長征五號火箭技術突破與中國運載火箭未來發展綜述

李東，李平岐

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

20世紀90年代中期，隨著世界各國航天活動的蓬勃開展和國際商業發射市場競爭的日趨激烈，運載火箭在技術發展的推動和需求牽引下，進入一個新的發展階段。為滿足新世紀航天發射的需求，美國、俄羅斯和歐洲等主要航天國家和地區以市場需求為導向，廣泛遵循高可靠、低成本、模塊化的設計思路，采用無毒無污染推進技術，開展了新一代一次性運載火箭的研制，其主要目標是降低火箭發射成本、提高可靠性、靈活性和市場競爭力。其中美國于1994年由美國國防部實施了改進型一次性運載火箭(EELV)發展計劃，研制了宇宙神V系列、德爾塔IV系列運載火箭；俄羅斯、歐洲分別于1994年、1988年啟動了安加拉系列、阿里安5運載火箭的研制。進入21世紀，上述火箭逐步實現首飛并投入工程應用，進入空間能力普遍達到近地軌道20噸級、地球同步轉移軌道10噸級[1-3]。

2010年，SpaceX公司的獵鷹9火箭成功發射；2012年，獵鷹9火箭在執行其首次國際空間站任務中，在1臺發動機推力下降的情況下，通過故障診斷及在線重規劃技術順利完成發射任務；2015年12月23日，獵鷹9火箭首次實現了芯一級陸上垂直回收。獵鷹9系列火箭憑借其火箭子級和整流罩的回收與復用技術、故障診斷及在線重規劃等技術，對運載火箭的技術發展帶來了巨大沖擊。其中，在降低發射成本方面，技術途徑由此前的“通用化、模塊化”向“重復使用”的技術轉變；在提高可靠性方面，技術途徑由“基于偏差設計”向“基于故障設計”的技術轉變。

獵鷹9火箭在重復使用領域取得了巨大成功，使得重復使用技術成為當今世界火箭技術發展的重要方向，但一次性火箭在未來相當長一段時間內仍將是進入空間的重要力量。目前世界各航天大國均在實施各自下一代主力火箭更新計劃，包括美國聯合發射聯盟(ULA)的火神(Vulcan)火箭、俄羅斯的聯盟5火箭、歐洲的阿里安6火箭和日本的H3火箭等，在提升性能指標的同時，這些火箭均把降低發射成本，提升任務的靈活性、適應性作為主要研制目標[4-6]。同時，各國也在積極推進重型運載火箭研制，美國在深空探測需求牽引下，基于航天飛機的發動機、大直徑箭體結構、固體助推器等大量成熟技術，開展了重型運載火箭太空發射系統(SLS)的研制工作；俄羅斯以載人登月為需求和目標，2016年宣布研制其重型運載火箭“葉尼塞”，該火箭充分利用 RD-171 和RD-180 等成熟發動機，以聯盟5/6(Soyuz 5/6)火箭為基礎，通過捆綁來構成，但受經費等因素限制，其研制工作在2021年已停止；SpaceX公司利用其獵鷹9的模塊并聯捆綁技術，研發成功了獵鷹9重型火箭，同時，其兩級可完全重復使用的“超重+星艦”也即將首飛。

長征五號(CZ-5)系列火箭是以大幅提升我國自主進入空間的能力，滿足我國航天中長遠戰略發展需求而研制的系列化大型運載火箭。以CZ-5火箭為代表的新一代運載火箭的成功研制及應用，大幅提升了我國火箭的運載能力和整體技術水平，但對比我國未來航天發展對運載火箭的需求，以及國外運載火箭的先進水平，我國運載火箭在進入空間的最大能力、運載效率、經濟性等重要性能參數方面仍有差距；而在先進技術方面，火箭的重復使用性、輕質化結構設計與制造、高性能火箭動力等方面差距也很明顯。未來，還需立足我國國情，以滿足我國航天總體發展戰略的需求為指引，按照建設航天強國和世界一流的航天運輸系統的總目標，不斷地創新發展，以支撐我國航天強國建設，更好地服務于國民經濟建設和國防建設。

