運載火箭“三化”策略研究

李國強 郭凱 徐巖

關鍵詞：運載火箭，通用化，系列化，組合化

0 引言

“三化”是通用化、系列化、組合化的簡稱。其中，通用化是最大限度地擴大同一單元使用范圍的標準化形式，即通過選定或研制具有結構和功能互換性的通用單元并將其應用于互相獨立的新研系統以滿足其需求；系列化是根據同一類產品的發展規律和使用需求，將其主要參數按一定數列合理安排或規劃，并對其型式和結構進行規定或統一，從而有目的地指導同類產品有序發展的標準化形式；組合化是重復利用通用單元（通用模塊）并補充研制部分專用單元（專用模塊），拼合成滿足不同需求的新功能產品的標準化形式。實踐表明，“三化”是降低產品研制費用和研制風險的重要選擇，是縮短研制周期、延長產品有效壽命的重要措施，是提高產品質量和使用效能的有效途徑[1-2]。

運載火箭是確保人類進入空間，利用空間，開展航天活動的重要前提和基礎。采用“三化”設計思想和應用方法，系統提升運載火箭的可靠性和適應性，是運載火箭實現高質量發展的有效方式和必然選擇。運載火箭通用化中“通用單元”可以指分系統、設備、組件、零部件、元器件、原材料甚至軟件。運載火箭系列化工作內容包括運載火箭參數系列化、運載火箭系列型譜及開展運載火箭系列設計等。運載火箭的組合化（模塊化）是以運載火箭系列化為目的，規劃模塊的系列化，通過開發系列化的通用模塊，以不同的組合方式來滿足不同的市場需求；同時，利用先進技術成果優化設計模塊，應用于現有運載火箭的改進，提高性能和可靠性[3]。

1 國外運載火箭“三化”調研分析

從1957年前蘇聯使用東方號運載火箭發射人類第一顆人造衛星至今，世界運載技術已走過了60多年的發展歷程。美國、俄羅斯、歐洲、日本等國家和地區先后研制了宇宙神系列、德爾它系列、土星系列、質子號系列、阿里安系列、H系列等數十種運載火箭，運載能力逐步增強，發射成本不斷降低，可靠性大大提高。各國為適應新的發射市場的需求對運載火箭不斷推陳出新、優化組合，努力以最少的型號品種系列規格滿足多種發射任務的需求，提高運載火箭對多種有效載荷的適應性，從而占領世界運載發射服務市場，這些都體現著“三化”思想的具體應用。

1.1 技術特點梳理

通過梳理國外運載火箭研發過程，主要體現如下特點：

（1）繼承性和拓展性是國外研制運載火箭的重要原則。美國宇宙神5系列火箭的研制充分繼承了宇宙神1、宇宙神2和宇宙神3的優點，盡量使用經過飛行驗證的硬件，如芯級發動機、半人馬座上面級、衛星支架以及有效載荷整流罩。德爾它4系列火箭大量使用通用部件和經過德爾它2、德爾它3飛行驗證的技術，RS-68發動機充分繼承RS-25D發動機成熟技術和工藝。歐洲、日本、俄羅斯的運載火箭研制也充分繼承了前期取得的成熟技術和經過飛行考核的部件。在此基礎上的拓展主要通過三種模式：捆綁不同數量整體式固體發動機/大型分段式固體發動機、芯級增加發動機、與不同上面級配合。

（2）近地軌道（L E O）/地球同步轉移軌道（GTO）是運載火箭的主要目標軌道。統計20世紀90年代至2019年航天發射市場，發射載荷主要集中于三個方向：用于通信、導航、氣象、對地觀測等的大型、功能強、長壽命GTO衛星，用于小型組網星座的中低軌道衛星，空間站等LEO大型空間設施。

