航班化航天運輸系統(tǒng)發(fā)展展望

包為民，汪小衛(wèi)

(1.中國航天科技集團有限公司，北京 100048;2.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

航天運輸系統(tǒng)作為一個國家開展航天活動的支撐和基礎(chǔ)，是其綜合國力的重要標志[1]。經(jīng)過60多年的發(fā)展，我國長征系列運載火箭已經(jīng)形成了較為完備的產(chǎn)品系列，為我國載人航天、月球探測、火星探測等重大工程的順利實施奠定了堅實基礎(chǔ)。

人類對太空的依賴與日俱增，太空領(lǐng)域是21世紀世界大國爭奪的重要疆域，航天技術(shù)正發(fā)揮著越來越重要的作用。當(dāng)前，世界航天已進入以大規(guī)模互聯(lián)網(wǎng)星座建設(shè)、空間資源開發(fā)、載人月球探測和大規(guī)模深空探測為代表的新階段，進入空間需求正在快速增長，對航天運輸系統(tǒng)提出了更高要求[2-3]。像飛機一樣實現(xiàn)航班化運營，是革命性提升航天運輸系統(tǒng)能力的重要途徑。

以美國為代表的世界主要航天國家正在持續(xù)提升航天運輸系統(tǒng)性能，發(fā)展重復(fù)使用、智能化、先進結(jié)構(gòu)、高性能發(fā)動機、高性能空間轉(zhuǎn)移運輸?shù)燃夹g(shù)，不斷向航班化運輸邁進[3-13]。

站在新的歷史節(jié)點上，我國應(yīng)抓住機遇，迎接挑戰(zhàn)，發(fā)展航班化的航天運輸系統(tǒng)，迎接航天運輸發(fā)展的新時代。本文提出了航班化航天運輸系統(tǒng)概念組成、發(fā)展目標和指標要求，并從重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)建設(shè)和空間轉(zhuǎn)移運輸系統(tǒng)建設(shè)兩個方面，展望了我國航班化航天運輸系統(tǒng)的未來發(fā)展。

1 發(fā)展需求

1.1 能夠滿足人類生存與發(fā)展的需求

“地球是人類的搖籃，但人類不會永遠生活在搖籃里。”航天科技的發(fā)展，能夠幫助人類更好地認識地球、太陽系、宇宙以及探索生命之源等基礎(chǔ)問題，能夠幫助解決人類社會發(fā)展中遇到的貧窮、災(zāi)難、疾病以及人口快速增長帶來的能源匱乏、資源短缺等各類問題。航班化航天運輸系統(tǒng)是實現(xiàn)人類自由進出太空、開發(fā)和利用太空資源、尋求新的生存與發(fā)展空間的基礎(chǔ),能更好地服務(wù)于人類未來的生存與發(fā)展。

1.2 能夠滿足人民對未來美好生活向往的需求

每一次運輸方式的變革都會帶來人類生活方式和生活水平的革命，例如高鐵、飛機的商業(yè)運行不僅帶來人們出行方式的改變，還帶來了經(jīng)濟、文化、生活、觀念上的變化，并深刻影響著社會的各個方面。隨著人民生活水平的提高，對交通運輸?shù)乃俣群头秶岢隽烁咭螅缛藗儗μ章糜侮P(guān)注度日益升高，“一小時全球抵達”已提上日程，航班化航天運輸系統(tǒng)是實現(xiàn)以上需求的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

1.3 能夠滿足未來大規(guī)模探索與開發(fā)太空的需求

大規(guī)模探索與開發(fā)太空將為人類提供更廣闊的活動空間、更豐富的物質(zhì)資源，也是經(jīng)濟實現(xiàn)健康增長的新動能，將帶動相關(guān)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展。預(yù)計到2045年進入空間載荷規(guī)模將達萬噸級[14]，寶貴的太空軌道、頻段、資產(chǎn)等太空資源將日趨緊張。發(fā)展航班化航天運輸系統(tǒng)能夠滿足未來大規(guī)模進入空間需求，以更高效更大規(guī)模開發(fā)和利用空間資源，支撐未來大規(guī)模地月空間探索與開發(fā)、大規(guī)模深空探測、小行星探測與開發(fā)、火星移民等重大航天任務(wù)的實施。