1 長征五號火箭研制

1.1 研制背景及意義

中國航天經過半個多世紀獨立自主、自力更生的發展，形成了具有獨立自主知識產權的“長征”系列火箭(見圖1)，近地軌道(LEO)運載能力達到8.6 t、太陽同步軌道(SSO)運載能力達到6.2 t、地球同步轉移軌道(GTO)運載能力達到5.5 t，支撐了中國航天五十余年的發展[7]。

進入21世紀后，隨著我國社會主義強國建設的不斷推進，國民經濟建設和國防建設對航天的需求不斷增強。月球采樣返回、火星探測以及載人空間站工程等新時期國家重大航天工程對運載火箭能力提出了成倍提高的要求。同時我國上一代火箭基礎級普遍采用四氧化二氮/偏二甲肼的有毒推進劑，且發射場均在內陸，箭體殘骸航落區安全問題突出。火箭的可靠性、安全性、適應性、環境友好性等亟待提升。

而同期，世界主要航天強國均推出了各自的新一代運載火箭，如美國宇宙神5系列、德爾塔4系列、歐洲阿里安5等。與之相比，我國僅有中型運載火箭，大型火箭領域空白，火箭的運載能力和整體技術水平與國外先進水平的差距進一步拉大[7]。研制無毒無污染的大型運載火箭，大幅提升我國自主進入空間能力，帶動我國運載火箭技術跨越，支撐國家重大航天工程任務實施和中國航天事業可持續發展，已成為當時最迫切的需求。

正是在此背景下，我國啟動了CZ-5火箭的研制工作。此時，獵鷹9火箭尚未開展研制，重復使用、故障診斷及容錯重構等創新技術尚在探索中。CZ-5火箭肩負的最重要的歷史使命是要填補我國大型火箭的空白，大幅提高進入空間的能力，同時解決長征火箭急待解決的推進劑毒、航落區安全性差等問題。CZ-5火箭按照一次性使用運載火箭研制思路及準則，瞄準國家戰略發展需求開展論證和研制。從1986年的首屆“863計劃”起，經過了長達20年的論證、預研及關鍵技術攻關，于2006年型號工程立項，再經10年工程研制，2016年首飛圓滿成功[8]。

通過CZ-5火箭的研制，突破并掌握一大批具有完全自主知識產權的全新技術，大幅提升我國運載火箭整體技術水平，促進我國新一代運載火箭系列化和型譜化發展(見圖2)；構建我國新一代運載火箭的研制體系；建成天津新一代運載火箭產業基地、亞洲規模最大的全箭振動塔等大型地面設施，帶動了海南文昌航天發射場建設，使我國運載火箭的設計、制造、檢測及試驗等研制基礎能力跨上了一個新臺階。同時帶動了新材料體系、深低溫工程、大型裝備制造、先進檢測與試驗技術等基礎領域技術進步，實現了我國運載火箭整體技術水平的跨越發展。

截至2021年5月，CZ-5系列運載火箭已經進行了7次發射。取得“天問一號”火星探測器、“嫦娥五號”月球采樣返回探測器、載人空間站工程“天和”核心艙、新一代載人飛船試驗船以及新一代大型靜止軌道衛星平臺等重大航天發射任務的圓滿成功。后續CZ-5火箭還將在空間站建設、深空探測、大型地球同步轉移軌道衛星等國家重大航天工程任務中發揮核心作用。

1.2 主要技術創新

CZ-5火箭是我國運載火箭升級換代的重大標志性工程，在研制過程中，攻克了以全新構型火箭的總體優化設計、5 m大直徑箭體結構、無毒無污染低溫動力等為代表的12類240余項核心關鍵技術，形成了5大技術創新點，實現了我國火箭運載能力和技術水平的重大跨越。

1)全新構型和總體優化技術

我國上一代運載火箭以3.35 m直徑箭體結構、75 t推力常規發動機為基礎，經過近50年的不斷改進與發展，其運載潛力已挖掘殆盡。為滿足進入空間能力成倍提升的需求，需要基于全新箭體結構和動力技術，創新火箭構型與總體方案。研制隊伍通過對近千種不同的火箭級數、箭體直徑、結構形式、動力組合的構型方案進行綜合迭代優化，創新提出了5 m直徑氫氧芯級捆綁3.35 m直徑液氧煤油助推器的大型火箭構型方案。構型方案的確定綜合考慮了運載火箭的技術發展趨勢與特點、我國當時的技術條件與基礎，以及對我國運載火箭技術發展的牽引帶動作用3方面的因素。

