我國航天運輸系統60年發展回顧

龍樂豪，李平岐，秦旭東，牟 宇

(1.中國運載火箭技術研究院,北京100076；2.北京宇航系統工程研究所,北京100076)

0 引言

空間是維護國家安全和國家利益的制高點，進入空間進而利用空間是世界航天大國不懈追求的目標。航天運輸系統是一個國家自主進入空間能力的集中體現，是自主利用空間的基本前提，是實現、保持、發展空間安全和國家利益的核心能力。

航天運輸系統是指往返于地球表面和空間軌道之間，或在不同軌道之間運輸，以及完成地外天體著陸和返回運輸各種有效載荷的運輸工具的總稱。一般可以分為一次性運載火箭(含快速進入空間運載器)、軌道轉移運載器、重復使用運載器3個領域，如圖1所示。從目前情況來看，一次性運載火箭仍是我國滿足進入空間需求的主體。另外，3個領域的劃分也可能隨著未來的發展進行調整。以快速進入空間運載器為例，目前論證的型號仍屬于一次性運載火箭，后續視研究方向擴展情況，也可獨立成一個單獨的領域。

軌道轉移運載器是指在外層空間執行有效載荷軌道轉移、軌道部署及相關延伸性服務的一種航天運載器，具有獨立的動力系統和控制系統，可根據任務需要自主、長期在軌運行。軌道轉移運載器以上面級為典型應用代表，通常作為火箭末級使用，又稱上面級火箭。

重復使用運載器是指部組件部分或全部可多次重復使用的運載器。按重復使用程度可分為完全重復使用、部分重復使用;按動力方式可分為火箭動力、組合動力;按起降方式可分為垂直起飛水平著陸、垂直起降、水平起降;按運載器氣動外形可分為升力體式、基于傳統運載火箭構型。

我國的航天運輸系統起步于20世紀60年代，經過半個世紀的發展，共研制了17種運載火箭、9種上面級，具備發射低、中、高不同軌道，不同有效載荷的能力。截止到2017年11月底，我國長征系列運載火箭已飛行256次，將353個航天器送入預定軌道，發射成功率為94.92%。運載火箭技術的發展為航天技術提供了廣闊的舞臺，推動了中國衛星和及其應用以及載人航天技術的發展，有力支撐了以“載人航天”、“嫦娥奔月”和“北斗導航”為代表的國家重大航天工程以及航天對外交流合作，為中國航天的發展提供了強有力的支撐。

1 我國航天運輸系統發展歷程回顧

1.1 一次性運載火箭及軌道轉移運載器

自20世紀60年代以來，經過半個多世紀的發展，我國運載火箭的發展大致經歷了7個階段[1]。

第一階段：在戰略導彈基礎上起步，主要解決我國運載火箭的有無問題,典型代表是CZ-1、CZ-2。

CZ-1火箭應1965年5月啟動的“651計劃”而生[2]，在東風四號導彈基礎上加第三級固體火箭，1970年4月24日成功發射東方紅一號衛星(質量為173kg，比蘇、美、法、日首顆衛星總質量多20.4kg)，從此拉開中國航天活動序幕。CZ-2火箭于1975年11月26日首次飛行成功，以東風五號洲際導彈為基礎研制成功，后衍生出CZ-2C、CZ-2D、CZ-2E、CZ-2F、CZ-3A系列、CZ-4系列等多種型號。

第二階段：滿足通信等衛星應用需求，按照運載火箭技術的自身發展規律而研制。追求運載能力、可靠、廉價，主要特點是研制成功了采用液氫液氧低溫推進劑的第三級(如CZ-3、CZ-3A系列火箭的第三級),以及采用常規推進劑的第三級(如CZ-4系列火箭的第三級)，火箭技術水平顯著提升。

CZ-3火箭因1975年3月31日中央軍委討論通過的 “331工程(衛星通信工程)”啟動立項研制，首次采用氫氧高能推進劑，攻克了36項關鍵技術，經過9年多奮斗，于1984年1月29日首次發射部分成功，4月8日再次發射圓滿成功。在70天內攻克了氫氧火箭發動機高空二次啟動的世界性難題，使我國火箭在當時跨入世界先進行列。

