運載火箭高適應性發展研究

◎中國航天科技集團公司 羅恒 戴屹梅 梁唐

運載火箭高適應性發展研究

◎中國航天科技集團公司 羅恒 戴屹梅 梁唐

空間是維護國家安全和國家利益的制高點，進入空間進而利用并控制空間是世界航天大國不懈追求的目標。運載火箭的技術水平代表著一個國家自主進入空間的能力，是開展空間活動的前提。運載火箭在航天技術領域始終處于基礎地位，世界各國都非常重視運載技術的發展。

筆者將世界運載火箭發展歷史歸納總結為發展型階段、實用型階段、適應性階段和高適應性階段，并提煉出不同階段火箭的發展背景、技術特點和研制規律，最后對我國運載火箭未來高適應性發展進行了展望。

一、世界運載火箭發展特點分析

自從1942年運載火箭的開山鼻祖V-2導彈第一次飛行至今，運載火箭發展已達70余年，縱觀世界各國運載火箭發展歷史，深入分析各型運載火箭的產生背景、使用目的、綜合性能，基本上可將運載火箭劃分為發展型、實用型、適應性、高適應性4種類型，各自定義如下。

發展型運載火箭：掌握航天飛行力學基礎理論，突破運載火箭工程研制的基本技術，運載能力較小，且具備一定飛行成功率的火箭。

實用型火箭：全面掌握運載火箭研制理論，具備特定用途，模塊化程度較低，運載能力較強且具備較高飛行成功率的火箭。

適應性火箭：運載能力不斷拓展，具備較高的任務適應能力，模塊化水平較高，可靠性較高且發射成功率很高的火箭。

高適應性火箭：采用綠色環保推進劑，具有完善的運載能力覆蓋性，模塊化程度極高，可靠性極高，具備快速響應能力和現代化的測發能力的火箭。

1．發展型火箭

二戰結束后，布勞恩等專家投奔美國，V-2導彈設備和資料大部分被美、蘇俘獲。美國和前蘇聯都通過仿制V-2導彈創建了本國的運載火箭。發展型火箭的典型代表有前蘇聯的Sputnik、美國的Jupiter-C火箭和中國的CZ-1。

發展型火箭的普遍技術特點包括：突破航天飛行力學基礎理論；火箭總體性能較弱，運載能力較小，火箭載荷比高；研制出相對成熟的火箭發動機，但發動機推力、比沖等性能較弱；控制裝置以模擬電子線路為主，慣性器件精度較低；制導方式以慣性制導為主；可靠性較低，飛行成功率較低；幾乎未考慮模塊化設計。

發展型火箭大量借鑒了彈道導彈設計技術，邁出了運載火箭從基本原理向工程應用的第一步。該階段的火箭均以驗證火箭技術為主要目的，屬于運載火箭發展起步階段，重點解決了各國火箭的有無問題，實際應用意義較小。

2．實用型火箭

進入冷戰時期，美蘇在航天領域展開了激烈競爭，軍事需求成為運載火箭發展的主要牽引力，兩國均研制了大、中、小各型運載火箭。歐洲則將注意力轉向了國際商業發射服務市場，Ariane系列火箭登上歷史舞臺。實用型火箭的典型代表有歐洲的Ariane 1、前蘇聯的SL-8、美國的Saturn V和中國的CZ-2C。

實用型火箭的普遍技術特點包括：全面掌握運載火箭研制理論；總體性能較強，箭載荷比較低；以基于慣性測量（平臺或慣組）+計算機+推力矢量的控制方案成為主流，計算機控制技術替代電子模擬線路控制；可靠性較高，逐步采用了冗余設計和多數表決法；發動機研制水平高（F-1，J-2發動機推力、比沖等性能強）；模塊化程度較弱；投入巨大。

在冷戰背景下，政治需求和軍事需求是牽引實用型火箭發展的源動力。實用型火箭軌道適應能力較差，應用范圍較為單一，可擴展性較差。該階段火箭的成功率已大大提高，而這背后離不開美蘇等國的巨額投入。

3．適應性火箭

冷戰結束后，世界航天發展進入新時期，如何提高運載火箭的任務適應性，為有效載荷提供較好的發射服務，力爭擴大國際商業發射份額，成為適應性火箭的發展趨勢。適應性火箭典型代表有歐洲的Ariane 5、俄羅斯Proton M和Soyuz、美國的Delta IV和Atlas 5、中國的CZ-2F和CZ-3A系列火箭。

適應性火箭的普遍技術特點為：總體性能不斷拓展。采用高性能多次啟動末級或者上面級拓展總體性能，可適應一箭多星發射模式，為有效載荷提供豐富的機械接口，提供舒適的星箭力學環境；數字控制技術成為主流，控制系統實現了系統級冗余；復合制導技術成為主流；可靠性高，多采用成熟技術和繼承性設計；復合材料及新型金屬材料的應用成為趨勢；使用維護性較強，測試發射流程在20天左右；模塊化水平較高。

適應性火箭日益重視用戶需求，不斷提高火箭的適應性和總體性能。為了提高可靠性，縮短研制周期，降低研制成本，大量采用了成熟技術及產品，開拓商業發射服務市場成為世界各國的共同追求。

4．高適應性火箭

2010年后，隨著科技的不斷進步，航天運輸系統正在由“解決如何進入空間”問題轉向“解決如何高效、可靠、低成本進入空間”問題。降低發射成本、采用綠色環保推進劑、提高商業發射市場競爭力成為高適應性火箭的發展趨勢。高適應性火箭的典型代表有歐洲的Ariane 6、俄羅斯的Angara、美國的Falcon 9和SLS、中國的新一代運載火箭。