在火箭技術發展特點方面，按照簡化系統方案、提高可靠性的思路，采用了大直徑少級數構型的方案進行設計。全新的構型方案充分利用助推器液氧煤油動力的大推力和高密度比沖，有效擴大火箭規模、快速穿越大氣層；利用芯級氫氧動力的高性能比沖，提供高效速度增量，不但使火箭的地球同步轉移軌道運載能力由5.5 t躍升至14 t，近地軌道運載能力由8.6 t躍升至25 t，同時還使得構型整體比上一代火箭減少了一級：兩級半的CZ-5即可完成傳統的三級半火箭的任務，一級半的CZ-5B即可完成傳統的兩級半火箭的任務，CZ-5B也是當今世界在役火箭中唯一一型可以一級半直接入軌的火箭(見圖3)。級數的減少可減少級間分離、發動機高空起動等影響火箭飛行成敗的關鍵環節，大幅降低系統復雜度、提高火箭飛行可靠性和經濟性。

這種全新構型技術上最大的特點是：實現了大推力液氧煤油動力的助推器與小推力的氫氧芯級(芯一級本身的推重比小于1)的組合，利用助推器的大推力液氧煤油動力確保火箭的起飛推力和火箭運載規模，利于芯級的小推力、高比沖的氫氧動力的長時間工作來實現少級數，可以將兩種動力各自的優勢發揮到極致。但這種全新構型也帶來了捆綁與傳力設計、復雜力熱環境預示、大質量柔性體分離、異種發動機點火安全控制等一系列火箭總體設計方面的難題。其技術本質在于如何在少級數的情況下，保證火箭有足夠高的結構效率，從而確保火箭的整體性能。

為大幅提升火箭運載效率，型號創新提出了前捆綁傳力(見圖4)、懸掛貯箱(見圖5)等技術方案。其中前捆綁傳力技術，是我國首次突破大型火箭的這一核心技術。大型火箭助推器一般通過前后兩組捆綁機構與芯級聯接，傳統火箭助推器的推力一般通過后捆綁點傳遞到芯級，稱為后傳力方案。而CZ-5火箭4個助推器的總推力超過千噸，推力從前捆綁點向芯級傳遞，可以使芯級大部分結構不承受千噸級的軸向載荷，是實現芯級結構輕量化、提高運載能力的關鍵。但前捆綁傳力方案的核心技術國內空白。為此型號研制了多球鉸自適應前捆綁裝置，突破了復雜工況下結構大變形的自適應補償技術，解決了傳力路徑長、變形協調困難的難題，有效提高了結構效率和火箭運載能力。

為了實現全箭氣動外形最優，火箭采用了助推器斜頭錐、馮·卡門外形整流罩等全新氣動外形，解決了火箭氣動特性高精度預示難題，消除了整流罩跨聲速脈動壓力，實現全箭橫向載荷降低30%、零攻角阻力系數降低10%。

CZ-5火箭由2臺氫氧發動機和 8臺液氧煤油發動機地面同時點火，氫氧發動機起動過程排出大量氫氣，同區域液氧煤油發動機起動時排出大量富氧燃氣，直接擴散、摻混后，會形成爆燃爆轟邊界很寬的混合介質，不同推進劑組元的兩種發動機地面同時點火的安全控制技術在國內空白。為此建立了氫的兩相流擴散摻混模型，獲取了不同溫度、風場下液氫排放和擴散規律；通過在外場預置富氧粒子點火源，并精確控制富氫、富氧燃氣排放時序，解決了異類發動機地面同時點火的安全控制重大難題。

此外，在總體技術方面，還突破了系列化火箭構型設計技術、級間比兼容設計技術、簇式多噴管發動機尾焰作用下的尾段熱環境預示與防護技術、大型低溫火箭POGO抑制技術等核心技術。全新的火箭構型和總體技術的突破，是CZ-5火箭實現運載能力大幅提高、火箭減少級數、可靠性和經濟顯著提升的核心關鍵。

