基于聚類分析的運載火箭劃代研究

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 王雪梅 秦旭東 王小軍

經過50多年的艱苦奮斗，我國航天事業(yè)取得了驕人的成績，實現(xiàn)了人造地球衛(wèi)星、載人航天、深空探測三個里程碑成就，完成了包括成功發(fā)射“東方紅”一號人造地球衛(wèi)星的CZ-1以及“神舟”系列載人飛船的CZ-2F等在內的眾多運載火箭型號的研制任務，同時也正在進行CZ-5、CZ-7等新型運載火箭的研制。隨著運載火箭型號的不斷增加，技術水平也已發(fā)生了巨大變化，進行火箭劃代研究將對探索和分析我國運載火箭技術演進規(guī)律、指導我國火箭的型譜化建設以及未來新型號研制具有重要的借鑒和參考意義。

目前，國內外還沒有對運載火箭的劃代開展專題研究。對戰(zhàn)斗機和航空母艦的劃代一般基于技術指標，對導彈的劃代也較為復雜，而運載火箭的產品生命周期較長且性能指標受任務需求影響較大，單純以研制時間或技術先進性進行劃代都不盡合理，需要通過綜合考慮技術、性能、經濟等多種因素對其進行評判和歸類。因此，筆者根據(jù)運載火箭的綜合特征，采用聚類分析方法對我國運載火箭型號進行了代際劃分，以期為開展我國運載火箭的型譜化建設及未來新型號研制提供參考。

一、聚類分析方法概述

聚類分析（Cluster Analysis）是根據(jù)研究對象的性質特征對其進行分類的多元分析技術的統(tǒng)稱。通過聚類分析可以把特征相近的個體歸為一類，使得分在同類中的個體具有高度的同質性，而不同類的個體具有高度的異質性。聚類分析方法為人口學、營銷學、醫(yī)學等眾多領域所采用，是目前應用最為廣泛的分類技術。

聚類分析一般通過相關性、距離或關聯(lián)度等測度研究對象的相似性，進而對其進行分類，最為常用的是距離測度。距離測度的計算方法大多采用歐式距離算法，也還有絕對值距離、明科夫斯基距離和馬氏距離等算法。

聚類方法也有很多，研究中常用層次聚類法和迭代聚類法。前者的核心是計算類與類的距離，并通過樹狀圖詳盡的表達聚類過程，是應用最廣泛的聚類方法；后者則是在預設分類數(shù)的基礎上對樣本進行歸集，其可以克服層次聚類法需存儲距離矩陣和計算量較大的問題，更適用于大樣本的聚類分析。

因此，采用聚類分析方法對運載火箭進行劃代研究可以綜合考慮多種評價指標，避免單一因素的局限性；可根據(jù)樣本特性進行計算分類，避免人為確定分類標準的主觀性。同時，聚類分析方法較為成熟，結果具有較強的說服力。

二、體系模型的建立及分析

我國運載火箭的發(fā)展始于20世紀60年代中期，經過長期的艱苦探索形成了由10多種型號組成的CZ系列運載火箭群體。CZ系列火箭經歷了從串聯(lián)到并聯(lián)，從末級一次啟動到多次啟動，從常溫推進劑到低溫推進劑，從發(fā)射一箭單星到一箭多星，直至發(fā)射載人飛船的技術跨越。CZ火箭可將有效載荷送入任意地球軌道，且具備了向深空發(fā)射航天器的能力，入軌精度也已處于國際先進水平。然而，運載火箭的研制是項系統(tǒng)工程，其技術指標也較為復雜，所以難以簡單地對火箭類型進行劃分及評價。

筆者通過梳理國內外運載火箭發(fā)展歷程及技術演變過程，歸納我國CZ系列運載火箭的評價標準以及采用專家會議法討論確定了影響運載火箭綜合性能的主要指標，形成了火箭劃代分析的綜合評價指標體系。該評價體系包含總體性能、產品性能、可靠性和安全性、環(huán)境適應性、使用維護性和經濟性六個方面，且被進一步細化為29項具體評價指標，涉及總體、控制、動力、結構、測量、地面發(fā)射支持等各個系統(tǒng)，旨在綜合考評我國CZ系列運載火箭性能，以便梳理火箭發(fā)展脈絡，探索運載技術發(fā)展的內在規(guī)律。

根據(jù)火箭性能指標的具體實現(xiàn)情況并廣泛征求專家意見，從指標體系的六個方面分解形成了29項評價指標的評分細則，最終形成了總計150分的指標評分表（見表1）。得分越高，表示火箭型號的綜合性能越先進。

表1 指標評分表

通過專家打分法對我國運載火箭發(fā)展過程中的14個已飛型號和4個在研型號的29項指標分別進行了評價打分，并根據(jù)相應的評分結果對這18個運載火箭型號進行了代際劃分，具體結果見表2。

該劃代結果與目前對火箭的常規(guī)認識有較高的一致性。第一代運載火箭采用模擬控制系統(tǒng)，是我國進入宇宙空間的探索性研究，解決了我國運載火箭的有無問題，使我國具備了獨立發(fā)射衛(wèi)星的能力。

表2 劃代結果

第二代運載火箭帶有較強的戰(zhàn)略武器痕跡，采用了數(shù)字控制系統(tǒng)，總體性能比第一代有了較大提升。

第三代運載火箭在第二代的基礎上持續(xù)開展可靠性增長和技術改進，任務適應能力大大提高。

第四代運載火箭采用無毒無污染推進劑，將全面提高我國運載火箭的技術水平，增強進入空間的能力，滿足空間技術發(fā)展的需求和國防現(xiàn)代化建設要求，可使我國運載技術始終處于世界先進水平行列。

按此思路，我國運載火箭未來發(fā)展的重點方向應為構建快速響應發(fā)射能力，進一步加大火箭運載能力，研制可重復使用運載器以及發(fā)展核推進等高比沖推進系統(tǒng)等。