第三階段：為國際商業發射誕生，滿足大質量通信衛星發射需求，典型代表是CZ-2E。

1985年10月，我國宣布長征火箭投入國際商業發射，當時我國運載能力最大的CZ-3火箭地球同步轉移軌道GTO運載能力僅1.5t左右。而通信衛星為了滿足大容量、多功能、長壽命的市場需求，重型化已成為大勢所趨。為了滿足該需求，提出在CZ-2C火箭的基礎上捆綁4個助推器來提升火箭運載能力的方案，CZ-2E因此而誕生。CZ-2E火箭研制過程中攻克了助推器捆綁和分離、高空風修正、大型整流罩等多項關鍵技術，顯著提升了長征系列運載火箭的運載能力。1990年7月16日CZ-2E首飛成功，為我國后續載人火箭研制奠定了堅實的技術基礎。長征火箭自1990年4月成功發射亞洲1號衛星起，已進行60余次國際商業衛星發射(含14次搭載、12顆在軌交付)，在國際發射市場占有一席之地。目前CZ-3A系列火箭是我國在國際商業發射中的主力。

面對長征火箭連續發射成功，美國個別政客捏造了“考克斯報告”(1999年5月25日出爐)，謊稱美國獨立專家評審團員向中方泄漏了導彈技術機密。1998年6月19日我們在中央電視臺據理駁斥。1998年美國立法，禁止中國火箭商業衛星發射服務，其政治歧視倒逼中國運載火箭和衛星提前配套出口。

第四階段：為載人航天需要研制，最大特點是高可靠性、高安全性，火箭待發段及上升段設置了專門的航天員逃逸救生系統，典型代表是CZ-2F。

CZ-2F火箭是在CZ-2E火箭的基礎上改進而成，是我國目前唯一的載人運載火箭。1992年9月21日立項研制，1999年11月20日首飛成功，截至目前共進行了13次發射，全部成功，其中載人發射6次，將14人次航天員送入太空，飛行可靠性達0.97。在CZ-2F火箭研制過程中突破了載人火箭總體設計、逃逸系統、故障檢測處理系統、馮卡門外形整流罩等重大關鍵技術。

第五階段：為適應環保與國家重大戰略需要而研制的新一代運載火箭和重型運載火箭。新一代運載火箭遵循一個系列、兩種發動機、三個模塊的總體思路，貫徹通用化、組合化、系列化設計思想，以高可靠、低成本、無毒、無污染、適應性強、安全性好為發展目標，新一代運載火箭型譜見圖2。典型代表是CZ-5系列、CZ-6、CZ-7、CZ-11、CZ-8。

基于Φ5m直徑模塊構建了新一代大型運載火箭CZ-5系列[3-5]，研制初期共規劃了6個構型，2006年立項研制了其中運載能力最大的E型(CZ-5)，拉開了新一代火箭研制序幕。為滿足載人空間站建設需求，2011年原總裝備部批復立項研制一級半最大運載能力構型CZ-5B火箭。基于Φ3.35m、Φ2.25m直徑模塊，研制了CZ-6、CZ-7并牽引了CZ-8等型號研制。CZ-6、CZ-11、CZ-7、CZ-5分別于2015年至2016年首飛圓滿成功，見圖3。CZ-8火箭已完成立項并開始研制。

為滿足載人登月、空間太陽能電站等為代表的大規模深空探測、空間基礎設施建設等任務需求，重型運載火箭CZ-9正在開展關鍵技術深化論證工作[6]。

第六階段：為提高適應能力而研制的軌道轉移運載器(上面級火箭)，亦稱太空擺渡車，可用于航天器軌道轉移、組網、修復等。典型代表為遠征系列液體上面級。

自20世紀90年代起，為滿足國內外衛星發射需要,成功研制了5種固體推進上面級，包括自旋穩定上面級SM、三軸穩定上面級SMA等。2008年起又研制了4種液體推進上面級，其中YZ-1、YZ-1A、YZ-2自2015年3月來已連續6次飛行試驗成功，驗證了在軌9次啟動、48小時工作的能力，YZ-3近期將搭載CZ-2D火箭首飛。后續還將研制低溫、高性能的上面級。

第七階段：為快速響應而研制，具有可整體貯存、操作簡單、發射成本低、發射周期短等特性，最大優勢是快速、便捷、靈活。典型代表是CZ-11。

CZ-11為四級固體火箭，2012年正式立項研制，2015年9月25日“一箭四星”首飛圓滿成功,它為后續海射、空射快速響應火箭奠定了基礎。

1.2 重復使用運載器

重復使用技術目前主要圍繞助推級可控回收及部分重復使用開展相關研究工作，突破了助推器和芯級翼傘回收關鍵技術，開展了演示驗證，見圖4；后續將對重復使用亞軌道運載器、重復使用軌道轉移運載器開展演示驗證，逐步突破運載器的一級和軌道級的重復使用技術。