2)大直徑箭體結構設計、制造及試驗技術

CZ-5火箭采用的全新5 m直徑輕量化箭體結構，是擴大火箭規模、提升運載能力的重要技術途徑。我國上一代運載火箭箭體主結構最大直徑為3.35 m，研制5 m直徑大型箭體結構，意味著我國過去50年積累的3.35 m箭體結構設計、制造、試驗、檢測等方法與技術，有許多不再適用，是對整個結構研制體系的全新挑戰。CZ-5火箭在設計方法上，發展了5 m直徑大承載、弱剛度結構的工程設計理論和基于有限元技術的拓撲優化設計方法。在材料、工藝、制造上，首次采用高強鋁合金新型材料，自動攪拌摩擦焊接、自動鉚接等新工藝，全新研制了一整套適用于5 m直徑結構的高精度制造裝備。在試驗能力上，充分利用液氮密度低、低溫下材料性能提升的特點，發明了液氮介質內壓檢測法，解決了大型低溫薄壁貯箱地面常規水壓試驗載荷遠超飛行載荷的難題。突破了大集中力、千噸級高軸壓、大彎矩和高內壓載荷的多點協調平衡加載技術，首次實現了5 m直徑薄殼結構千噸級靜力加載試驗能力。

CZ-5火箭芯一級液氫貯箱工作在-253 ℃的超低溫區，容積是上一代火箭氫箱的8倍，貯箱容質比提升50%以上，貯箱最小厚度僅3.5 mm，為解決由于徑厚比增大帶來的結構過渡區附加應力大幅增加的難題，CZ-5火箭在國內首創了貯箱三心球冠底型(見圖6)、三角形薄壁網格加筋圓筒殼結構，以及低二次應力過渡環與筒段連接結構，在貯箱主體結構采用了精細化雙面應力均化、多級過渡和剛度匹配設計技術，關鍵焊縫應力水平降低30%以上。在制造環節，全面采用攪拌摩擦焊、懸空TIG(Tungsten Insert Gas welding)焊以及復雜曲面拉彎成型等先進技術，建立了航天大型鋁合金構件攪拌摩擦焊工藝-質量-裝備-標準技術體系。實現了我國大型低溫薄壁貯箱設計、制造和檢測技術的全面跨越。

由于采用了助推器前捆綁傳力技術，助推器推力需通過助推器斜頭錐可靠傳遞到芯級薄壁殼體，帶來了在有限空間內偏置大集中載荷均勻擴散的技術難題。CZ-5火箭單點捆綁載荷近300 t，數倍于上一代火箭捆綁載荷，為此，型號創新提出了偏置大集中力載荷高效傳遞擴散方案，突破了傳力與布局兩級變構型拓撲優化和力與力矩定向解耦技術，實現了芯級千噸級集中載荷的可靠傳遞和均勻擴散。采用基于有限元技術的拓撲優化技術對承載大集中載荷的芯級捆綁接頭進行了優化設計，設計了“兩側開叉、上端為樹枝狀”的結構形式，優化前、后，捆綁接頭附近的氧箱局部結構上最高應力降低了200 MPa，應力分布更為均勻，用僅48 kg輕質結構，實現了300 t級大承載和高效力擴散(見圖7)。針對助推器斜頭錐承受單側大集中力的特殊工況，設計了鋁合金框桁-壁板-大梁鉚焊混合結構，創造性地在頭錐內部設置了彎矩平衡梁，大幅降低了局部彎曲應力，顯著改進了結構傳力路徑，提高了結構效率。

3)高性能發動機及動力總體技術

CZ-5火箭采用全新無毒無污染動力系統。通過型號的研制，牽引了我國三型火箭發動機(YF-100液氧煤油發動機、YF-77大推力氫氧發動機、YF-75D膨脹循環氫氧發動機)的發展和相應的高可靠增壓輸送系統。

助推器的YF-100發動機，是我國首型高壓補燃液氧煤油發動機，推力達120 t，是我國目前單臺推力最大的液體火箭發動機。它采用高壓補燃循環技術，化學點火、自身啟動，發動機可以固定不擺，也可以單向或雙向擺動。研制中突破了高壓大流量富氧燃氣發生器、高壓推力室煤油冷卻、大流量全進氣低壓比富氧渦輪、渦輪泵軸向力平衡、預壓渦輪泵變螺距葉輪等一系列關鍵技術。使我國成為世界上繼蘇聯后，第2個掌握高壓補燃液氧煤油發動機技術的國家。