1.4 能夠滿足我國航天運輸系統(tǒng)“從全到強”的歷史跨越

航天運輸系統(tǒng)是一切航天活動的基礎(chǔ)，也是航天強國的重要標志。自1970年長征一號運載火箭發(fā)射半個世紀以來，我國運載火箭已經(jīng)走過了“從無到有”“從有到全”的歷史進程，正邁入“從全到強”的時代；著眼于未來發(fā)展，發(fā)展航班化航天運輸系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)我國航天運輸系統(tǒng)“從全到強”的歷史轉(zhuǎn)變，支撐航天強國建設(shè)，實現(xiàn)近地空間運輸便捷經(jīng)濟、地月空間運輸高效可靠、星際空間運輸自主可達。

1.5 能夠帶動我國國防、科技、經(jīng)濟全方位發(fā)展

發(fā)展航班化航天運輸系統(tǒng)，能夠帶動基礎(chǔ)設(shè)計理論和方法、動力與能源問題、智能控制問題、高超聲速氣動問題、材料的極端服役疲勞問題、多學(xué)科耦合與優(yōu)化問題等基礎(chǔ)科學(xué)問題的研究，帶動重復(fù)使用技術(shù)、高性能發(fā)動機、先進熱防護、復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)、高精度制導(dǎo)控制等重大關(guān)鍵技術(shù)的突破，引領(lǐng)科技創(chuàng)新發(fā)展新方向；也將帶動諸多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，并促進以太空資源開發(fā)、太空旅游、太空制造等為代表的新型產(chǎn)業(yè)的興起，推動我國國防、科技、經(jīng)濟全方位發(fā)展。

2 概念組成

航班化航天運輸含全球快速運輸，地面與軌道間運輸，以及軌道與軌道間運輸，采用定期定線路的航班化運營模式，具有可靠、安全、經(jīng)濟、便捷、舒適、環(huán)保的基本特點，能夠滿足未來大規(guī)模進出空間、探索空間和開發(fā)空間的任務(wù)需求，促進航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

航班化航天運輸系統(tǒng)產(chǎn)品體系主要由1 h全球抵達運輸、天地往返運輸和空間轉(zhuǎn)移運輸?shù)?類系統(tǒng)組成，具有重復(fù)使用、智能化、模塊化、標準化、產(chǎn)業(yè)規(guī)模化等技術(shù)特征。

1 h全球抵達運輸系統(tǒng)主要負責(zé)人/貨往返地球表面與亞軌道之間的高超聲速運輸，技術(shù)途徑主要為可重復(fù)使用運載+高超聲速技術(shù)；天地往返運輸系統(tǒng)負責(zé)地面與地球軌道之間的人/貨往返的運輸，技術(shù)途徑主要為可重復(fù)使用運載+高超聲速技術(shù)；空間轉(zhuǎn)移運輸系統(tǒng)主要負責(zé)地球軌道、在軌服務(wù)站以及月球軌道之間的往返運輸，兼顧更遠深空轉(zhuǎn)移運輸任務(wù)，技術(shù)途徑主要為軌道間轉(zhuǎn)移運載器+自主交會對接技術(shù)、新型空間動力技術(shù)、在軌加注和維護技術(shù)等。

圖1 航班化航天運輸系統(tǒng)功能及運行示意圖Fig.1 Architecture of airline-flight-mode aerospace transportation system

航班化是航天運輸系統(tǒng)發(fā)展的高級形式，規(guī)劃到2045年，實現(xiàn)1 h全球抵達、地面與軌道間以及軌道與軌道間航班化運輸，按需發(fā)射，每年總飛行次數(shù)達千次量級，總貨運萬噸級，總客運萬人次。形成體系化能力和規(guī)模化產(chǎn)業(yè)，總體性能水平達到世界一流，全面建成我國航班化航天運輸系統(tǒng)，滿足我國航天重大任務(wù)和商業(yè)化運營需求。

