的人力資源之間的矛盾日益凸顯。通過構(gòu)建遠(yuǎn)程輔助測(cè)發(fā)系統(tǒng)，在全箭測(cè)試、發(fā)射任務(wù)中使用遠(yuǎn)程輔助測(cè)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)型號(hào)發(fā)射任務(wù)的并行保障，這是提升發(fā)射效率的重要抓手。

遠(yuǎn)程輔助測(cè)發(fā)系統(tǒng)以各發(fā)射基地、各測(cè)試廠房前端測(cè)發(fā)控網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)為根本，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)作為發(fā)射場(chǎng)測(cè)發(fā)網(wǎng)絡(luò)的延伸，將前方數(shù)據(jù)安全回傳至遠(yuǎn)程測(cè)發(fā)大廳。遠(yuǎn)程測(cè)發(fā)大廳基于音視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、通用化判讀平臺(tái)、全系統(tǒng)健康管理平臺(tái)、遠(yuǎn)程諸元設(shè)計(jì)系統(tǒng)、數(shù)字伴飛系統(tǒng)等，可提供覆蓋出廠測(cè)試、發(fā)射任務(wù)全流程的后方保障服務(wù)，系統(tǒng)架構(gòu)見圖16，實(shí)現(xiàn)“運(yùn)籌帷幄，決勝千里”。遠(yuǎn)程輔助測(cè)發(fā)系統(tǒng)目前已完成第一階段建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程測(cè)試大廳、各發(fā)射基地和各測(cè)試廠房的互聯(lián)互通，具備后方測(cè)試判讀、射前監(jiān)測(cè)、數(shù)字伴飛等功能，支撐了空間站建造、探月、探火等重大工程發(fā)射任務(wù)。第二階段預(yù)計(jì)2023年年底完成建設(shè)，增加音視頻雙向互動(dòng)、遠(yuǎn)程諸元設(shè)計(jì)等功能，進(jìn)一步提升遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性、實(shí)時(shí)性。

圖16 遠(yuǎn)程輔助測(cè)發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)

4 總結(jié)

我國(guó)運(yùn)載火箭經(jīng)過60多年的發(fā)展與創(chuàng)新，支撐了載人航天、北斗導(dǎo)航、月球探測(cè)、火星探測(cè)等一系列國(guó)家重大工程順利實(shí)施，托舉了中華民族的飛天夢(mèng)想。面向當(dāng)今以大規(guī)模低軌星座建設(shè)、載人月球探測(cè)和大規(guī)模深空探測(cè)為代表的發(fā)展需求與機(jī)遇，立足我國(guó)國(guó)情和發(fā)展需要，通過分析下一代主力運(yùn)載火箭發(fā)展特征與方向，科學(xué)指導(dǎo)我國(guó)運(yùn)載火箭向更大運(yùn)載能力、更高效能方向高速發(fā)展，支撐高水平科技自立自強(qiáng)，推動(dòng)我國(guó)早日建設(shè)成為世界航天強(qiáng)國(guó)。