（3）任務通用型是主體，兩級/兩級半構型是首選。美國新一代運載火箭以宇宙神5、德爾它4和獵鷹9三個系列火箭為主，定位中大型載荷，采用通用芯級助推器+固體助推+上面級模式。歐空局新一代運載火箭定位大型載荷，選用兩臺大固體助推+氫氧芯一級+不同上面級模式，實現LEO 16～21 t、GTO 5.9～12 t運載能力覆蓋。日本新一代運載火箭定位中小型、中大型載荷全覆蓋，選用固體助推+氫氧芯一級+上面級模式，實現LEO 10～16.5 t、太陽同步軌道（SSO）4.4 t、GTO3.7～8.5 t運載能力覆蓋。俄羅斯定位小型、中型、大型載荷全覆蓋，選用液體通用芯級助推+上面級模式，實現LEO 2～24.5 t，GTO 2.4～6.8 t運載能力全覆蓋。基于現有動力和基礎工業水平，新一代運載火箭首選兩級/兩級半構型，美、俄以兩級構型單芯級火箭實現全軌道中、小載荷發射，兩級半構型支持中大型、重型載荷發射。

1.2 發展趨勢分析

隨著各航天大國科技水平的不斷進步，航天應用產業不斷成熟，為滿足多種航天發射需求，國外運載火箭的發展趨勢包含以下幾個方向。

（1）一次性運載火箭仍將占據航天運輸系統的絕對主導地位。美、俄、歐、日等主要航天國家和地區都建立了比較完整的運載火箭型譜和體系，基本完成更新換代。各航天大國的新型運載火箭一般采用大直徑芯級和無毒推進劑，中型和大型運載火箭多捆綁大型固體助推器，實現較大的推力和運載能力，基本上可以發射各種類型、質量的有效載荷，運載火箭的模塊化、通用化水平大幅提高。

（2）大力發展實現空間系統快速部署的運載工具，小型運載火箭是主要的技術實現方式。提高可靠、快速、靈活進入空間的能力，是主要航天國家追求的目標，現階段主要的技術實現方式是研制快速發射的小型運載火箭。目前主要集中于美、俄兩國，多是基于常規運載火箭改裝而研制的，以液體和固液混合推進劑為主，發射平臺以陸基和空基機動為主。目前，美國在已有“飛馬座”運載火箭基礎上研制的內置拋投式“快速抵達”火箭和俄羅斯在研的“飛行號”等均為空射型運載火箭。

（3）重型運載火箭和空間組裝技術得到重視和發展。為應對載人登月，以及更遠的載人深空探測等大型有效載荷的發射需求，重型運載火箭的研究和空間組裝火箭的技術都將得到充分應用。

（4）動力系統向無毒環保和低成本方向發展，液氧煤油和液氧液氫發動機組合將是運載火箭動力系統的發展趨勢和最佳選擇。

2 國內運載火箭“三化”現狀

我國長征系列火箭發展成為由多種型號組成的大家族，已經擁有退役、現役共計4代20余種型號。

長征火箭具備發射低、中、高不同地球軌道不同類型衛星及載人飛船的能力，并具備無人深空探測能力。LEO運載能力達到25 t，SSO運載能力達到15 t，GTO運載能力達到14 t。截至2023年7月23日，長征系列運載火箭已發射479次，成功率達到96%以上。長征系列運載火箭設計和后續改進，充分貫徹運用了“三化”思路。

（1）系列化設計理念貫徹始終。以長征三號甲系列火箭為例，其方案設計時就始終貫徹了系列化的思想，使得火箭具有良好的繼承性和通用性。其設計思路為：在長征三號火箭的基礎上進行改進，重新研制其三子級；在火箭的一子級周圍捆綁助推器；首先研制作為芯級的長征三號甲，再研制帶4個助推器的長征三號乙，最后研制帶2個助推器的長征三號丙[4]。