未來我國航班化航天運輸系統(tǒng)需具備以下能力，具體指標如下：

1)載貨飛行可靠性不低于0.995，載人飛行安全性不低于0.999 9；

2)單位有效載荷發(fā)射成本較當(dāng)前下降1～2個量級；

3)單運載器可重復(fù)飛行次數(shù)達百次及以上，周轉(zhuǎn)時間不大于12 h。

3 國內(nèi)外發(fā)展態(tài)勢

3.1 國外發(fā)展態(tài)勢

美國SpaceX公司依托其高運載效率、高可靠性的運載火箭優(yōu)勢技術(shù)基礎(chǔ)，不斷開展重復(fù)使用技術(shù)驗證，其Falcon-9火箭垂直起降重復(fù)使用技術(shù)日趨成熟，截至2021年5月，其一子級單模塊已實現(xiàn)10次重復(fù)利用；SpaceX公司“超重-星艦”運輸系統(tǒng)面向未來航班化運營需求，可全面提供全球快速抵達運輸、進出空間、太空資產(chǎn)回收和空間轉(zhuǎn)移等服務(wù)，正持續(xù)開展飛行驗證；美國火神、新格倫火箭都計劃采用重復(fù)使用技術(shù)；俄羅斯國家航天集團公司公布了其一子級重復(fù)使用的“阿穆爾”火箭方案；歐空局計劃在下一代阿里安火箭上采用重復(fù)使用技術(shù)，并持續(xù)開展“普羅米修斯”發(fā)動機和“塞彌斯”垂直起降驗證機的研制，同時英國持續(xù)開展組合動力“佩刀”發(fā)動機和“云霄塔”空天飛機的技術(shù)攻關(guān)；日本和印度也在不斷開展重復(fù)使用技術(shù)的試驗驗證工作[3-7]。

同時，國外主要航天國家還通過應(yīng)用智能化設(shè)計、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計、高性能發(fā)動機等新技術(shù)，不斷提升航天運輸系統(tǒng)可靠性和運載效率。智能技術(shù)的快速進步為航天領(lǐng)域發(fā)展帶來新動能，成為研究的重點方向。全生命周期數(shù)字化管理、基于數(shù)字樣機的虛擬設(shè)計、快速生產(chǎn)制造、智能飛行和自主返回控制等技術(shù)不斷取得突破[8]。各國不斷發(fā)展鋁鋰合金和復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)技術(shù)，降低結(jié)構(gòu)系數(shù)；不斷發(fā)展高性能液氧煤油、液氧甲烷和氫氧發(fā)動機技術(shù)，具備高比沖、高推重比和推力深度調(diào)節(jié)能力。

美國持續(xù)開展以“先進半人馬座”為代表的長時間在軌高性能低溫上面級的研制工作，通過應(yīng)用先進的低溫推進劑在軌蒸發(fā)量控制等新技術(shù)，使其在軌時間最長可延長到數(shù)周，可執(zhí)行近地和深空探測等空間運輸任務(wù)以及在軌服務(wù)、空間碎片清理等任務(wù)，通過在軌加注實現(xiàn)重復(fù)使用，大幅拓展了現(xiàn)有空間運輸系統(tǒng)的設(shè)計理念和應(yīng)用模式；ULA公司已計劃將“先進半人馬座”上面級作為其未來大規(guī)模開發(fā)和利用地月空間資源、建立地月空間經(jīng)濟圈的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一[3,9-13]。

3.2 我國發(fā)展態(tài)勢

我國航天運輸系統(tǒng)經(jīng)過60多年的發(fā)展，取得了舉世矚目的成績。進入空間方面，構(gòu)建了較為完善的一次性運載火箭產(chǎn)品體系，新一代運載火箭陸續(xù)開始應(yīng)用發(fā)射。空間轉(zhuǎn)移運輸方面，形成了“遠征”系列上面級。目前，我國正在持續(xù)開展新一代載人運載火箭、重型運載火箭和低溫上面級等技術(shù)攻關(guān)。重復(fù)使用、新型動力等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)取得顯著進展，圍繞垂直起降、垂直起飛水平返回、水平起降等開展了方案論證和部分飛行演示驗證。同時，我國正在持續(xù)積極推進智慧火箭技術(shù)研究，通過智能技術(shù)賦能，進一步提升航天運輸系統(tǒng)綜合能力[3]。

所取得的這些成就為建設(shè)航班化航天運輸系統(tǒng)奠定了一定的基礎(chǔ)，但針對航班化航天運輸系統(tǒng)的建設(shè)仍處于起步階段。

天地往返運輸方面，我國新一代運載火箭在飛行可靠性、發(fā)射成本以及發(fā)射準備時間等方面距航班化目標差距明顯，尚且不具備重復(fù)使用能力。重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)重點突破重復(fù)使用技術(shù)，能夠發(fā)展成為滿足未來我國航班化航天運輸系統(tǒng)能力需求的重要組成，但目前處于預(yù)研階段，發(fā)展進度與航班化航天運輸系統(tǒng)的預(yù)期目標要求還存在差距。空間轉(zhuǎn)移運輸方面，當(dāng)前仍以常規(guī)有毒推進劑上面級為主力，低溫等高性能空間轉(zhuǎn)移運輸系統(tǒng)尚未工程立項，距離設(shè)定的空間轉(zhuǎn)移運輸?shù)念A(yù)期目標差距較大。

