載人運載火箭技術回顧與展望

張 智

(中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

0 引言

運載火箭是一種航天運輸工具，它負責把衛星、載人飛船、空間站、空間探測器等有效載荷送入預定軌道。載人運載火箭是發射載人飛行器的運載火箭，是運載火箭家族中的重要成員之一，是一種特殊的火箭。載人飛行器包括一次性使用的載人飛船、可重復使用的航天飛機等。

如果將東方號運載火箭將尤里·加加林送入太空的1961年作為載人航天元年，那么載人運載火箭已經有57年的歷史。在這57年中，人類進入了地球近地軌道，登上了月球，建立了地球軌道空間站，并在為進入太陽系的其他行星(火星)做著不懈的努力。在這57年中，載人運載火箭也隨著載人航天的不斷發展壯大，逐漸地從一般的運載火箭中獨立出來，成為一種特殊的運載火箭。載人運載火箭在載人航天的歷史中曾發生令人扼腕嘆息的航天事故，也建立了一個又一個的豐功偉績。

本文試圖從載人運載火箭發展的歷史中，分析載人運載火箭的特點，梳理對載人運載火箭的需求，展望載人運載火箭的未來發展，為載人航天未來發展提供參考借鑒。

1 載人運載火箭回顧

1.1 俄羅斯/蘇聯載人運載火箭

東方號(Vostok)運載火箭是世界上第一型載人運載火箭，由月球號火箭(發射了第一顆月球探測器)改進而來。該火箭采用二級捆綁式構型，使用液氧/煤油推進劑。其整流罩除了提供航天員進出艙口外，與發射衛星的整流罩基本相同。月球號火箭是由衛星號火箭改進而來，而衛星號火箭則是由液體戰略導彈P-7改進而來。因此，可以說世界上第一型載人運載火箭來源于戰略導彈。由于是在冷戰背景下研制出的載人運載火箭，東方號運載火箭沒有專門設計逃逸救生系統，在一些資料上看到的彈射座椅是在返回著陸時使用[1]。

東方號運載火箭運載能力有限，只能乘坐一名航天員。通過挖掘一子級潛力、二子級采用推力更大性能更優的發動機，增加推進劑加注量，形成了上升號(Voshod)載人運載火箭，能夠發射乘坐兩人的上升號飛船。同樣，上升號也為航天員設計了逃逸救生系統。

聯盟號(Soyuz)載人運載火箭是由上升號運載火箭改進而來的。為提升航天員的安全性，對箭體結構進行了必要的加強，關鍵部件和線路進行了冗余設計或降額設計，設計了逃逸救生系統，加強了全面質量管理。應當說，聯盟號才是真正意義上的載人運載火箭。值得注意的是，其整流罩除具備發射衛星時整流罩的功能，其前半部是逃逸飛行器結構的一部分，逃逸飛行時起著傳遞逃逸發動機推力的作用。聯盟號運載火箭在后續不斷改進和完善中，運載能力不斷增強，可靠性、安全性不斷提高，衍生出聯盟T、聯盟TM、聯盟U等，至今仍在服役，發射成功率很高。

N1載人運載火箭是蘇聯在冷戰時期建造的一種旨在載人登月的火箭，其構型類似于美國的土星V火箭，為航天員配備了逃逸救生系統。該火箭一子級采用了30臺發動機，能夠在兩臺發動機故障情況下依舊完成任務。然而，總共4次飛行均告失敗，蘇聯在美國登月成功成為事實的情況下終止了登月計劃。N1火箭4次飛行失利中有兩次與動力系統有關。

能源號(Enegya)載人運載火箭是蘇聯研制的一種可重復使用的載人運載火箭，與暴風雪號軌道器配合使用。這是一種專為重復使用載人航天器發射全新研制的火箭。與航天飛機不同的是,能源號助推器使用了液氧/煤油推進劑，芯級使用了液氫/液氧推進劑，且芯級發動機并未布置在暴風雪軌道器上。在暴風雪軌道器上為航天員配備了逃逸救生系統。