芯一級YF-77氫氧發動機是我國首個地面點火起動、推力最大、燃燒室壓力最高的氫氧發動機。與我國上一代氫氧發動機相比，真空推力由8 t級躍升至70 t級、推力提高9倍，燃燒室壓力提高2.5倍。這種地面點火的發動機，面臨著我國傳統氫氧發動機超臨界起動方式不再適用的重大難題，為此在國內首次構建了針對液氫亞/超臨界工況低溫推進劑單相/汽液兩相瞬態流動與傳熱、渦輪泵和燃燒室噴霧燃燒等動力學模型和數值仿真方法，提出了大推力氫氧發動機亞臨界點火起動控制方案，解決了液氫亞臨界工況下點火起動帶來的低溫流體相變流動、推力室冷卻結構瞬態傳熱與防護、并聯氫氧渦輪起旋加速匹配控制等技術難題，實現了大推力氫氧發動機在亞臨界工況下的可靠安全點火起動。

CZ-5火箭芯二級YF-75D發動機是我國首型閉式膨脹循環、具有高空二次起動能力的氫氧發動機，它的成功研制，也使我國成為繼美國之后，世界上第2個成功實現閉式膨脹循環氫氧發動機飛行的國家。YF-75D發動機取消了傳統的燃氣發生器循環的副系統，系統大幅簡化，零組件數量大量減少，提高了發動機固有可靠性，比沖性能在我國火箭發動機中處于最高水平。由于采用了不依賴外能源的箱壓自身起動方案，帶來了初始起動能量與外界環境相關、組件間動態特性強耦合、低溫流體瞬態傳熱影響敏感等新挑戰，在國內首次構建了針對膨脹循環系統低溫推進劑單相/汽液兩相瞬態流動與傳熱、渦輪泵起旋爬升動特性、推力室噴霧燃燒等仿真分析模型，創新提出了利用推力室夾套熱容作為初始起動能源的自身起動控制方案，解決了閉式膨脹循環發動機推力室混合比控制、點火工況與加速性匹配等起動技術難題，實現了膨脹循環發動機高空兩次可靠點火起動和穩定工作。

CZ-5火箭共配置12臺低溫發動機，起動前需將發動機的相應結構預冷至液氫、液氧溫區，以滿足安全點火條件。傳統的排放預冷方案由于存在射前預冷與補加流程嵌套，保證多臺低溫發動機同時滿足并在各種邊界條件下均能可靠維持預冷條件非常困難。CZ-5火箭首次采用了基于永磁同步電機液氫循環泵驅動和氦氣引射循環的循環預冷方案(見圖8)，攻克了超低汽蝕裕度的氫循環泵、常溫氦氣與低溫推進劑多相流引射與控制、低溫長輸送管涌泉抑制等關鍵技術，通過在發動機與貯箱間建立低溫推進劑循環流動的方法，實現了3種、12臺低溫發動機充分預冷并可靠維持，大幅提升了大型低溫火箭發射適應性。

4)高可靠控制與大容量遙測技術

CZ-5火箭的全新構型，需助推器和芯級發動機聯合擺動，以滿足姿態控制需求，其難度在于：一是全新的助推與芯級發動機聯合搖擺控制方式，是中國長征火箭的首次，傳統的姿態穩定系統設計，是將箭體的彈性特性簡化為三通道解耦的單純彎曲或扭轉振動，而以CZ-5火箭為代表的新一代運載火箭由于助推器長度大、質量占比大、且前后捆綁點的跨距大使得全箭動特性呈現低頻模態密集、空間耦合交聯嚴重、助推器局部模態顯著的復雜特征，傳統的火箭彈性特性建模方法及姿控穩定性設計和驗證方法的適用性需要重新審視和研究；二是由于助推器發動機推力占總推力90%(傳統火箭占比不超過50%)，助推發動機關機時全箭控制力矩瞬時下降超過90%、干擾相比傳統火箭增大10倍以上，控制對象特性、控制力及干擾的瞬態變化程度均數倍于傳統火箭；三是5 m直徑結構及全新捆綁傳力體系，造成全箭模態特性復雜、低頻模態密集、空間交聯耦合嚴重，相對傳統火箭，剛晃彈穩定控制難度大幅增加。

