我國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)成就與展望

秦旭東，龍樂豪，容易

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

我國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)成就與展望

秦旭東1，龍樂豪2，容易1

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

我國(guó)運(yùn)載火箭起步于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，共經(jīng)歷了5個(gè)階段，研制了4代17種運(yùn)載火箭。具備發(fā)射低、中、高不同軌道，不同有效載荷的能力。本文對(duì)我國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展歷程和成就進(jìn)行了總結(jié)，并基于發(fā)展成果和未來(lái)發(fā)展需求，對(duì)航天運(yùn)輸系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行了展望。

航天運(yùn)輸系統(tǒng)；運(yùn)載火箭；發(fā)展規(guī)劃

0 引 言

運(yùn)載火箭是目前人類克服地球引力、進(jìn)入空間的唯一工具，是發(fā)展空間技術(shù)、確?？臻g安全的基石，是實(shí)現(xiàn)航天器快速部署、重構(gòu)、擴(kuò)充和維護(hù)的根本保障，是大規(guī)模開發(fā)和利用空間資源的載體，是國(guó)家空間軍事力量和軍事應(yīng)用的重要保證，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和新軍事變革的重要推動(dòng)力量。確保安全、可靠、快速、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保地進(jìn)入空間，推進(jìn)太空探索技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)人類文明進(jìn)程，是中國(guó)運(yùn)載火箭的發(fā)展目標(biāo)。

我國(guó)運(yùn)載火箭起步于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，共經(jīng)歷了5個(gè)階段，研制了4代17種運(yùn)載火箭。具備發(fā)射低、中、高不同軌道，不同有效載荷的能力。截至2016年7月，我國(guó)“長(zhǎng)征”系列運(yùn)載火箭已飛行231次，將311個(gè)航天器送入預(yù)定軌道，發(fā)射成功率96%。運(yùn)載火箭技術(shù)的發(fā)展為航天技術(shù)提供了廣闊的舞臺(tái)，推動(dòng)了中國(guó)衛(wèi)星及其應(yīng)用以及載人航天技術(shù)的發(fā)展，有力支撐了以“載人航天工程”“北斗導(dǎo)航”和“月球探測(cè)工程”為代表的中國(guó)國(guó)家重大工程的成功實(shí)施，為中國(guó)航天的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐。

1 發(fā)展歷程

長(zhǎng)征系列火箭的發(fā)展共經(jīng)歷了5個(gè)階段。第一階段是基于戰(zhàn)略導(dǎo)彈技術(shù)起步，主要包括CZ-1、CZ-2；第二階段是按照運(yùn)載火箭技術(shù)自身發(fā)展規(guī)律研制的火箭，包括CZ-3、CZ-3A系列、CZ-4系列；第三階段是為滿足商業(yè)發(fā)射服務(wù)而研制，典型代表是CZ-2E；第四階段是為載人航天需要而研制的，如CZ-2F火箭；第五階段是為適應(yīng)環(huán)保及快速反應(yīng)需要研制的運(yùn)載火箭，如CZ-5、CZ-6、CZ-7、CZ-11等。

共完成了4代運(yùn)載火箭研制[1-2]。CZ-1、CZ-2為第一代，第一代根據(jù)戰(zhàn)略武器型號(hào)改進(jìn)而來(lái)，具有明顯的戰(zhàn)略武器型號(hào)特點(diǎn)，解決了我國(guó)運(yùn)載火箭從無(wú)到有的問題，但其運(yùn)載能力等總體性能偏低、使用維護(hù)性差、靶場(chǎng)測(cè)試發(fā)射周期長(zhǎng)、采用模擬控制系統(tǒng)。

CZ-2C系列、CZ-2D、CZ-3、CZ-2E為第二代，第二代仍然帶有戰(zhàn)略武器型號(hào)的痕跡，在第一代火箭的基礎(chǔ)上進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)；第二代火箭以原始狀態(tài)CZ-2C火箭為基礎(chǔ)改進(jìn)，一、二級(jí)與CZ-2C火箭基本相同；采用有毒推進(jìn)劑（四氧化二氮和偏二甲肼）；采用了數(shù)字控制系統(tǒng)。

CZ-2F、CZ-3A系列、CZ-4系列為第三代，第三代在第二代基礎(chǔ)上，持續(xù)開展可靠性增長(zhǎng)和技術(shù)改進(jìn)，采用系統(tǒng)級(jí)冗余的數(shù)字控制系統(tǒng)；增加了三子級(jí)，任務(wù)適應(yīng)能力大大提高；或?yàn)闈M足載人航天任務(wù)需求，增加了故檢和逃逸系統(tǒng)，其任務(wù)可靠性大大提高；簡(jiǎn)化了發(fā)射場(chǎng)測(cè)發(fā)流程，使用維護(hù)性能得到了提高。

