新型運載火箭技術發展及思考

劉秉 魏威 陳海鵬

(1 北京宇航系統工程研究所 2 中國運載火箭技術研究院研究發展中心)

運載火箭的能力有多大，一個國家航天發展的舞臺就有多大。近年來，在載人航天、月球探測、行星探測等國家重大工程牽引下，新一代運載火箭、上面級等陸續首飛和投入應用，我國運載火箭綜合性能顯著提升，有力支撐我國邁入航天強國行列。但是，對標國際先進水平，我國運載火箭在技術水平、商業化綜合競爭力等方面仍存在差距與不足。本文通過對新型運載火箭特征進行研究，提出我國新型運載火箭的主要技術發展路線及實施建議，以實現我國未來新型運載火箭的高質量、高效率和高效益發展。

1 全球運載火箭發展現狀

全球科技發展日新月異，航天領域的新技術應用也層出不窮。對世界航天領域的發展動態進行分析，能夠準確判斷全球運載火箭的發展現狀。

1）火箭發射次數明顯增加。根據公開報道統計，2010-2020 年，全球運載火箭發射次數明顯上升。對2011-2015 年、2016-2020 年（ 截 至2020 年9 月10 日）世界各國發射次數分別進行統計分析，從世界各國發射次數對比看，我國2016-2020 年共完成138 次發射，較前5 年增長近一倍，位居全球前列。

不同國家發射次數對比

2）火箭市場融資規模持續擴大。國際商業火箭市場持續火熱，隨著多型火箭成功投入商用，融資規模不斷擴大。例如，太空探索技術公司（SpaceX）創立于2002 年，2008 年其獵鷹-1（Falcon-1）火箭首次成功，這期間主要依靠馬斯克個人投資；2008 年至今，隨著后續型號不斷成功，SpaceX 發展進入快車道，政府也在政策、技術、經濟上給予支持；隨著火箭成功率持續增加，資本的注入也給公司注入活力[1]。

3）火箭發射成功率有所下降。對2011-2015 年、2016-2020 年全球運載火箭發射數量和成功率進行了分析，相比2011-2015 年，2016-2020 年（截至2020 年9 月10 日）全球發射次數增長的同時，失敗次數也有所增加；全球發射成功率降低近1 個百分點；主要原因是部分新火箭投入使用，技術不成熟致使飛行失利相對偏多。

全球運載火箭發射數量和成功率

4）火箭多星發射任務逐步增多。隨著小型衛星技術及互聯網星座計劃的蓬勃發展，多星發射任務逐漸增多。我國運載火箭“一箭多星”發射記錄為長征六號運載火箭首飛任務，一次將20 顆衛星送入軌道。SpaceX 公司獵鷹-9（Falcon-9）運載火箭已成功完成15 批895 顆“星鏈”（Starlink）衛星組網發射（截至2020 年10 月24 日），一次可將約60 顆互聯網衛星送入太空。

5）火箭重復使用能力提升。當前SpaceX 公司的獵鷹-9 火箭和“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭具有實用化的子級重復使用能力。從回收模塊種類看，獵鷹- 9 火箭已實現一級和整流罩2 種模塊產品的回收，并已成功完成61 次一級回收。從回收后再次實現飛行的次數看，目前獵鷹- 9 火箭一級重復使用飛行次數為6 次（截至2020 年10 月18日），不久有望達到10 次。從回收后再次發射的時間間隔看，目前一級回收后再次發射的最短時間為51 天[2]。

獵鷹-9 火箭一級回收

對近年航天領域發展變化數據的分析可以看出，全球運載火箭領域現狀呈現如下特點：①運載火箭發射次數顯著增加，發射市場持續繁榮；②商業運載火箭公司逐步發展壯大，市場競爭更加激烈；③重復使用運載火箭投入應用，創新發展占得先機。

2 新型運載火箭的特征分析

本文從多種角度對新型運載火箭的特征分析如下：

1）新技術應用。隨著設計、制造與發射應用方面大量新技術涌現，運載火箭以實現快速設計、批量制造、低成本、高可靠、易使用、高安全為產品特征。例如，美國電子號火箭的“盧瑟福”發動機(Rutherford engines)依靠無刷直流電機和高性能鋰聚合物電池來驅動推進劑泵，省去了大量復雜的推進劑管路與閥門、燃氣發生器等裝置，降低了復雜度，提高了可靠性，降低了制造成本。美國相對論公司（Relativity Space）計劃使用世界最大的3D 打印系統，即“星際門”（Stargate）金屬3D 打印系統快速制造火箭中至少95%的零件。同時，火箭采用無人值守測試發射、智能飛行控制等新技術，火箭測發控制和飛行更可靠、更安全。具備重復使用能力，執行發射任務更經濟。