CZ-5火箭是我國新一代運載火箭中最早立項研制的，為解決這些難題，在國內首次采用了助推器和芯級發動機聯合搖擺姿態穩定控制方案，提出了基于空間模態的姿態動力學耦合建模方法，并在國內首次應用柔性多體動力學虛擬樣機的方法進行了有效驗證，系統突破了慣性敏感元件選位、發動機-伺服系統小回路精確模型、擺助推控制穩定性分析等方法理論，掌握了大型液體運載火箭擺助推控制這一關鍵技術。提出了助推器發動機和芯級發動機控制力動態分配技術，實現了助推器發動機關機時推力瞬間大幅下降情況下的姿態穩定控制。

同時，CZ-5火箭在國內首次提出了運載火箭基于1553B總線的系統級冗余體系框架，構建了基于異類慣組信息的三慣組、雙速率陀螺、冗余總線、具有高可靠動態重構能力的CZ-5火箭控制系統方案，相比于傳統的冗余技術，通過采用三慣組加表和陀螺、速率陀螺的立體矩陣式健康管理技術，可快速完成多維度加表和陀螺的故障判斷、隔離與重構，可在線規劃的表級冗余重構方案達700余種，火箭控制系統的魯棒性及慣性器件故障適應能力大幅增強。

CZ-5火箭測量參數由我國上一代火箭約1 000路提高到5 500路，遙測總容量從4 Mbps提高到15 Mbps，單點頻遙測容量從2 Mbps提高到10 Mbps，需要確保火箭在任意姿態下的遙測信息全向發送與接收，面臨無線傳輸距離顯著下降、5 m直徑箭體S、C波段全向繞射難題。針對上述難題，采用了TPC乘積碼與MSD多符號檢測組合調頻遙測增強技術，實現了相同碼速率條件下無線傳輸距離提高2.5倍；創新采用彎曲振子天線與十字交叉振子兩種不同極化天線組合形式，在國內首次實現了5 m直徑箭體的全向高增益天饋系統。

5) 全新的測試發射模式和發射支持技術

為了提高發射可靠性、測試發射效率和自動化程度，以及低溫加注后人員的安全性，同時更好地適應海南的特殊氣候氣象條件，CZ-5火箭首創了“在活動發射平臺內部集成了地面測發控前端設備的三垂”測發模式，其特點是火箭進場后便直接在發射臺上完成組裝和箭地連接，在垂直技術廠房完成測試后，保持箭地接口狀態直接垂直轉運到發射區完成發射，大幅簡化發射區測試操作，縮短在發射區的準備時間，可有效應對濱海發射場極端氣象條件多發、影響發射可靠性等問題。這種新的三垂測發模式方案成功在后續的CZ-7、CZ-8等新一代中型運載火箭中推廣應用。

2 000 t級活動發射平臺是我國目前規模最大、功能最復雜、集成度最高的活動發射平臺(見圖9)，首次集成了支承、行走、供配電、供配氣、供液、垂直度調整等30余項系統功能及上千套地面測發設備，實現了火箭在發射場測試發射全流程箭地接口無間斷連接。火箭起飛時刻10臺發動機同時點火，發射臺需承受的力熱環境嚴酷度遠超上一代火箭。面臨著超高溫、強振動、高噪聲等極端嚴酷力熱環境下可靠、安全發射難題。為此發明了基于多點支撐并帶有臍帶塔擺桿的活動發射平臺、大流量噴水降溫降噪系統、大流量氫氣快速安全處理系統等，攻克了復雜環境下多學科高度集成總體優化、2 000 t平臺毫米級高精度行走自動定位、非線性多目標多約束條件下的12點高精度調平、嚴酷力、熱環境控制與防護、大流量噴水降溫降噪等關鍵技術，成功研制了國內技術最先進、承載能力最強、系統構成最復雜、集成度最高的活動發射平臺，實現了我國運載火箭測發控模式和活動發射平臺技術跨越發展，達到國際先進水平。

通過CZ-5火箭的研制，我國運載火箭在總體方案、先進動力、輕質高強結構、高可靠電氣和高安全發射支持技術等方面取得重大進步，火箭整體技術水平進入世界同類火箭的先進水平行列，見表1，帶動了我國新一代運載火箭的型譜化和系列化發展，為我國運載火箭后續發展奠定了堅實基礎。

表1 CZ-5火箭運載能力與國內外大型火箭對比(折算到標準GTO軌道)Table 1 Comparison of LM-5 carrying capacity with large rockets at home and abroad (converted to standard GTO orbit)

