下一代航天發(fā)射系統(tǒng)體系架構(gòu)研究

同 江，劉 陽，劉 鷹，楊 強(qiáng)

（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京，100094）

0 引 言

隨著中國戰(zhàn)略利益向空間的不斷拓展，航天技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品研發(fā)速度明顯加快。特別是進(jìn)入“十三五”以來，隨著“探月三期”、“全球衛(wèi)星導(dǎo)航”等重大專項(xiàng)工程的全面展開實(shí)施，高密度發(fā)射問題日益突出。2018 年，中國共完成39 次航天發(fā)射任務(wù)（其中，西昌發(fā)射場 17 次，酒泉發(fā)射場16 次，太原發(fā)射場6 次），成功 38 次，失利1 次，雖然總發(fā)射數(shù)量占全球航天發(fā)射總數(shù)的34.21%，首次超越美國和俄羅斯，排名世界第一，但是與美國、俄羅斯等航天強(qiáng)國的航天發(fā)射系統(tǒng)之間還存在較大差距，如火箭在發(fā)射場的測發(fā)周期較長，流程優(yōu)化程度不夠高；地面設(shè)備通用化程度低；發(fā)射場發(fā)射區(qū)設(shè)施不夠簡化，前端操作人員多；發(fā)射經(jīng)濟(jì)性較差等。

目前，中國正處于新老火箭更新替代的關(guān)鍵時(shí)刻，亟需構(gòu)建中國下一代航天發(fā)射系統(tǒng)體系架構(gòu)，規(guī)劃指導(dǎo)下一代航天發(fā)射系統(tǒng)的建設(shè)，進(jìn)而更好地滿足新時(shí)期航天發(fā)射任務(wù)的需求。

1 國外先進(jìn)航天發(fā)射系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

航天發(fā)射場作為航天工程的重要組成部分，其建設(shè)深受世界各航天大國重視。到目前為止，世界各航天大國相繼建成了各具特色的航天發(fā)射場，專供發(fā)射各種衛(wèi)星、空間站、載人飛船及航天飛機(jī)等使用。隨著各種高性能、多用途、大推力的運(yùn)載火箭和各類商用與太空開發(fā)航天器的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，各具特色的新型航天發(fā)射場系統(tǒng)開始出現(xiàn)。目前世界上主要航天發(fā)射場有15 個(gè)，除中國外，其他主要分布在美國、俄羅斯、法國、日本、印度等[1]。

1.1 美 國

美國主要的航天發(fā)射中心有3 個(gè)：卡納維拉爾角空軍基地、肯尼迪航天中心和范登堡空軍基地。

卡納維拉爾角空軍基地：主要執(zhí)行軌道傾角小于60°的近地軌道（Low Earth Orbit，LEO）和地球同步轉(zhuǎn)移軌道（Geostationary Transfer Orbit，GTO）衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。到目前為止，有4 個(gè)發(fā)射工位在用，其中：17 號工位用于發(fā)射德爾塔2 號；改造后的37 號和41號工位用于發(fā)射德爾塔4 號和宇宙神5 號，采用三垂測發(fā)模式，其中37 號工位年發(fā)射能力約15～18 發(fā)，41 號工位年發(fā)射能力約10～12 發(fā)；40 號工位用于發(fā)射獵鷹9 號火箭，采用三平測發(fā)模式；46 號工位將被佛羅里達(dá)州當(dāng)局保留作為未來航天發(fā)射場。

肯尼迪航天中心：目前中心只有39A 發(fā)射工位正在使用，由NASA 租給SpaceX 公司進(jìn)行獵鷹9 號和獵鷹重型火箭的發(fā)射任務(wù)，采用三平測發(fā)模式和遠(yuǎn)距離測發(fā)控方式。此外，肯尼迪航天中心現(xiàn)在還在進(jìn)行39B 發(fā)射工位的重建工作，39B 未來將會用于執(zhí)行NASA 的太空發(fā)射系統(tǒng)SLS 重型火箭的發(fā)射任務(wù)，采用三垂測發(fā)模式。