CZ-5、CZ-6、CZ-7、CZ-11等為第四代，第四代采用無(wú)毒無(wú)污染推進(jìn)劑，環(huán)境友好；采用全箭統(tǒng)一總線技術(shù)和先進(jìn)的電氣設(shè)備；最大運(yùn)載能力得到了大幅提升。

圖1 第1、第2和第3代運(yùn)載火箭Fig.1 1st,2nd,3rdgeneration LM launch vehicles

圖2 現(xiàn)役運(yùn)載火箭Fig.2 LM launch vehicles in service

2 發(fā)展成就

2.1 成就概述

1970年4月24日，CZ-1火箭成功將“東方紅1號(hào)”衛(wèi)星發(fā)射到近地軌道，我國(guó)成為世界上第五個(gè)用自制火箭成功發(fā)射本國(guó)衛(wèi)星的國(guó)家。

20世紀(jì)70年代研制了CZ-2火箭，并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)形成了CZ-2C火箭，可靠性顯著提升，近地軌道運(yùn)載能力為3.8 t。被譽(yù)為我國(guó)的“金牌火箭”；在CZ-2C火箭的基礎(chǔ)上開啟了長(zhǎng)征火箭的系列化。

20世紀(jì)80年中期，在CZ-2C的基礎(chǔ)上增加液氫液氧低溫推進(jìn)劑三子級(jí)，研制成功了CZ-3火箭，主要用于地球同步軌道衛(wèi)星的發(fā)射，其三級(jí)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)具有二次啟動(dòng)能力，使得中國(guó)成為世界上第三個(gè)掌握低溫高能推進(jìn)技術(shù)和第二個(gè)掌握低溫發(fā)動(dòng)機(jī)高空二次點(diǎn)火技術(shù)的國(guó)家；20世紀(jì)80年代中期在CZ-3火箭的基礎(chǔ)上又研制了現(xiàn)在的CZ-3A系列火箭。CZ-3A系列目前共有三型：CZ-3A、CZ-3B和CZ-3C火箭，三型火箭分別為純串聯(lián)、捆綁4個(gè)助推器和捆綁2個(gè)助推器，地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運(yùn)載能力分別為2.6 、5.5和3.8 t，可滿足不同載荷重量的發(fā)射需要。

在CZ-2C基礎(chǔ)上捆綁4個(gè)助推器，形成了CZ-2E火箭，使我國(guó)運(yùn)載火箭近地軌道運(yùn)載能力大幅提高；在此基礎(chǔ)上，我國(guó)在20世紀(jì)90年代末研制成功了CZ-2F火箭，成為中國(guó)第一個(gè)載人運(yùn)載火箭，近地軌道最大運(yùn)載能力為8.6 t，該型火箭于1999年首飛成功，2003年首次載人飛行使我國(guó)成為世界上第三個(gè)具備獨(dú)立開展載人航天的國(guó)家。

經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，我國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)取得了舉世矚目的成就。長(zhǎng)征運(yùn)載火箭經(jīng)歷了由常溫推進(jìn)劑到低溫推進(jìn)劑、由末級(jí)一次啟動(dòng)到多次啟動(dòng)、從串聯(lián)到并聯(lián)、從一箭單星到一箭多星、從載物到載人的技術(shù)跨越，具備了發(fā)射低、中、高不同地球軌道不同類型衛(wèi)星及載人飛船的能力，近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到8.6 t、太陽(yáng)同步軌道運(yùn)載能力達(dá)到6.2 t、地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力達(dá)到5.5 t，入軌精度處于國(guó)際先進(jìn)水平，能夠滿足不同用戶的多種需求?？傊?，現(xiàn)有長(zhǎng)征火箭具備將實(shí)用航天器發(fā)射到任何空間軌道的能力[3]。

2.2 型號(hào)發(fā)展之路

2.2.1 第一代運(yùn)載火箭

1）CZ-1

“長(zhǎng)征1號(hào)”是我國(guó)首型運(yùn)載火箭，是發(fā)射“東方紅1號(hào)”衛(wèi)星“651工程”的重要組成部分，為三級(jí)運(yùn)載火箭，一二級(jí)為液體發(fā)動(dòng)機(jī)，三級(jí)為固體發(fā)動(dòng)機(jī)，近地軌道運(yùn)載能力300 kg?！伴L(zhǎng)征1號(hào)”研制過程中攻克自旋穩(wěn)定、級(jí)間連接與分離等關(guān)鍵技術(shù)。