CZ-5火箭已成功應用于月球采樣返回、火星探測、載人空間站工程、新一代大型靜止軌道衛星平臺等重大航天工程，為我國月球探測、行星探測、載人空間站等重大專項工程的實施奠定了重要技術基礎。

2 我國運載火箭技術未來發展展望

2.1 世界運載火箭技術最新發展

隨著航天發展對運載火箭在運載能力、可靠性、經濟性、使用靈活性和便捷性方面需求的不斷增加，同時重復使用、新動力、新材料、人工智能等新技術的蓬勃發展，世界運載火箭技術在近年來取得了長足的進步。

1)在總體技術方面，通過重復使用技術的應用，有效降低了進入空間成本，提高市場競爭力。重復使用技術已成為運載火箭發展的重要方向，以SpaceX公司獵鷹9火箭為代表，從2015年12月22日首次實現了陸上垂直回收以來，獵鷹9火箭實現了單一一級模塊11次復用，中轉周期最短為27 d，垂直起降回收技術已完全成熟，并取得了商業上的巨大成功[9-12]。智能技術的快速進步為運載火箭技術發展帶來了新動能，全生命周期數字化管理、基于數字樣機的虛擬設計、快速生產制造、智能飛行和自主返回控制等技術不斷取得突破[13-16]。

2)在箭體結構設計與制造技術方面，隨著計算技術的發展，載荷、布局及結構逐漸由傳統的串行設計轉變為快速迭代優化設計，如通過發動機推力結構與箭體結構一體化設計，實現殼段或貯箱箱底傳力，提高結構效率；先進材料應用上，各國不斷發展鋁鋰合金和復合材料輕質結構技術，從而降低結構系數；制造工藝上，廣泛采用以攪拌摩擦焊、3D打印等為代表先進成形工藝技術[17-19]。

3)在先進動力技術方面，不斷發展高性能液氧甲烷、液氧煤油和氫氧發動機技術，美國的梅林-1D液氧煤油發動機推重比高達185，RL-10B氫氧發動機真空比沖達到465 s，SpaceX公司研發猛禽液氧甲烷發動機采用全流量補燃循環，真空比沖超過370 s，室壓最大可達到33 MPa，推重比不小于200，節流范圍約45%～100%，設計重復使用次數不小于50次[20-21]。

4)在先進測試發射技術方面，各國均在開展快速測試發射技術研究，發展電氣系統智能化機內測試技術、先進地面測發控技術、智能化故障診斷技術以及并行測試技術等諸多關鍵技術，實現運載火箭快速、可靠進入空間[22]。

2.2 存在的差距與不足

以CZ-5火箭為代表的中國新一代運載火箭，其技術方案及進步，主要基于當時運載火箭技術發展特點，以提升進入空間能力、可靠性和環境友好性作為主要研制目標。新一代運載火箭的成功研制，相比我國上一代火箭，在上述幾方面均取得了較大進步，包括運載能力實現了成倍提升、火箭飛行可靠性達到0.98的國際先進水平、采用了無毒無污染推進劑技術等等。但對比國外運載火箭技術最新發展，我國運載火箭技術水平仍存在較大差距：

1)在進入空間能力方面存在明顯差距。我國通過CZ-5系列火箭，實現了近地軌道運載能力25 t、地球同步轉移軌道運載能力14 t，但獵鷹9重型火箭近地軌道運載能力63.8 t，美國正在研制的重型運載火箭太空發射系統和“超重-星艦”，近地軌道運載能力分別為130 t和100 t。

2)在先進技術應用方面存在較大差距。以美國SpaceX公司的獵鷹9火箭為代表，垂直起降重復使用等技術在運載火箭上的應用逐漸成熟，有效降低了單位質量載荷發射成本。而我國在重復使用等領域仍處于關鍵技術攻關及驗證階段，距離實現工程應用仍存在一定差距。另外，國外運載火箭近地軌道運載效率最大可達4%，而我國目前運載效率最高的CZ-5B火箭僅為2.9%；同時我國運載火箭普遍存在測試發射操作復雜、自動化測試程度低、測發流程長等問題。