范登堡空軍基地：主要發(fā)射傾角在66～145°的各種軍用和極軌道衛(wèi)星。目前，該發(fā)射場可滿足德爾塔2 號、德爾塔4 號、宇宙神5 號、獵鷹9 號和獵鷹9

重型運(yùn)載火箭的測試發(fā)射需求，具備太陽同步軌道（Sun-synchronous Orbit，SSO）和LEO 軌道衛(wèi)星的發(fā)射能力，年發(fā)射能力約15～18 發(fā)。

1.2 俄羅斯

俄羅斯在用的航天發(fā)射場主要有3 個(gè)：拜科努爾航天發(fā)射場、東方航天發(fā)射場和普列謝茨克發(fā)射場，運(yùn)載火箭均采用三平測發(fā)模式。

拜科努爾航天發(fā)射場：主要發(fā)射傾角在52～65°的各種不同用途的衛(wèi)星、載人和不載人飛船、星際探測器和空間站。目前，該發(fā)射場可滿足聯(lián)盟號、質(zhì)子號和天頂號火箭的測試發(fā)射需求。

東方航天發(fā)射場：該發(fā)射場是在已經(jīng)關(guān)閉的斯沃博德內(nèi)航天發(fā)射場的基礎(chǔ)上改造建設(shè)而成的現(xiàn)代化航天發(fā)射中心。目前該發(fā)射場已經(jīng)具備聯(lián)盟2 運(yùn)載火箭發(fā)射能力，用于承擔(dān)現(xiàn)階段及未來空間通信、遙感、地球基礎(chǔ)科學(xué)飛行器的發(fā)射任務(wù)。2025 年左右具備安加拉火箭和新一代載人及載貨運(yùn)載火箭發(fā)射能力；2030 年左右具備一子級可重復(fù)使用運(yùn)載器系統(tǒng)和超重型火箭發(fā)射能力[2]。

普列謝茨克發(fā)射場：該發(fā)射場擁有可發(fā)射所有小型及中型運(yùn)載火箭的陣地設(shè)施和發(fā)射系統(tǒng)，可發(fā)射聯(lián)盟號、閃電號、天頂號、宇宙神、安加拉等系列運(yùn)載火箭，主要用于發(fā)射具有大傾角的極軌衛(wèi)星。

1.3 歐 洲

圭亞那航天中心具備聯(lián)盟-STA/STB 號、阿里安系列、織女星號等運(yùn)載火箭的測試發(fā)射能力，液體火箭以采用三平測發(fā)模式為主，LEO 最大運(yùn)載能力21 t，GTO 最大運(yùn)載能力12 t[3]，主要用于執(zhí)行科學(xué)衛(wèi)星、應(yīng)用衛(wèi)星和探空火箭的發(fā)射任務(wù)。

1.4 發(fā)展特點(diǎn)及趨勢

國外先進(jìn)航天發(fā)射系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：積極推進(jìn)運(yùn)載火箭型譜化、系列化、通用化發(fā)展；開展發(fā)射場系統(tǒng)新建改造，不斷增強(qiáng)測試發(fā)射能力；注重發(fā)展改進(jìn)測發(fā)流程，不斷提高測試發(fā)射效率；研究應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，提高測試發(fā)射安全可靠性；加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與安全防護(hù)，不斷推動可持續(xù)發(fā)展。

發(fā)展趨勢：系統(tǒng)發(fā)展以滿足軍事航天和國家重大專項(xiàng)需求為主體牽引；發(fā)射方式以多樣化空間進(jìn)入能力為發(fā)展方向；測發(fā)模式向整體測試運(yùn)輸和遠(yuǎn)距離測發(fā)控發(fā)展；發(fā)射組織指揮以扁平化和一體化為發(fā)展方向；測試發(fā)射技術(shù)以智能化和信息化為發(fā)展方向；系統(tǒng)建設(shè)以集約化和生態(tài)化為發(fā)展方向。