1.2 美國載人運載火箭

美國在水星計劃中使用了兩種載人運載火箭，即紅石(Redstone)和宇宙神D(Atlas D)[2-3]。在用最簡單、最可靠的方法完成計劃的思想指引下，兩種火箭都是由液體戰略導彈改進而來的。宇宙神D火箭是一種單級火箭(一套推進劑貯箱，發動機分為助推和芯級，助推發動機關閉后分離)，使用液氧/煤油推進劑。除了適應性的改進外，為確保航天員的安全性，增加了故障檢測與逃逸系統[4]。由于飛船采用無整流罩構型，逃逸系統結構比較簡單。宇宙神D火箭還加強了氧箱前后底厚度等，提高結構可靠性[3]。這兩種火箭，包括后文介紹的大力神2、土星系列載人火箭均沒有為飛船配置傳統意義上的整流罩，可以說是由于飛船構型不同引起的，也可以說是簡化構型設計的結果。

在雙子星計劃中使用了大力神2(Titan 2)運載火箭發射雙子星飛船。該火箭是軍用大力神2火箭的改進版[5]，是二級串聯式構型，使用四氧化二氮/混肼50推進劑。改進的目的是增加可靠性和航天員的安全性[6]。在最大動壓區域一旦控制系統失效，很短時間內結構將被破壞，無法實施應急救生，因此導航與控制系統進行了冗余設計。冗余設計雖然提高了可靠性，但并未根本消除此危險。

在阿波羅計劃中使用了3種運載火箭，即土星Ⅰ(Saturn Ⅰ)、土星ⅠB(Saturn ⅠB)和土星Ⅴ(SaturnⅤ)[7]。土星Ⅰ和土星ⅠB都是串聯式二級火箭，一級使用液氧/煤油推進劑，二級使用液氫/液氧推進劑，二者都是土星Ⅴ火箭的技術驗證型火箭。土星I共飛行了10次，其中SA-6、SA-7飛行中驗證了發動機冗余能力，即8臺發動機的一臺發生失效關閉后，其余7臺發動機仍然可以完成任務[8]。土星ⅠB也在此方面進行了深入的分析和嘗試[9]。土星Ⅴ是一種串聯式三級火箭，一級使用液氧/煤油推進劑，二、三級使用液氫/液氧推進劑。然而，在土星V火箭上，并未采用經過土星I驗證的動力系統冗余技術，一級采用了5臺大推力的F1液氧/煤油發動機。雖然沒有采用動力冗余的設計，依然對一臺發動機推力喪失的影響進行了深入的研究[10]。對土星Ⅴ火箭實施了結構改進，確保發生此類情況下，有足夠的故障診斷和實施應急處理的時間。在土星Ⅴ火箭上，為載人航天采用了提高可靠性的技術，配置了故障檢測系統和逃逸救生系統。

航天飛機(Space Shuttle)是NASA開發的一種部分重復使用、多任務、人貨混運、低成本、往返地球軌道空間的航天運輸系統。這是一個全新概念、全新研制的系統，沒有像以往一樣在已有火箭的基礎上開展研制。最初的航天飛機設計是兩級全部重復使用概念，全部采用液氫/液氧推進劑，后來考慮到技術難度和成本因素，才最終發展成捆綁兩個固體助推器、部分重復使用的航天飛機。該系統的可靠性設計指標是0.97，安全性指標是0.999。出于對非航天員的普通乘員乘坐的考慮，特別提出上升段乘員承受的過載不超過3g。其設計思想是故障-工作、故障-安全。通過設計、生產、試驗和過程控制等手段將災難性(任務失敗、航天員傷亡)故障模式的發生可能性降至最低。由于通過中止飛行(軌道器返回)的方式可以使安全性指標達到0.999，因而未采用逃逸救生的方式[11]。但挑戰者號和哥倫比亞號航天飛機的事故證明這種設計存在重大缺陷。