（2）新型號火箭研制充分考慮模塊化設計。以長征五號、長征七號為代表的新型現役運載火箭，設計貫徹了“一個系列、兩種發動機、三個模塊”的“三化”發展思路。通過5 m芯級模塊、通用3.35 m模塊和2.25 m模塊的不同組合，滿足發射不同軌道和不同有效載荷的需要[5]。

（3）通過貫徹模塊化、系列化的發展思路，運載火箭研制周期不斷縮短。長征三號甲火箭立項研制到首飛是8年時間，長征二號F從立項到首飛是7年時間，而長征八號運載火箭從立項研制到首飛僅用了3年時間。同時，長征三號甲等老型號系列火箭通過制定通用單機產品型譜及配套產品規范等手段，不斷提升單機產品通用化水平、研制管理水平、批生產能力和對任務調整的適應性，運載火箭發射效率得到顯著提高。長三甲系列的發射能力從年均8發提升到了14發的水平，單發火箭的研制周期，從原來的3年縮短至1年。

（4）新型號雖然不斷采用先進的設計技術，但通過“三化”設計確保了運載火箭在設計過程中技術狀態的受控和設計的正確性、可靠性，保證了發射成功率。截至2023年7月末，新型在役運載火箭共發射50余枚，發射成功率不亞于成熟型號。

面對新時期運載火箭高質量發展要求，目前長征系列運載火箭還存在著運載能力重復、構型偏多等問題；對于作為承載功能性能實現基本單元的運載火箭單機產品，品種繁多、規格繁雜、標準繁復的局面日益凸顯，對現有運載火箭性能提升和后續新型運載火箭研制形成了制約。

3 運載火箭“三化”策略設計

運載火箭“三化”工作實施推進，要以單機產品型譜和統標統型工作為落腳點。一方面開展單機型譜編制，對過去產品進行整理，對后續產品做出規劃，以指導今后發展。另一方面，在單機產品型譜規劃和產品狀態梳理基礎上，以已具備統型基礎的單機產品為突破口，嚴格選標用標，規范依標認證，將“統標統型”要求落實到運載火箭科研生產全流程，切實提高運載火箭“三化”水平。

3.1 運載火箭產品型譜化

（1）產品型譜體系建設

產品型譜制定就是對某一類產品，依據型號需求和專業技術發展，研究并充分協調，提出科學合理的產品規格設置，形成該類產品型譜。產品型譜體系建設通過建立系統、分系統、單機、部組件型譜協同制定機制，逐步建立并完善涵蓋不同產品層級、產品規格間隔合理的產品型譜體系。具體是首先開展運載火箭基本型型譜研究工作；并根據產品特點，開展分系統的通用化研究；制定單機/部組件產品清單編制指南，梳理運載火箭所有單機/部組件產品，篩選出通用單機/部組件產品，建立型譜工作對象產品清單。

（2）產品成熟度提升與評價

研究慣性測量產品、火工品、地面設備等運載火箭產品成熟度模型，建立包括系統、單機、部組件、軟件產品成熟度的模型體系。開展型譜單機產品成熟度提升工作，強化產品各配套層級和生產過程的合格率分析，并將分析結果應用于產品的改進升級。

（3）產品貨架建設與貨架產品管理

產品貨架建設指研究形成統一的運載火箭貨架體系和產品進出貨架準則；在完成型譜產品研制、成熟度提升與評價等工作基礎上，經過評審后符合要求的產品納入貨架產品目錄，并編制產品應用手冊，對進入貨架的產品的技術狀態進行嚴格控制。貨架產品管理指依據產品進出貨架準則，定期對貨架產品目錄進行更新升級，對技術落后、后續沒有需求以及發生重大質量問題的產品進行淘汰，對滿足標準的新產品及時納入貨架產品目錄；并對貨架產品開展組織級驗收。