高適應性火箭的普遍技術特點為：總體性能不斷完善，定位合理；采用了型譜化設計，具有很高的通用化、模塊化和組合化設計水平；具有良好的價格競爭力；不刻意追求產品性能最優；均采用了綠色無污染環保推進劑；具備快速響應能力和現代化的測發能力；積極探索可重復使用技術；可靠性很高，產品簡單可靠；故障診斷與健康檢測、重構控制技術成為關注重點。

高適應性火箭注重經濟性、實用性、技術先進性的平衡，運載能力不是新型火箭追求的最高目標，但運載能力必須緊密結合未來主流需求。一次性運載火箭仍然是航天運輸系統的主要組成部分，但可重復使用技術再次成為世界各國研究的熱點。為了降低進入空間的成本，以美國為代表的航天強國正探索引入商業和市場化競爭，已經取得了良好的效果。

二、高適應性發展展望

通過與國外高適應性運載火箭進行對比分析，我國運載火箭仍存在一定的差距，尤其是在重型運載火箭、完善型譜衍生構型、快速響應運載火箭、重復使用運載器以及關鍵技術攻關和共性技術攻關研究等方面，這也為未來我國運載火箭高適應性發展指明了方向。

1．開展重型火箭論證與研制

目前，美、俄把載人登月及深空探測作為后續戰略發展目標，開展SLS等重大項目研制；日、印則以無人和載人深空探測為目標；我國載人登月需要近地軌道140噸、奔月軌道50噸以上運載能力，目前現役及在研火箭均無法滿足。因此，后續應盡快開展重型火箭論證和研制，同時開展大推力液氧煤油發動機、環境預示技術、大直徑箭體及分離系統設計等關鍵技術的研究。

2．完善運載能力布局

Falcon 9、Ariane 6、H-III火箭運載能力均瞄準了未來國際商業發射服務市場主要需求，同時還具備高可靠、經濟性好的鮮明特點。通過梳理我國火箭型譜可知，仍有部分運載能力區間不夠完善，這對未來有效載荷發展形成了較為顯著的制約，也對我國積極搶占國際商業發射服務衛星市場不利，對CZ火箭國際競爭能力造成一定影響，后續應基于成熟技術和模塊，加快新一代火箭衍生構型研制，完善運載能力布局，同時，研制過程中應注重經濟性、實用性，技術先進性的平衡。

3．構建快速響應發射能力

國際上已有多種快速響應發射的小運載，如美國的Pegasus、Taurus、Falcon 9， 歐 洲 的Vega，俄羅斯的START，日本的Epsilon等，發射方式涵蓋地基簡易塔架發射、公路機動發射、空中發射和潛艇發射等多種方式；Falcon 9火箭發射場測試和發射周期目前僅需16天，固體小火箭時間更短，我國目前傳統運載火箭發射準備時間仍需20天以上。后續針對在飛火箭，可進一步優化測試發射流程、簡化發射場測試項目，開展產品運輸環境等試驗,解決影響測試發射的亟需問題；針對在研火箭，首飛及經過一定任務的考核后，進一步壓縮流程；針對未來火箭，從火箭總體設計到產品實現、操作維護、應用發射均按照快速響應思路開展。

4．解決重復使用運載器關鍵技術

可重復使用是降低航天運輸系統成本的重要途徑，同時也是保障國家戰略安全的關鍵領域。近年來，世界各國掀起了一股可重復使用技術研究熱潮，包括美國的XS-1、Xaero B、Spaceship Two、New Shepard、Dream Chaser等一系列可重復使用飛行器，歐洲的IXV、Skylon等項目已經進入飛行驗證階段。我國尚需進一步開展關鍵技術攻關和驗證，后續我國應密切跟蹤重復使用發展動態，逐步解決重復使用運載器關鍵技術，實現完全重復使用的終極目標。

5．全面提升運載火箭綜合水平

共性技術代表了運載火箭未來的技術發展方向，共性技術的落后直接制約了運載火箭綜合性能和高適應性，共性技術可分為總體集成與優化技術和系統先進技術。總體集成與優化技術代表了運載火箭總體技術的發展方向，包括環境預示及優化、全箭動特性獲取和頻率預示、變推力彈道優化、動力冗余總體設計、故障診斷與健康檢測、重構控制技術等。系統先進技術代表了運載火箭系統級技術的發展方向，包括輕質多功能結構技術、高性能動力技術、高可靠強魯棒制導與控制技術、先進測量與通信技術、快速測試及發射技術等。后續我國應盡快開展共性技術攻關研究，全面提升運載火箭綜合水平。

運載火箭是牽動航天產業發展和科技進步的龍頭，運載火箭技術的發展直接促進了衛星應用、載人航天和空間安全等技術的發展，給國民經濟帶來直接的經濟效益和巨大的間接效益。因此運載火箭技術水平不僅代表著一個國家自主進入空間的能力，也體現著一個國家最終利用空間和發展空間技術的能力，維護國家的空間安全和空間利益是一個國家航天能力的基礎，也是綜合國力的象征。

我國運載火箭正處于快速全面發展的時期，在持續跟蹤、研究國外航天發展動態，把握世界航天技術發展競爭態勢的基礎上應大力發展高適應性運載火箭，完善運載能力布局。結合深空探測等任務需求，開展重型運載火箭論證及關鍵技術攻關。密切跟蹤重復使用運載器發展動態，積極探索可重復使用技術。針對共性技術開展攻關研究，全面提升運載火箭綜合水平。這對我國運載火箭技術的發展，確保我國運載火箭發展的高適應性，乃至提升我國綜合國力具有重要意義。▲