在航天飛機退役后，NASA試圖建造一次性使用的載人運載火箭，包括阿瑞斯火箭(Ares)[12]和空間發射系統(Space launch system，SLS)[13]。Ares火箭由于重返月球計劃終止而停止研制，目前正在研制的SLS運載火箭為捆綁式二級構型，芯一級使用液氫/液氧推進劑，首飛構型使用固體助推器。由于研制經費的限制，SLS研制采用了遞進式的發展路線，首先是應用現有技術構造近地軌道運載能力70t的火箭，通過技術改進，逐步實現近地軌道運載能力105t和130t的火箭。SLS火箭的載人構型均采用了故障檢測與逃逸救生系統。

1.3 中國載人運載火箭

長征二號F運載火箭是中國目前唯一一型載人運載火箭，是在長征二號E火箭基礎上，通過提高可靠性、安全性的設計而來的。該火箭是捆綁式二級火箭，使用四氧化二氮/偏二甲肼推進劑。如大多數載人運載火箭一樣，火箭配備了故障檢測系統和逃逸系統[14]。

長征二號F運載火箭的設計秉持一度故障工作、二度故障安全的設計理念，在系統可靠性、安全性提高方面開展了大量的工作。

在可靠性方面，箭體結構系統采用了1.1的強度剩余系數；控制系統采用了全面冗余設計；遙測系統對測量參數進行了分類，關鍵參數(I類)進行了冗余設計；動力系統(發動機和增壓輸送系統)也進行了旨在提高可靠性的改進；火工裝置全面采用鈍感火工品。

在安全性方面，對火箭所有危險源進行了系統分析，對最嚴重的故障模式、爆炸特性進行了理論和試驗研究，為故障檢測和逃逸系統的設計提供依據；在火箭故障診斷和逃逸指令發出方面，采用了箭上自動和地面手動相結合的方式，箭上處理發生較快的故障模式，地面處理發展速度較慢的故障模式；火箭在待發段和上升段都具備了故障檢測與逃逸功能；在上升段，采用了逃逸與中止飛行(應急分離)相結合的方式(火箭起飛120s之前采用逃逸方式，之后采用應急分離方式)[15]；為了使火箭發生故障時能夠給故障檢測和逃逸提供足夠時間，火箭增加了尾翼，并對助推器后過渡段進行了加強。

1.4 小結

從載人運載火箭的發展歷程可以看出：

(1)早期載人運載火箭均是在導彈或其他運載火箭的基礎上發展而來的。經歷了人貨合運的部分重復使用探索后，又回到人貨分運的一次性使用的運載火箭上。但這并不意味著重復使用的方向是錯誤的，只是目前的技術水平尚無法實現期望的低成本目標。

(2)高可靠性、高安全性是載人運載火箭內在要求，故障檢測系統、逃逸系統的配置是載人運載火箭的外在表現。

(3)高可靠性的設計在其他火箭中同樣有強烈的需求，載人火箭與其他火箭最根本的區別在于安全性。提高安全性的根本是消除災難性的故障模式。

(4)除高可靠性、高安全性之外，載人運載火箭還應為乘員提供舒適的乘坐環境，滿足除航天員之外的工程技術專家或普通人的乘坐需求。

2 載人運載火箭展望

未來的載人航天應從探索型向應用型轉化，載人運載火箭也應適應這一轉變，在保證滿足載人航天任務要求的同時，逐步實現其商業化。

為了保證載人運載火箭的高安全性，載人運載火箭均以高可靠性為基礎，為火箭配置了故障檢測系統和逃逸系統(或中止飛行系統)。

本文借鑒以往載人運載火箭的設計經驗，從總體設計、分系統設計角度，展望未來載人運載火箭的設計需求。

2.1 設計原則

應堅持故障-工作、故障-安全的設計原則，高可靠性和高安全性是載人運載火箭設計永遠的主題。

應堅持簡化設計的設計原則，載人運載火箭應是單任務的而不是多任務的。構型盡可能簡潔，推進劑種類、發動機種類盡可能少。

應堅持繼承性設計原則，載人運載火箭要最大程度地繼承同期運載火箭的成熟技術成果。

應堅持可靠第一、安全至上的設計原則，高可靠是高安全的基礎，但高可靠不能替代高安全，在任何情況下，安全性絕對優先。要消除災難性故障模式，而不是將其控制在可接受范圍內。