（4）型譜產品與貨架產品選用

型譜產品與貨架產品選用指在新型運載火箭立項時提出型譜產品與貨架產品選用方案，編制產品選用報告，在方案評審時同步進行產品選用評審。選用應堅持以下原則：優先選用成熟度較高的貨架產品；貨架產品無法滿足需求的，優先選擇型譜內產品；嚴格控制型譜外產品選用。具體而言應首先開展型譜產品與貨架產品選用策劃，制定并發布產品選用管理和控制要求；然后選取典型產品和典型型號，按照選用管理和控制要求，組織開展產品選用試點工作。

（5）先進產品型譜化開發與產品升級換代

先進產品型譜化開發與產品升級換代是指在現有產品基礎上，為滿足更高的應用需求和先進性要求，采用或者部分采用新體制、新原理、新方法、新技術、新材料、新工藝等以型譜化的思路研制性能、功能有顯著提高的新產品。先進產品型譜化開發與產品升級換代項目要以產品型譜為主要依據，開展關鍵技術規劃和攻關，形成可供選用的通用產品。

3.2 運載火箭產品統標統型

運載火箭產品涉及品種規格數據龐大，研制采購管理和市場供應體系協調難度大，相關工作需要聚焦統標統型的難點問題，做好規劃。

（1）與型譜編制工作相結合

需要全面分析運載火箭裝備相關產品采標數據，開展基礎產品分級分類合格評定，在已經建立的“產品譜系”和“產品優選目錄”基礎上，統一產品規范和驗收標準，引導市場形成貨架式系列產品，進行動態持續的管理監督，優化整個產品合格評定制度。

（2）完善基礎產品統標統型標準依據

積極編制運載火箭統標統型管理標準和基礎產品標準，在運載火箭分類命名等基礎標準、產品型譜標準、選用要求標準、采購要求和管理標準等方面進行統一，為統標統型提供標準依據。

（3）開展統標統型技術研究

對統標統型工作中的關鍵問題，例如產品形狀與配合、功能、互換性等指標的梳理優選問題，開展相應的關鍵技術研究，結合運載火箭研制過程中的各類經驗，提出技術解決方案。

（4）形成統標統型長效機制

將運載火箭統標統型相關要求納入武器裝備科研生產行政許可和裝備承制單位資格審查流程中，形成長效可控的統標統型機制。

3.3 運載火箭研制過程“三化”監督

鑒于運載火箭研制的復雜性、重要性及故障后果的嚴重性，應開展從總體與分系統、設備直至原材料、元器件的多層級，從立項、方案證論、初樣、試樣、發射應用等不同階段，在設計、試制和試驗不同環節上，有使用方直接監督的多層次、全過程、全方位的“三化”監督；完善形成“三化”實施監督規章制度體系和工作隊伍體系；結合里程碑節點的標準化審查與標準化評估，以“研制總要求——標準化大綱——‘三化方案——標準化工作——考核驗證——標準化審查——狀態鑒定——標準化專項評估——產品定型”為主線，在不同階段以“三化”工作檢查、“三化”工作評審，以及行政監督檢查、貨架產品認證檢查和驗收檢查等“三化”工作專項核查等多種方式開展。

3.4 運載火箭“三化”評估

設計涵蓋“三化”規劃與保障、“三化”產品選用、“三化”資源開發、“三化”設計和“三化”使用評價等評估維度，包括“三化”組織與管理、型譜產品選用率、貨架產品選用率、通用產品規范制定、“三化”資源數據庫建設等指標要素的運載火箭“三化”評估指標體系；綜合基于專家經驗的定性方法和基于數理統計的定量方法，科學確定各指標權重，建立運載火箭“三化”評估模型與評估機制。

4 結語

本文以分析運載火箭“三化”作用意義為切入點，基于國內外運載火箭“三化”發展現狀與趨勢，設計提出了以運載火箭產品型譜體系建設和“統標統型”為重點，涉及策劃、實施、監督、評估的運載火箭“三化”策略，可為后續新型運載火箭產品論證與研制以及現有運載火箭的改進提供參考，以期有助于推動我國運載火箭的系列化和產業化發展。