電子號火箭的“盧瑟福”發動機

相對論公司的大型3D 打印機和3D 打印的縮比貯箱樣機

2）市場競爭力。運載能力指標不再是火箭市場競爭力的唯一指標。在海量衛星星座部署等新需求催生下，運載火箭進化形成以產業化、低成本生產為代表的新能力，進一步向更經濟、更靈活、更便捷發展。新型運載火箭的競爭力體現在綜合指標方面，包括可靠性、經濟性、快速履約能力、安全性等。火箭的用戶體驗也尤為重要，需能為用戶提供進入空間的整體解決方案，讓飛天旅途更加高效。具體包括：有效載荷力熱環境條件好、接口適應性強、可靈活搭配不同有效載荷，多樣化專車、拼車搭載服務等。

基于模型的系統工程（MBSE）方法

3）系統工程。傳統的系統工程需要在前期設計中暴露盡可能多的風險，以降低錯誤成本。這使得很多大型項目在前期設計上大量地耗費時間和精力，無法快速進入工程實踐。新型運載火箭在研制流程上，需要針對頂層需求提前進行迭代，加快迭代速度。通過采用基于模型的系統工程（MBSE）方法，完成頂層需求分解與指標的閉環驗證，形成科學的管理模式，面向技術、面向產品、面向過程、面向管理，從設計-生產-操作等不同維度化解風險。

4）設計生產。運載火箭設計試驗方面逐步實現數字化，充分發揮仿真試驗在研制過程中的預示作用；生產方面推進“智慧工廠”建設，優化總裝、測試流程，構建流水化“脈動式”生產線，提升火箭生產效率。

5）高性能動力。運載火箭發動機的推力、大面積比可延伸噴管、深度節流、高能/無毒推進劑等技術或指標方面獲得突破，發動機的比沖、推質比等關鍵指標技術水平實現升級，火箭運載效率、使用維護性能、智能化水平和上面級軌道轉移效率等頂層指標大幅提升。

綜上，新型運載火箭的特征具體體現在以下幾個方面：①重復使用是新型運載火箭的顯著特征；②快捷生產制造提升新型運載火箭的市場競爭力；③智慧化是新型運載火箭的發展方向；④高性能動力為新型運載火箭提供有力支撐。

航天分布式協同生產制造

3 我國新型運載火箭發展的技術路線

依照新型運載火箭的總體特征，我國新型運載火箭可按如下技術路線發展：

1）重復使用技術路線。子級模塊或重要部段采用重復使用技術是提升火箭市場競爭力的有力手段。我國運載火箭將根據重復使用運載火箭技術特點，按照逐步驗證、重點突破的發展策略，通過演示驗證飛行，突破落回GNC 技術、主發動機多次點火啟動技術、主發動機推力調節技術、落回著陸機構技術、柵格舵控制技術等多項關鍵技術，最終實現運載火箭的低成本重復使用。

2）智慧化技術路線。人工智能的迅速發展已經深刻改變世界，在圖像識別、自動駕駛、工業控制、醫療健康等領域均已有成熟應用。推動航天技術與人工智能深度融合，圍繞設計與驗證、生產與制造、測試與發射、飛行與評估4 個頂層需求能夠推進運載火箭智慧化發展；重點針對智能飛行與評估，通過頂層故障適應性設計，實現故障檢測、隔離和處置，最大程度消除和降低單個產品失效對飛行任務的影響，實現飛行故障情況下的正常入軌或者進入救援軌道，確保由基于偏差設計向基于故障設計的研制模式跨越。

3）快捷生產制造技術路線。加強運載火箭生產制造過程中的單元化、自動化、數字化、信息化建設，打造多類型優化組合的航天產品生產線，提升組批能力；通過建設分布式協同生產模式，構建全三維數字化制造能力以及新材料的加工能力，實現敏捷制造、精益生產；同時建立總裝脈動生產線，從設計信息、裝配指令、物流管理等方面實現無紙化管理，物流系統實現大批量、多站位、高聯動。

4）高性能動力技術路線。發展高性能動力技術，未來運載火箭發動機應具備深度節流和故障自我診斷功能，以適應多種工況的需求；發動機需具備多次啟動能力，為可重復使用火箭奠定基礎。目前，大推力發動機、大面積比可延伸噴管、深度節流、高能/無毒推進劑等先進技術已經取得突破，發動機的比沖、推質比等關鍵指標技術水平的升級，將大幅提升我國運載火箭的任務能力。