應堅持狀態協同設計原則。狀態協同是指在火箭設計中，正常飛行狀態、故障飛行狀態和逃逸(或中止飛行)飛行狀態同時作為火箭設計的輸入條件。盡可能避免無法檢測到災難性故障，或者檢測到災難性故障但無法實施逃逸的情況出現。

應堅持舒適性設計原則。舒適性是指載人運載火箭的功能、性能對乘員(含航天員、有效載荷專家或普通乘客)約束的滿足程度。譬如正常飛行與逃逸飛行的過載、振動、噪聲等。未來這些指標應按普通乘客的需求開展設計，而不是僅僅只考慮航天員的需求。

2.2 總體設計

2.2.1 構型設計

從系統簡化的角度看，串聯式構型的火箭最簡單，在其他條件均滿足的情況下，載人運載火箭應首選串聯式構型。當然這并不排除并聯式和捆綁式火箭作為載人火箭的選擇。

載人火箭與載人飛船設計應是一個統一的整體，應從系統工程的角度進行構型優化。類似聯盟飛船和神舟飛船的整流罩設計看似降低了飛船的設計難度，但是卻增加了整流罩的設計難度和整流罩分離環節，不符合簡化設計的原則。若未來飛船的規模進一步擴大，目前整流罩的設計技術遠遠不能滿足需求。

無論選取怎樣的構型，都要考慮在發生故障時，能為故障檢測和逃逸救生提供必要的條件。也就是說，在故障檢測出來前和逃逸執行后的一段時間內，火箭結構不能發生破壞并爆炸。特別是在跨聲速和最大動壓區域，火箭的質心和壓心位置應很接近。這個需求可通過火箭的構型設計或增加尾翼來實現。

2.2.2 彈道設計

從舒適性設計角度看，載人運載火箭正常飛行時的過載系數不宜太大，目前的要求都是不大于5，未來應該考慮不大于3。對于逃逸工況，目前的軸向過載系數要求不大于11，未來應按照普通乘員的承受能力確定一個合適的值。

目前，彈道優化設計一般以運載能力最優為目標，但這樣的彈道對逃逸或中止飛行返回的彈道卻未必是優化的，未來的載人運載火箭彈道設計應將逃逸或中止飛行彈道設計作為載人運載火箭彈道設計的約束條件之一。當然，這樣的設計會付出一定的運載能力代價。

2.2.3 動力總體

動力系統是運載火箭主要的危險來源。從簡化設計角度看，全箭最好僅使用一種推進劑。從安全性設計角度看，最好選用危險性較低的推進劑。

目前，應用在載人運載火箭的推進劑有固體和液體兩大類。除美國航天飛機和SLS運載火箭采用了固體助推器外，其他火箭均采用了液體推進劑。航天飛機選用固體助推器的主要原因是其成本低，且簡單、可靠。而SLS運載火箭依然采用固體助推器是出于技術繼承性的考慮。

從系統復雜程度看，固體發動機要比液體發動機簡單，因而前者的可靠性高。但從固體發動機的故障模式的嚴重度來看，其故障大多屬于災難性的。一旦發生，故障發展速度很快，在現有技術水平下，很難及時診斷，很難給后續的逃逸救生提供必要的條件。