2 中國航天發(fā)射系統(tǒng)發(fā)展歷程及主要差距

2.1 中國航天發(fā)射系統(tǒng)發(fā)展歷程

經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，中國現(xiàn)已建成了符合中國國情、布局相對合理、設(shè)施基本完善、功能比較齊全的酒泉、太原、西昌、文昌4 個(gè)大型航天發(fā)射場，航天測試發(fā)射技術(shù)也取得了較好的發(fā)展，基本滿足了當(dāng)前軍用、民用系列衛(wèi)星和載人航天等發(fā)射任務(wù)需要。除去初期的導(dǎo)彈試驗(yàn)階段，中國航天發(fā)射系統(tǒng)主要經(jīng)歷了2 個(gè)階段：

第1 階段：20 世紀(jì)70 年代初～90 年代末。先后組建酒泉、太原、西昌發(fā)射場，具備CZ-2/C/D/E、CZ-3A系列、CZ-4B 火箭發(fā)射能力，近地軌道和中高軌道發(fā)射能力逐漸增強(qiáng)。采用兩平兩垂測發(fā)模式和近距離測發(fā)控方式。

第2 階段：20 世紀(jì)90 年代末～至今。先后建成酒泉載人航天發(fā)射工位、海南文昌航天發(fā)射場等，4 個(gè)發(fā)射場的新型戰(zhàn)略格局初步形成，近地軌道和中高軌道航天發(fā)射體系顯著增強(qiáng)；三垂測發(fā)模式及遠(yuǎn)距離測發(fā)控方式得到推廣運(yùn)用，三平測發(fā)模式也在小型運(yùn)載火箭發(fā)射中開展了初步應(yīng)用，年綜合發(fā)射能力達(dá)到30 發(fā)以上。實(shí)現(xiàn)了CZ-6、CZ-11、CZ-5、CZ-7 等新一代運(yùn)載火箭的成功首飛。

2.2 主要差距與不足

對標(biāo)美國、俄羅斯、歐洲等世界一流航天發(fā)射系統(tǒng)，中國目前航天發(fā)射系統(tǒng)主要存在以下不足，突出體現(xiàn)在：發(fā)射信息化、自動化程度較低；測發(fā)模式與流程有待進(jìn)一步優(yōu)化；測發(fā)理論與技術(shù)創(chuàng)新程度不夠；地面測發(fā)控設(shè)備布局分散，型號間不統(tǒng)型；工位設(shè)施龐大繁雜，前端人員多、射前工作多；加注時(shí)間長，箭地自動對接脫落、牽制釋放尚未實(shí)現(xiàn)；超大流量低溫貯運(yùn)、加注還待突破，地面設(shè)施設(shè)備綜合保障能力較弱，基于信息化手段的全生命運(yùn)維管理還需加強(qiáng)。

3 下一代航天發(fā)射系統(tǒng)體系架構(gòu)研究

下一代航天發(fā)射系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)世界一流先進(jìn)航天發(fā)射系統(tǒng)為頂層目標(biāo)，準(zhǔn)確把握繼承發(fā)展與創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)系，體現(xiàn)先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)完整性和開放性的合理統(tǒng)一，以系統(tǒng)建設(shè)體系化、設(shè)施設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、測試發(fā)射智能化、技術(shù)保障集約化和人機(jī)環(huán)境友好化為途徑[5]，加快實(shí)現(xiàn)測試發(fā)射高效安全、技術(shù)體系先進(jìn)科學(xué)、使用成本低廉合理為目標(biāo)，顯著提升中國進(jìn)入空間的能力。