4 我國新型運載火箭發展的實施建議

為研制世界一流運載火箭，支撐我國航天強國建設。我國新型運載火箭具體需在型號產品、專業技術、研制手段、組織管理等方面實現升級與突破。

型號產品

運載火箭應重點從“能力強、效益高、領域廣”三個方向推進發展，逐步實現由陸基發射，向空基發射及天基組裝發射等方式轉變，并由一次性使用，向部分重復及天地往返可重復使用發展。

1）能力強。開展并完成新一代載人火箭研制，以發射載人飛船和月面著陸器進行載人登月關鍵技術的先期驗證；推動重型運載火箭立項研制，支撐月球空間站、月球基地建設、火星采樣及各種深空探測任務實施。

2）效益高。針對星座組網和衛星發射，基于“模塊化、組合化、系列化”的理念，構建能力梯度合理、研產布局優化、適于大規模制造與發射的新一代中型運載火箭系列，通過版本演進，在滿足型號發射任務的同時，開展新技術驗證和應用，推動技術的更新換代，真正具備國際市場競爭力。

3）領域廣。推進運載火箭快速響應發射技術體系建設，全面實現快速響應固體火箭的工程化應用，兼顧不同用戶的發射需求；開展運載火箭海上發射技術研究，在海上按照“小步快跑、先固后液、先小后大”的思路，完成海上發射體系建設；由于空射運載火箭具有發射窗口靈活、射向選擇范圍寬、殘骸落區限制小等優勢，可執行快速機動等多種任務，應開展運載火箭空中發射技術研究，形成運載火箭的空射能力。

專業技術

專業技術是新型運載火箭發展的內核根本，支撐實現運載火箭朝著“更智能、更安全、更便捷、更高效、更經濟”的方向發展。

1）更智能。采用智能飛行與評估技術，實現箭上在線彈道規劃，故障發生時根據任務評估結果，對于仍能完成的任務可在線生成新的優化彈道；采用故障診斷和在線控制重構技術，在系統發生故障后，能夠根據故障診斷結果、風險評估結果和當前飛行狀態，實現控制參數在線重構和在線控制力動態分配。

2）更安全。采用落區控制技術，實現殘骸落點的精確控制，大幅提升落區安全性；實施連接器自動對接等技術，實現加注和泄出無人值守，大幅提升測發安全性；用智能機器人技術在危險操作和環境惡劣崗位替代人工操作。

3）更便捷。采用狀態參數遠程監控等技術，利用實時信息傳輸，實現遠程發射支持；利用高碼率天基測控等技術，取消測量船，降低任務保障成本；采用電氣一體化設計，基于網絡化綜合技術，強化箭上能源管理，箭地一體化測控，通過箭上設備自主測試實現地面測發的一鍵操作；應用先進無線技術，廣泛使用無線傳感網絡、無線供電、無線測試，實現箭地、箭上測量無纜化，簡化操作。

4）更高效。采用載荷精細化設計等技術，提升設計水平，釋放設計余量，進一步提升運載效率；應用高強合金和復合材料技術，實現結構的輕質化設計；發展高性能動力技術，提高發動機的比沖和推質比，發動機具備深度節流和故障自我診斷功能，適應多種工況的需求；采用集成流體系統技術（IVF），降低結構重量，延長在軌時間，縮短測試周期，提升上面級使用性能。

5）更經濟。采用增材制造、沖壓一次成型等技術，降低產品的制造難度，實現產品化生產，降低運載火箭的生產成本；實施綜合電子技術，從功能上進行優化和融合，減少設備數量和重量，降低運載火箭的產品成本；應用可重復使用技術，實現核心關鍵器件的重復使用，降低運載火箭使用成本。

沖壓一次成型火箭貯箱結構件

研制手段

以科技創新為驅動力，統籌產品全過程、全壽命期服務保障，建設高效、智能、協調、集約的運載火箭研制體系，提升研制工作的效益、效率和效能。

組織管理

以卓越管理為核心，推動卓越績效模式向產品管理體系和技術管理體系延伸，形成產品、技術、管理三大創新體系。質量是工作的底線，以崗位設計規范化和產品質量數據信息化為目標，建立一體化質量管理體系，推進研制生產流程精細化再造。

5 結束語

“探索浩瀚宇宙、發展航天事業、建設航天強國，是我們不懈追求的航天夢。”通過不懈奮斗，我國一定能夠建設能力更大、覆蓋更全、方式更多樣的世界一流運載火箭，滿足近地軌道自由進出，月球、火星等天體的載人探測和更遠的星際探索任務需求。新型運載火箭的發展必將支撐我國進入世界航天強國行列，在人類歷史的長河中熠熠生輝！