1970年4月24日，“長(zhǎng)征1號(hào)”首飛成功，共進(jìn)行2次發(fā)射，成功2次，于1971年退役?！伴L(zhǎng)征1號(hào)”成功將中國(guó)第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅1號(hào)”送入太空，使我國(guó)成為世界上第五個(gè)能夠獨(dú)立發(fā)射人造地球衛(wèi)星的國(guó)家，開辟了中國(guó)自主進(jìn)入空間的新紀(jì)元。

2）CZ-2

CZ-2是我國(guó)運(yùn)載火箭的基礎(chǔ)型號(hào)，用于發(fā)射返回式衛(wèi)星，為兩級(jí)液體運(yùn)載火箭，近地軌道運(yùn)載能力1.8 t。

CZ-2研制過程中首創(chuàng)小推力彈道方案，將運(yùn)載能力提升25%；在首飛失利后，系統(tǒng)研究并形成運(yùn)載火箭大型地面試驗(yàn)方法。

1974年11月5日，CZ-2首飛失利；1975年11月26日，CZ-2第二次發(fā)射圓滿成功，將我國(guó)第一顆返回式衛(wèi)星送上太空；共完成4次發(fā)射，成功3次，于1979年退役。

2.2.2 第2代運(yùn)載火箭

1）CZ-2C系列

CZ-2C系列火箭分為兩級(jí)和三級(jí)兩種狀態(tài)，主要用于近地軌道（LEO）、太陽(yáng)同步軌道（SSO）、大橢圓軌道（EEO），以及地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)。CZ-2C系列火箭具備發(fā)射LEO、SSO、GTO及大橢圓軌道衛(wèi)星的能力；也是目前唯一可以在我國(guó)現(xiàn)有的酒泉、太原和西昌3個(gè)衛(wèi)星發(fā)射中心執(zhí)行發(fā)射任務(wù)的運(yùn)載火箭；具備一箭一星、一箭多星的發(fā)射能力。1998年底，CZ-2C火箭被原航天工業(yè)總公司授予“金牌火箭”稱號(hào)，是中國(guó)首個(gè)“金牌火箭”。

CZ-2C首次成功研制主動(dòng)章動(dòng)控制自旋穩(wěn)定SM上面級(jí)，突破一型火箭不同發(fā)射場(chǎng)適應(yīng)性技術(shù)；首次成功研制SMA固體上面級(jí)雙星串聯(lián)的內(nèi)支撐安裝結(jié)構(gòu)，可完成多類型衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。

1982年9月9日，CZ-2C火箭首飛成功，截至2016年7月，共完成42次宇航發(fā)射，成功41次。

2）CZ-2D

CZ-2D火箭為二級(jí)液體運(yùn)載火箭，主要用于中低軌道中小衛(wèi)星發(fā)射，500 km SSO運(yùn)載能力約1.5 t。1992年8月首次發(fā)射。截至2016年7月，共完成28次發(fā)射任務(wù)。

3）CZ-2E

CZ-2E是中國(guó)第一種為商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射而研制的運(yùn)載火箭，也是我國(guó)首型捆綁式運(yùn)載火箭，為兩級(jí)半構(gòu)型液體運(yùn)載火箭，近地軌道運(yùn)載能力9.2 t。

CZ-2E研制過程中攻克了高空風(fēng)修正、助推器捆綁和分離、推進(jìn)劑利用、橫向變軌和全方位調(diào)姿定向、大尺寸分離包帶、大型整流罩等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1990年7月16日，CZ-2E火箭首飛成功；共進(jìn)行7次發(fā)射，成功5次，于1995年退役。CZ-2E火箭實(shí)現(xiàn)了中國(guó)運(yùn)載火箭捆綁技術(shù)的突破，為我國(guó)后續(xù)載人火箭研制奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

4）CZ-3

CZ-3運(yùn)載火箭為三級(jí)液體運(yùn)載火箭，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力1.5 t。CZ-3研制過程中首次提出了基于氫氧低溫三子級(jí)的火箭總體方案，全新設(shè)計(jì)地面增壓、氮?dú)馄垦a(bǔ)壓、自生增壓三段有機(jī)結(jié)合增壓方案，首次研制低溫共底貯箱，首次較全面研究并解決液體火箭低頻振動(dòng)力學(xué)環(huán)境管理技術(shù)，率先提出并研究液體火箭縱向耦合振動(dòng)（POGO）問題。

1984年1月29日，CZ-3首飛成功，共進(jìn)行13次發(fā)射，成功10次。CZ-3首次采用液氫液氧推進(jìn)劑，首次實(shí)現(xiàn)兩次起動(dòng)，首次將有效載荷送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道，把中國(guó)火箭技術(shù)推向世界先進(jìn)水平。