目前常用的液體推進劑包括：四氧化二氮/肼類、液氧/烴類和液氧/液氫。對于我國一直使用的四氧化二氮/偏二甲肼液體發動機，其故障模式中災難性故障模式主要存在于渦輪泵，但從已經發生的故障來看，從其發生到起火燃燒，都需要較長時間[16]。同樣的推進劑規模，不同推進劑組合爆炸產生的沖擊波危害程度不同。四氧化二氮/肼類最低，液氧/烴類中等，液氧/液氫最高。從綠色環保的發展趨勢看，四氧化二氮/肼類有毒推進劑將逐漸被淘汰。

終上所述，使用液氧/烴類作為載人運載火箭的推進劑，是一種較好的選擇。

2.2.4 關于動力冗余

在運載火箭中，動力系統的可靠性評估結果最低。由動力系統故障導致飛行失敗的數量占全部失敗總數的38.1%[17]。如何實現發動機故障后仍可保證任務圓滿成功，是運載火箭總體設計一直在思考并致力于解決的工程難題。采用動力冗余技術，可解決大部分因發動機故障導致任務失敗的問題，提高火箭可靠性[18]。但是如果動力系統中存在災難性故障模式，動力冗余會提高災難性故障發生的概率。對于載人運載火箭來說，是不能接受的。載人運載火箭不是不能采用動力冗余技術，前提是動力系統中災難性故障模式已被消除。

2.2.5 載荷與強度

對于結構系統來說，載荷與強度設計決定了產品的可靠性。載人運載火箭與非載人運載火箭的載荷與強度設計方面的區別表現在兩個方面，一是載荷設計應包括故障工況，二是應將高可靠性的要求體現在安全系數上[19]。

所謂的故障工況是指表征火箭的某些功能的參數超出規定偏差范圍或功能喪失時的火箭狀態，如發動機推力下降或喪失等。此狀態下，箭體結構承受的載荷會發生變化，嚴重時甚至導致結構迅速破環，不但影響到任務完成，甚至影響到乘員的安全性。

2.2.6 故障檢測與處理

故障檢測與處理是載人運載火箭必不可少的一個功能。在以往的載人運載火箭上，這個功能都是專為逃逸系統設置的。未來這個功能的作用應得到拓展，既要檢測運載火箭的“健康”狀態，也要為系統重構，或改變任務目標提供決策。任務目標包括：繼續完成既定目標、完成次要目標、中止飛行或逃逸。

未來運載火箭的“健康”監測功能可能不再是載人運載火箭所獨有的功能，但對這個功能的要求一定還是最高的。對載人運載火箭的健康監測應堅持箭上和地面相互配合的方式，達到“既不漏，也不誤”的目標。

在運載火箭飛行過程中，不僅僅是火箭發生故障需要逃逸或中止飛行，載人飛船也會有這樣或那樣的原因需要逃逸或中止飛行，因此，必須給飛船或航天員留有逃逸指令發送通道。

2.2.7 安全控制

目前，作為一種保護首區、航區地面人員和設施安全的一種手段，載人運載火箭也都配有安全控制功能。在火箭逃逸或中止飛行后，由地面指揮人員，根據殘骸落點的情況決策是否將火箭空中炸毀，其執行裝置是引爆器和爆炸器。這是火箭上危險性最高的裝置之一，雖然可靠性和安全性設計能夠使其危險概率降到極低水平，實際飛行中也未見誤炸事故，但畢竟理論上存在這種可能性。而且一旦發生誤炸，沒有反應時間。未來的載人運載火箭設計中，應消除這個危險源，譬如采取推進劑空中排放的方式。

2.3 分系統設計

所有分系統都應按照故障-工作，故障-安全的設計原則開展設計。

2.3.1 結構系統

貯箱、殼段等結構很難采取冗余設計措施，一般都是以增加安全系數、提高可靠性為主。應具備在發生故障情況后的一段時間內，保持結構完整性的能力。對于使用了液氫/液氧推進劑的載人運載火箭，對液氫的安全性設計要引起充分的重視，防止氫的泄露和聚集。