3)火箭型譜及綜合性能仍存在差距。目前國外主要航天研發機構和商業公司，均提出了下一代主力運載火箭研制計劃，均以降低發射成本、提升任務靈活性和適應性作為主要目標，不再僅僅追求性能指標的提升，包括美國的火神(Vulcan)、新格倫(New Glenn)，俄羅斯的聯盟5，歐洲的阿里安6和日本的H3火箭等。各國新研制運載火箭均向著型譜簡化、模塊精簡的目標發展，而我國主戰場運載火箭型譜明顯偏多、模塊化程度不夠、運載效率偏低、使用維護性也有待提升。

2.3 未來發展展望

運載火箭仍是人類目前，乃至未來相當長一段時間進入空間的主要方式，對標國際運載火箭先進水平，我國后續發展重點是構建高性能、高可靠的運載火箭體系，構建完備的重型及大、中、小型運載火箭型譜，能力覆蓋全面，競爭優勢突出。一是需加快推進新一代運載火箭升級換代，并通過提升模塊化程度、產業化水平，實現經濟、快速、高效進出空間；二是推動新一代載人運載火箭和重型運載火箭研制，近地軌道運載能力達到百噸級、且具備重復使用能力，填補我國重型運載火箭領域的空白，支撐我國完成載人登月、月球科研站建設、載人登火等標志性工程建設。

為了推進我國運載火箭技術更好、更快發展，需要重點開展以下幾方面研究：

1)在研制模式方面，加快推進運載火箭設計理念轉型，在繼承的基礎上，有針對性地改進傳統的設計流程、分工及方法，開展運載火箭精細化設計規范與技術研究，重點圍繞長期制約液體運載火箭總體性能提升的量化標準不夠精細、偏差余量大、設計理念保守、一體化融合設計不足等瓶頸問題開展研究，發展并建立液體運載火箭一體化協同優化、基于概率設計、載荷精細化設計、復雜環境優化設計等先進方法，構建運載火箭精細化設計的研制體系和標準規范，有效釋放設計余量，提升運載火箭整體技術水平。

2)在總體技術方面，推進總體多專業一體化協同優化設計、載荷精細化設計、復雜力熱環境精細化預示與設計等技術發展，提升運載火箭總體設計水平；推進在線故障診斷與容錯重構、智能飛行與評估等技術的應用，實現對重要單點產品的健康評估及管理，提升火箭故障適應性和可靠性；推進重復使用關鍵技術的突破和工程應用，降低進入空間成本，滿足未來大規模、經濟、可靠進入空間需求[23-25]。

3)在火箭箭體結構設計與制造方面，推進結構設計準則升級和結構精細化設計轉型；推進高強度、高模量金屬材料、復合材料等先進材料的研究與工程應用，提升火箭結構效率水平；開展新型強度設計與仿真理論研究，提高結構設計精細化水平；加快推進激光增材、柔性制造等先進工藝的應用，構建先進航天制造能力體系[26-27]。

4)在高性能動力技術方面，持續推進現有的YF-100、YF-77和YF-75D等發動機的改進提升，提高發動機的可靠性、使用維護性和綜合性能指標，打造精品；加快推進液體火箭發動機型譜論證，明確下一代液體火箭發動機技術發展方向，加快下一代高性能火箭發動機的研制工作，滿足重型運載火箭和下一代中大型運載火箭的使用需求；同時，積極開展頂層規劃，瞄準未來需求，發展高性能固體發動機技術[28-29]。

5)在先進測試與發射方面，推進智能化無人測試發射技術應用研究，開展遠程智能測試、自主箭測與閉環動態測試、無線傳輸、無線傳能等技術應用研究，提升火箭使用維護性、縮短測試發射周期，增強我國運載火箭的任務適應能力和市場競爭力[30-31]。

3 結束語

CZ-5火箭是我國運載火箭升級換代的標志性重大工程，以它為代表的我國新一代運載火箭的成功研制，大幅提升了我國自主進入空間能力，是我國由航天大國邁向航天強國的重要標志。目前我國運載火箭技術相比國外先進技術水平仍存在一定的差距，需通過科學規劃，在運載火箭精細化設計、重復使用、智能飛行與控制、輕質化結構設計與制造、高性能火箭動力和先進測試與發射等技術方面持續發展，提升火箭的運載能力、可靠性、經濟性和適應性，支撐航天強國建設目標的實現，為我國的國民經濟建設和國防建設貢獻航天的智慧和力量。