3.1 需求分析

a）從任務(wù)需求牽引向能力需求牽引轉(zhuǎn)換。

以往中國航天發(fā)射任務(wù)大都是科研試驗(yàn)任務(wù)，發(fā)射場系統(tǒng)作為工程總體5 大系統(tǒng)之一，主要為配合火箭系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)完成在發(fā)射場測試發(fā)射工作提供測發(fā)、測控、通信、勤務(wù)保障等條件。發(fā)射場系統(tǒng)的建設(shè)基本都是以任務(wù)和型號為牽引，地面測發(fā)控和發(fā)射支持設(shè)備都有著明顯的型號背景，互相之間不通用，保障難度大。下一代航天發(fā)射系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)要從能力需求出發(fā)，統(tǒng)籌規(guī)劃，合理布局，地面設(shè)施設(shè)備、地面測發(fā)控和發(fā)射支持設(shè)備等都要去任務(wù)化，實(shí)現(xiàn)真正意義上的通用化、智能化和一體化。

b）從功能上滿足向技術(shù)上先進(jìn)轉(zhuǎn)換。

經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，航天發(fā)射系統(tǒng)取得了長足進(jìn)步，但是大多仍停留在滿足任務(wù)要求的及格線上，先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用還比較慢，再加上受衛(wèi)星和運(yùn)載自身?xiàng)l件的限制，對發(fā)射場系統(tǒng)提出了較為苛刻的要求，更加制約了航天發(fā)射系統(tǒng)自身的發(fā)展。下一代航天發(fā)射系統(tǒng)建設(shè)要加快推進(jìn)新型測發(fā)模式與流程、智能測發(fā)控、運(yùn)載火箭發(fā)射場長儲、大型發(fā)射臺與牽制釋放、箭地自動對接脫落、箭地一體化測試發(fā)射、超大流量低溫加注和制備、射前無人值守等關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，不斷提升航天發(fā)射系統(tǒng)的技術(shù)先進(jìn)性，緊跟世界一流航天發(fā)射系統(tǒng)步伐。

c）從各系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)向星、箭、發(fā)射場一體化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換。

先進(jìn)的航天發(fā)射系統(tǒng)，僅僅依靠發(fā)射場系統(tǒng)自身的發(fā)展是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)樾l(wèi)星、運(yùn)載火箭和發(fā)射場系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)的整體，互相之間均有接口，技術(shù)要求上互相制約，因此要聯(lián)合衛(wèi)星、運(yùn)載火箭一起協(xié)調(diào)發(fā)展，充分開展星箭地，尤其是箭地一體化設(shè)計(jì)，相互促進(jìn)，相互提高，從而達(dá)到一個(gè)新的高度。

3.2 發(fā)射體系

綜合近年有關(guān)研究，2030 年前及更長遠(yuǎn)一段時(shí)期中國航天發(fā)射體系將由常態(tài)發(fā)射、快速發(fā)射和重復(fù)使用發(fā)射3 部分組成[4]。

3.3 技術(shù)體系

發(fā)射場總體技術(shù)能力方面：具備多任務(wù)并行分析規(guī)劃技術(shù)、基于VR 和AR 的測發(fā)流程仿真推演與優(yōu)化技術(shù)、綜合安全設(shè)計(jì)與分析評估技術(shù)；箭地一體化發(fā)射總體技術(shù)；星地、箭地機(jī)械接口、電氣接口、信息接口和人機(jī)接口的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)；人工智能技術(shù)得到逐步應(yīng)用；實(shí)現(xiàn)火箭推進(jìn)劑加注開始無人值守技術(shù)等。

測發(fā)控技術(shù)能力方面：箭地接口更加優(yōu)化、規(guī)范，測發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加先進(jìn)，通用化程度不斷提高，智能操作初步實(shí)現(xiàn)，測試發(fā)射效率得到很大提高；大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)信息技術(shù)得到初步應(yīng)用；具備火箭自動檢測，故障快速診斷、可靠隔離和狀態(tài)自主健康管理的能力。