火箭系統必須為航天員快速撤離提供條件。對于帶整流罩的火箭，必須為航天員的快速撤離提供快速開啟艙口。

多級火箭的子級之間一定存在分離面，分離面的連接和分離一般是由火工裝置完成。火工裝置的特點是一次性工作，安裝后不可測試，因此應盡量減少鈍感火工裝置的數量，如采用線性連接解鎖裝置。

2.3.2 電氣系統

電氣系統比較容易通過冗余設計方法提高可靠性。因此，凡是影響到飛行任務可靠性的單機均采取冗余設計方法。

未來的載人運載火箭應考慮電氣系統重構設計，要保證在火箭出現某些故障情況下(如發動機推力下降或者喪失、伺服機構卡死)，仍然能夠完成飛行任務，但前提是該故障不至于影響安全性。

電氣系統的某些單機，應具有故障-安全的能力，如利用系統故障時調節器應歸到零位，伺服機構故障時應具備回歸零位的能力等。

電氣系統還應具備為箭上故障檢測和地面故障診斷提供可靠數據的能力，以及可靠接收和執行地面發出的逃逸或中止飛行指令的能力。

2.3.3 動力系統

動力系統包括發動機和增壓輸送系統。發動機的潛在危險來自推力喪失或突然爆炸。應盡可能消除災難性的故障模式。發動機應具備全過程的健康診斷能力，以便實施緊急關機或進行應急處理。

增壓輸送系統的危險來自高壓貯氣產品的爆炸或是管路氣體、液體的泄漏。在系統設計中應盡可能減少危險源的數量，消除爆炸等可導致災難性故障的模式。同時，在設計中應開展管路頻率管理，防止耦合振動的發生，特別是應采取措施抑制POGO(縱向耦合振動)發生。

2.3.4 中止飛行和逃逸系統

中止飛行和逃逸系統都是保證航天員安全的有效手段。具體的應用是按照火箭的故障模式及危害性的程度決定。從未來技術發展的預測來看，災難性故障模式難以徹底消除，因此，不建議單獨使用中止飛行手段。

逃逸系統的設計應以應對火箭災難性故障模式為目標，如火箭爆炸。應定量研究火箭的爆炸危險因素，如沖擊波、碎片、火焰等。既要研究火箭在地面的爆炸行為，也要研究空中爆炸的演化行為。

逃逸系統的反應應盡可能地快速，因此，使用固體推進劑作為動力源是最佳的選擇。逃逸飛行器的載荷設計應與載人火箭故障飛行載荷設計相協調，即承受能力應大于火箭故障飛行的載荷承受能力。逃逸系統的設計必須與飛船系統設計相協調。

2.4 可靠性、安全性保證

載人運載火箭的高可靠性是設計出來的，但也要通過生產、試驗以及管理活動來保證。

可靠性保證要從元器件、原材料抓起。應按照最高標準選用元器件、原材料，采用下廠監制、加嚴篩選、進廠復驗等有效措施控制產品質量，并嚴格執行質量問題歸零和舉一反三[20]。

大量的地面試驗驗證是可靠性、安全性設計實現的保證。通過可靠性增長試驗發現薄弱環節并加以改進，通過環境余量試驗摸清產品裕度，通過飛行故障仿真試驗驗證故障判據(包括全數字和半實物的仿真試驗)，通過逃逸飛行試驗驗證逃逸飛行器設計的正確性等。

嚴格的過程控制，包括設計過程、制造過程、總裝測試過程，是確保產品質量，進而保證可靠性、安全性至關重要的手段。

3 結束語

采用成熟技術構造載人運載火箭是未來載人運載火箭發展的必然途徑。高可靠性是載人火箭的基礎，高安全性是載人運載火箭至高無上的追求。在安全性的設計中應以消除災難性故障模式為根本，不能以高可靠性替代高安全性。載人運載火箭研制中應充分考慮人的因素，為乘員提供安全、舒適的乘坐環境。

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