通過對國內外發展情況的分析，結合我國重復使用運載器的技術研究現狀及技術基礎，提出我國重復使用運載器“三步走”的發展思路[7]，如圖5所示。

第一步：火箭動力的助推器、第一級可重復使用實現工程應用；

第二步：火箭動力兩級入軌完全可重復使用運載器實現工程應用；

第三步：組合動力兩級入軌完全可重復使用運載器具備工程應用能力。

2 主要成就與不足

經過50余年的發展，長征系列運載火箭經歷了從常溫推進到低溫推進、從串聯到捆綁、從一箭單星到一箭多星、從發射衛星到發射載人飛船及深空探測器的歷程，成就了我國“載人航天”、“嫦娥奔月”、“北斗導航”等重大航天工程以及航天對外交流合作，支撐了國民經濟和國防建設[8]。

2.1 主要成就

(1)總體設計能力明顯提升

新一代運載火箭采用了全新的動力系統和結構設計方案，研制過程中突破多噴管發動機底部噴流復雜熱環境預示難題，使復雜力、熱環境理論預示與控制水平顯著提升；解決了大型低溫火箭低頻模態密集、縱-橫-扭模態耦合嚴重的難題，突破了助推和芯級聯合搖擺控制技術，姿態控制理論水平顯著提升；突破了大型低溫火箭POGO抑制技術；解決了大質量分離體、大尺度柔性體可靠分離難題；突破了助推器三支點超靜定捆綁技術，解決了大長徑比助推器帶來的空間模態與芯級強耦合的難題。

(2)箭體結構設計、仿真、試驗與制造能力取得跨越式發展

此外，魚鱉混養是綜合利用水體，提高經濟效益的一條重要途徑。既提高了水體利用率，又提高了飼料利用率，使生物能源多級利用，從而提高了單位水體的經濟效益。

箭體結構設計實現了由串聯向并聯、由獨立貯箱向共底貯箱、由3.35m向5m直徑的發展，運載能力及運載效率大幅提升。箭體結構的精細化設計、強度預示水平不斷提高，箭體結構的材料、制造及焊接工藝不斷改進，設計效率及產品質量相應提升。箭體結構制造向精益制造和高可靠綠色制造方向發展，制造耗能降低、制造精度提高。箭體結構仿真、試驗能力不斷提升，實現了由實物模裝向三維數字化模裝的轉變，具備5m直徑結構千噸級靜力試驗能力。

(3)液體推進技術取得顯著進步

我國大型液體火箭發動機經過半個多世紀發展，在設計-試驗-改進設計-再試驗的研制過程中，不斷完善和提高，發動機技術水平不斷提升。目前在用常規發動機5型，包括YF-20、YF-22、YF-23、YF-40、YF-50；成功研制無毒、無污染低溫發動機6型，包括4型氫氧發動機YF-73、YF-75、YF-75D、YF-77及2型液氧煤油發動機YF-100和YF-115。YF-100發動機單機推力達到120t，采用高壓補燃循環方式，使我國成為繼俄羅斯后世界上第2個掌握補燃循環液氧煤油發動機的國家；YF-75D發動機采用膨脹循環方式，真空比沖達到442s。增壓輸送系統采取冗余設計方案，提升了可靠性；低溫增壓輸送系統實現由排放預冷向循環預冷技術的轉變，提升推遲發射的適應性；建成新一代運載火箭動力試車臺、增壓輸送系統實驗室等，具備開展液氫真實介質條件的系統及單機試驗能力。

(4)固體推進技術取得顯著進步

20世紀60年代以來研制成功的上面級固體推進發動機，滿足了我國航天發展的需要，并與國際接軌，具備國際衛星市場競爭的能力。21世紀以來還攻克了不同直徑、分段式固體發動機技術，2016年8月2日成功進行了Φ3m、2分段固體發動機地面熱試車，最大推力150t，為CZ-9大型固體助推奠定了基礎。我國固體推進動力已全面采用高壓強、高能發動機，采用大型發動機分段對接、復合材料殼體及全軸擺動柔性噴管技術，提升了發動機比沖、推力、質量比等特性。

(5)控制系統信息集成與魯棒性水平明顯改善

控制方案實現了由模擬量到數字量再到基于總線制的分布式全數字容錯的控制轉變，功能、可靠性不斷提高；制導方式實現了由隱式制導到顯式攝動制導，再到迭代制導和GPS組合導航的改進和發展，制導控制精度、抗干擾能力不斷提升；姿態控制由單獨芯級搖擺到助推與芯級聯合搖擺控制，控制能力和裕度不斷增強；箭機、慣性器件、綜控器等重要單機采取三冗余技術，系統冗余、容錯能力顯著提升；慣性器件經歷了由捷聯加速度計+陀螺儀到慣性平臺再到光纖和激光慣組的發展歷程，慣性器件的精度和可靠性大幅提升。