4 未來發(fā)展展望

針對航班化的任務(wù)能力指標實現(xiàn)，結(jié)合我國當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀，提出相關(guān)發(fā)展設(shè)想。面向1 h全球抵達、天地往返運輸任務(wù)目標，提出開展重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)建設(shè)；面向軌道間轉(zhuǎn)移運輸任務(wù)目標，提出開展空間轉(zhuǎn)移運輸系統(tǒng)建設(shè)。

轉(zhuǎn)變設(shè)計理念、革新設(shè)計研發(fā)體系，大力提升我國航天運輸系統(tǒng)性能和設(shè)計研制水平，不斷突破重復(fù)使用為代表的新型技術(shù)，拓展空間轉(zhuǎn)移運輸能力，增加新功能、融入新要素，最終建成航班化航天運輸系統(tǒng)。

4.1 重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)建設(shè)

(1)發(fā)展思路

重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)由垂直起降運載火箭(VTVL)、垂直起飛水平著陸運載器(VTHL)和水平起降運載器(HTHL)等3大類組成，構(gòu)成未來1 h全球抵達和天地往返運輸?shù)闹黧w。

圖2 重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of reusable aerospace transportation system

采用重復(fù)使用設(shè)計理念，開展長航時、長壽命設(shè)計，從根本上解決當(dāng)前運載火箭一次性使用帶來的費用高昂問題，最終實現(xiàn)像飛機一樣重復(fù)使用和航班化運營，全面完成1 h全球抵達和天地往返的任務(wù)目標。同時,實現(xiàn)我國天地往返運輸系統(tǒng)從單次使用到多次使用、從定制化到批量化、從性能設(shè)計到壽命設(shè)計、從使用性設(shè)計到維護性設(shè)計的轉(zhuǎn)變。

2025年，完成重點項目關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，先期開展技術(shù)驗證飛行試驗。垂直起降運載火箭實現(xiàn)一子級垂直回收。升力式火箭動力運載器具備小規(guī)模入軌的技術(shù)能力。組合動力一級完成原理性技術(shù)飛行驗證。

2035年，實現(xiàn)重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)工程應(yīng)用。研制小型升力式全球快速抵達運載器，具備單次10人級全球快速抵達能力；研制小型升力式完全重復(fù)使用運載器、中型垂直起降部分重復(fù)使用運載火箭等產(chǎn)品，具備中等規(guī)模天地往返運輸能力。飛行可靠性達到0.99，1 h全球抵達和天地往返運輸系統(tǒng)單運載器可重復(fù)使用次數(shù)達到50～100次，周轉(zhuǎn)時間不大于1周，單位載荷運輸成本下降50%以上。

2045年，重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)全面工程化應(yīng)用，技術(shù)不斷升級，單級入軌實現(xiàn)技術(shù)突破。研制大型垂直起降全球快速抵達運載器，具備單次100人級全球快速抵達能力；研制小型組合動力重復(fù)使用運載器、大型垂直起降完全重復(fù)使用運載火箭，具備大規(guī)模天地往返運輸能力。飛行可靠性不低于0.995，載人飛行安全性達到0.999 9，重復(fù)使用次數(shù)100次以上，具備12 h內(nèi)重復(fù)使用快速檢測維護、智能發(fā)射和智能飛行控制能力，單位載荷運輸成本降低1～2個量級以上。

(2)技術(shù)難點

重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)與一次性運載火箭相比，從任務(wù)剖面角度看，除上升段外還涉及返回、維護維修和再次發(fā)射等過程，未來航班化運營重復(fù)使用次數(shù)多，周轉(zhuǎn)周期短，且從起降方式角度還分為多種方式，這就導(dǎo)致重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)難度大、難點多，主要涉及總體設(shè)計與優(yōu)化、高精度著陸控制、長時間高超聲速飛行復(fù)雜氣動力熱設(shè)計與精確預(yù)示、輕質(zhì)耐疲勞著陸支撐機構(gòu)設(shè)計、大尺寸升力式運載器輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造、復(fù)雜氣動外形組合體高速級間分離、發(fā)動機大范圍推力調(diào)節(jié)、長壽命重復(fù)使用火箭發(fā)動機設(shè)計、長壽命高性能組合循環(huán)動力設(shè)計、跨域高動態(tài)智能控制與導(dǎo)航制導(dǎo)、重復(fù)使用輕質(zhì)長壽命熱防護及綜合熱管理設(shè)計等。