發(fā)射支持技術(shù)能力方面：實(shí)現(xiàn)重、大、中型運(yùn)載整體組裝和轉(zhuǎn)運(yùn)，運(yùn)輸平臺實(shí)現(xiàn)高可靠、自保障和耐使用；大噸位牽制釋放技術(shù)取得突破性進(jìn)展；實(shí)現(xiàn)連接器自動對接零秒脫落、超大流量超低溫多推進(jìn)劑快速并行加注、大流量導(dǎo)流噴水冷卻降噪技術(shù)等。

3.4 設(shè)施設(shè)備體系

打破傳統(tǒng)按照技術(shù)區(qū)、發(fā)射區(qū)劃分的方式，突出設(shè)備、系統(tǒng)在設(shè)施設(shè)備體系中的位置，弱化廠房、設(shè)施在設(shè)施設(shè)備體系中的比重。融合迅捷的發(fā)射指控，統(tǒng)型智能的測試發(fā)控、無人化規(guī)范化的發(fā)射支持、物聯(lián)化全壽命的運(yùn)維保障。

3.5 運(yùn)用方式

由以場區(qū)為基礎(chǔ)的計(jì)劃型、分散運(yùn)用向以能力為基礎(chǔ)的快響型、聯(lián)合運(yùn)用轉(zhuǎn)變；由以設(shè)備設(shè)施功能保障為主導(dǎo)向以智能化、精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)保障為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變；實(shí)現(xiàn)航天發(fā)射能力的全維發(fā)展、平臺的全域覆蓋、效能的全譜增強(qiáng)、任務(wù)的全向支持；新老火箭發(fā)射能力更新替代基本完成；具備按需發(fā)射、確保進(jìn)入能力。

測發(fā)模式進(jìn)一步豐富優(yōu)化，短距新“三垂”、“三平”測發(fā)模式在重型和大中型火箭成功應(yīng)用；大中型火箭測發(fā)周期縮短至15 天以內(nèi)。

以接口規(guī)范簡化、發(fā)射無人值守為突出特點(diǎn)的新型發(fā)射能力廣泛應(yīng)用；操作無人化、測試智能化、保障通用化廣泛應(yīng)用，基本實(shí)現(xiàn)一個(gè)工位、一套系統(tǒng)。

發(fā)射區(qū)實(shí)現(xiàn)無塔或簡易塔發(fā)射，連接器自動對接（零秒）脫落、超大流量加注、大流量高壓實(shí)時(shí)供氣和高效率氦氣回收提純等。

3.6 發(fā)展模式

按照統(tǒng)戰(zhàn)略規(guī)劃、統(tǒng)組織管理、統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系、統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制，融合需求、融合資源、融合技術(shù)、融合人才的總體思路，推進(jìn)航天發(fā)射軍民融合示范工程。

轉(zhuǎn)變單一依靠工程任務(wù)、火箭型號牽引發(fā)射系統(tǒng)發(fā)展的被動模式，以先進(jìn)測試、先進(jìn)發(fā)射和集約規(guī)范、高效保障為關(guān)鍵支撐，引導(dǎo)運(yùn)載火箭包括商業(yè)火箭的研制發(fā)展。

4 結(jié)束語

目前，中國航天事業(yè)正處在趕超國外航天強(qiáng)國的重大戰(zhàn)略機(jī)遇期，又面臨著新老運(yùn)載火箭更新替代的重要發(fā)展階段，本文重點(diǎn)從需求分析、發(fā)射體系、技術(shù)體系、設(shè)施設(shè)備體系、運(yùn)用方式和發(fā)展模式6 個(gè)方面，針對中國下一代航天發(fā)射系統(tǒng)的體系架構(gòu)開展了研究，成果將對目前正在開展的新一代中型運(yùn)載火箭發(fā)射配套設(shè)施設(shè)備建設(shè)和下一步開展的新一代載人運(yùn)載火箭和重型運(yùn)載火箭工程發(fā)射場系統(tǒng)總體論證具有重要意義。