(6)測量通信技術向大容量、高碼率、多途徑發展

(7)測發模式及流程更加優化

測發模式由“一平兩垂”到“三垂”再到“新三垂”和“三平”發展，地面測發控系統采用遠距離測發模式，更加安全和可靠;并且突破了自重2000t級活動發射平臺機電氣液多系統集成技術，實現箭地接口無間斷連接的新三垂測發模式，實現了液氫加注后無人值守、液氫加注后推遲2h發射能力，提升我國低溫火箭推遲發射適應性。實現了測試數據的快速自動判讀，提高測試判讀效率；測發流程更加優化，發射測發時間縮減到20天左右。

(8)材料、制造工藝水平逐步提升

箭體殼段結構的金屬材料由第一代的LF6鋁合金、第二代的2014和7A09鋁合金向第三代2219、7050高強鋁合金發展，并逐漸采用高強度碳纖維復合材料、新型環保絕熱發泡材料、鋁蜂窩薄壁夾層等新型材料，提高了結構效率。金屬加工工藝由化銑、TIG焊、鑄造向機械銑、攪拌摩擦焊、3D打印等制造工藝轉變，采用導管全位置焊接及裝配技術、縱環縫自動焊接技術，提升了結構部段的焊接與裝配工藝水平。

(9)生產能力持續得到改善

長征系列運載火箭生產能力持續提升，實現了批量生產，具備年產21～22發能力，為高密度發射任務提供了強有力的保障。新一代運載火箭技改投入也在不斷加大，各研制配套單位的生產能力均得到了不同程度的提升，為后續實現高密度發射提供了基本保障。

2.2 存在的不足

長征系列運載火箭經過半個多世紀的發展，取得了輝煌成績，但相比國外先進運載火箭，在運載火箭綜合指標、設計手段、容差容錯能力等方案仍存在不少差距，具體包括：

1)火箭最大運載能力、型譜完善性與世界航天強國差距明顯；

2)總體多學科優化設計手段欠缺，總體和系統設計過于保守，材料、工藝等基礎技術仍然薄弱，造成運載火箭運載系數偏低；

3)重復使用、智能控制等先進技術尚處攻關或初期研究試驗階段，需要迎頭趕上；

4)火箭模塊規格偏多，設計、制造產品化程度不高，生產與測試發射準備周期偏長，發射任務適應性不高，發射成本優勢不再。

3 結束語

航天運輸技術是衡量一個國家綜合實力的重要標志，中國航天運輸系統經過60年發展，形成了較完整的長征運載火箭型譜系列，具備了發射低、中、高不同軌道、不同有效載荷質量的能力，取得了輝煌的成就。隨著新一代運載火箭的研制及首飛成功，長征火箭綜合性能顯著提升，大幅提高了國際競爭力，加速了我國由航天大國向航天強國邁進的步伐，相信在習近平新時代中國特色社會主義思想的指引下，我國一定會早日成為世界航天強國！

[1] 秦旭東, 容易, 王小軍. 我國運載火箭劃代技術研究[N]. 中國航天報, 2013-10-18(3).

[2] 秦旭東, 龍樂豪, 容易. 我國航天運輸系統成就與展望[J]. 深空探測學報, 2016, 3(4): 315-322.

[3] 龍樂豪, 余夢倫. 航天運載器專業發展報告[R]. ISBN 978-7-5046-6538-6, 北京：中國科學技術出版社，2014.

[4] 龍樂豪. 中國航天運輸系統的現狀與展望[J]. 中國航天, 2004 (8): 9-12.

[5] 李東, 王玨, 何巍, 等. 長征五號運載火箭總體方案及關鍵技術[J]. 導彈與航天運載技術, 2017 (3): 1-5.

[6] 龍樂豪, 鄭立偉. 關于重型運載火箭若干問題的思考[J]. 宇航總體技術, 2017, 1(1): 8-12.

[7] 吳燕生. 中國航天運輸系統的發展與未來[J]. 導彈與航天運載技術, 2007 (5): 1-4.

[8] 龍樂豪, 王小軍, 果琳麗. 中國進入空間能力的現狀與展望[J]. 中國工程科學, 2006, 8(11): 25-28.