4.2 空間轉(zhuǎn)移運輸系統(tǒng)建設(shè)

(1)發(fā)展思路

空間轉(zhuǎn)移運輸系統(tǒng)主要由低溫空間運輸系統(tǒng)和大功率電推進空間運輸系統(tǒng)組成。建立空間轉(zhuǎn)移運輸系統(tǒng)設(shè)計新理念新方法，采用高性能綠色動力技術(shù)、在軌加注和模塊組合等途徑，解決當(dāng)前上面級推進劑有毒、能力有限、一次性使用等問題。最終實現(xiàn)空間轉(zhuǎn)移運輸?shù)闹貜?fù)使用和航班化運營，全面完成空間轉(zhuǎn)移運輸?shù)娜蝿?wù)目標。實現(xiàn)空間轉(zhuǎn)移運輸系統(tǒng)從常規(guī)有毒動力到高能綠色動力，從單次使用到多次使用，從短航時飛行到長航時飛行的轉(zhuǎn)變。

圖3 空間轉(zhuǎn)移運輸系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of on-orbit transportation system

2025年，完成低溫推進劑在軌被動蒸發(fā)量控制、大功率電推進等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，開展試驗驗證。

2035年，實現(xiàn)空間轉(zhuǎn)移運輸系統(tǒng)工程應(yīng)用，研制低溫空間運輸系統(tǒng)和大功率電推進空間運輸系統(tǒng)，進一步突破低溫推進劑在軌準零蒸發(fā)、在軌加注和超大功率空間能源設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)地月空間中等規(guī)模轉(zhuǎn)移運輸能力，飛行可靠性不低于0.99，在軌加注重復(fù)使用50～100次，一次加注可在軌數(shù)周。

2045年，空間轉(zhuǎn)移運輸系統(tǒng)全面工程化應(yīng)用，技術(shù)不斷升級，空間核推進技術(shù)實現(xiàn)突破，研制地月空間運輸系統(tǒng)等系列化產(chǎn)品,實現(xiàn)地月空間大規(guī)模轉(zhuǎn)移運輸能力，飛行可靠性不低于0.995，載人飛行安全性達到0.999 9，在軌加注重復(fù)使用100次以上，一次加注可在軌數(shù)月，具備在軌快速檢測維護、智能任務(wù)規(guī)劃和智能飛行能力。

(2)技術(shù)難點

低溫空間運輸系統(tǒng)采用高比沖的液氫液氧或液氧烴類推進劑組合，能夠有效提升空間運輸能力。面向未來在軌航班化運營，需要解決如低溫推進劑蒸發(fā)量控制、微重力環(huán)境氣液分離設(shè)計、蒸發(fā)氣體排放利用、高效輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計、微重力環(huán)境下低溫推進劑輸送設(shè)計、適應(yīng)長期在軌的可重構(gòu)軟件定義電氣系統(tǒng)等技術(shù)難點。

大功率電推進空間運輸系統(tǒng)采用大功率太陽能或核能作為能源供給，并應(yīng)用大功率高效率電推力器，技術(shù)難度大，涉及的技術(shù)難點主要有：輕質(zhì)高效太陽能電池陣設(shè)計、大功率長期在軌高效熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計、輕質(zhì)高安全核反應(yīng)堆設(shè)計、高效空間散熱系統(tǒng)設(shè)計、在軌長壽命電推力器設(shè)計、高效輕質(zhì)多模式推力器設(shè)計等。

5 結(jié)論

世界航天即將迎來大規(guī)模進出空間的“航班化航天運輸”時代，站在新的歷史節(jié)點上，面對新的需求、機遇和挑戰(zhàn)，我們要把握機遇，迎接挑戰(zhàn)，立足我國戰(zhàn)略發(fā)展需要，發(fā)展航班化航天運輸系統(tǒng)，創(chuàng)新設(shè)計理念，探索新技術(shù)新方法，科學(xué)規(guī)劃產(chǎn)品體系；開展運載火箭性能提升優(yōu)化專項研究，夯實基礎(chǔ)，賦能升級；建設(shè)重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)和空間轉(zhuǎn)移運輸系統(tǒng)，謀篇長遠，構(gòu)建體系；實現(xiàn)我國航天運輸系統(tǒng)的跨越式發(fā)展，建成世界一流水平的航班化航天運輸系統(tǒng)。