2.2.3 第三代運(yùn)載火箭

1）CZ-2F

CZ-2F是我國(guó)第一種載人運(yùn)載火箭，也是目前唯一的一型載人運(yùn)載火箭，為兩級(jí)液體運(yùn)載火箭，近地軌道運(yùn)載能力8.6 t。

CZ-2F火箭研制過程中攻克載人火箭總體設(shè)計(jì)、逃逸系統(tǒng)、故障檢測(cè)處理系統(tǒng)、馮卡門外形整流罩等重大關(guān)鍵技術(shù)。

1999年11月20日，CZ-2F首飛成功，將我國(guó)第一艘無(wú)人試驗(yàn)飛船“神舟1號(hào)”準(zhǔn)確送入預(yù)定軌道，為實(shí)現(xiàn)中國(guó)載人航天的戰(zhàn)略目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，使得中國(guó)成為世界上第三個(gè)自主發(fā)展載人航天技術(shù)的國(guó)家，進(jìn)一步確立了中國(guó)航天的國(guó)際地位；2003年10月，中國(guó)首次載人航天成功，2012年6月首次載人交會(huì)對(duì)接成功；截至2016年7月，CZ-2F火箭成功完成了11次發(fā)射任務(wù)，將12人次航天員送入太空。CZ-2F火箭為中國(guó)載人航天工程成功實(shí)施做出了巨大貢獻(xiàn)，開辟了我國(guó)航天史上又一個(gè)里程碑。

2）CZ-3A系列

CZ-3A系列運(yùn)載火箭由CZ-3A、CZ-3B、CZ-3C等3種火箭組成，主要用于發(fā)射GTO、LTO、MTO、IGSO等高軌有效載荷。2007年底，CZ-3A火箭被航天科技集團(tuán)公司授予“金牌火箭”稱號(hào)，是中國(guó)的第二個(gè)“金牌火箭”。

CZ-3A運(yùn)載火箭是三級(jí)液體火箭，全箭結(jié)構(gòu)由一子級(jí)、二子級(jí)、三子級(jí)和整流罩組成，標(biāo)準(zhǔn)GTO運(yùn)載能力為2.6 t。CZ-3B火箭是以CZ-3A火箭為芯級(jí)并捆綁4個(gè)助推器組成的三級(jí)液體捆綁火箭，標(biāo)準(zhǔn)GTO運(yùn)載能力為5.5 t，是目前中國(guó)GTO軌道運(yùn)載能力最大的火箭。CZ-3B火箭是承擔(dān)高軌道國(guó)際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)的主力火箭。CZ-3C火箭以CZ-3A作為芯級(jí)，并在其一子級(jí)捆綁2個(gè)助推器構(gòu)成，其標(biāo)準(zhǔn)GTO運(yùn)載能力達(dá)到3.8 t。

CZ-3A系列火箭研制過程中，突破了YF-75發(fā)動(dòng)機(jī)、小型4軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)、冷氦加溫增壓系統(tǒng)、低溫氫氣能源雙向搖擺伺服機(jī)構(gòu)等四大關(guān)鍵技術(shù)[4]。

截至2016年7月，CZ-3A系列運(yùn)載火箭共完成74次發(fā)射任務(wù)，成功73次，成功率達(dá)98.6%。其中CZ-3A火箭1994年首飛，共執(zhí)行了25次發(fā)射任務(wù)，成功率100%；CZ-3B火箭1996年首飛，共執(zhí)行了35次發(fā)射任務(wù)，成功34次；CZ-3C火箭于2008年首飛圓滿成功，共執(zhí)行了14次發(fā)射任務(wù)，成功率100%。2007年10月，CZ-3A火箭成功將中國(guó)首顆月球探測(cè)衛(wèi)星“嫦娥1號(hào)”送入預(yù)定軌道，標(biāo)志著中國(guó)航天事業(yè)成功跨入深空探測(cè)的新領(lǐng)域，中華民族千年奔月夢(mèng)想開始成為現(xiàn)實(shí)。CZ-3A系列火箭成功執(zhí)行北斗導(dǎo)航、探月等重大工程任務(wù)，是我國(guó)首個(gè)單系列型號(hào)突破50次發(fā)射的運(yùn)載火箭，極大地推動(dòng)了中國(guó)運(yùn)載火箭產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

3）CZ-4系列

CZ-4A/B/C三級(jí)液體運(yùn)載火箭。一二子級(jí)直徑3.35 m，三子級(jí)直徑2.9 m，CZ-4C三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)可二次起動(dòng)。主要用于太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星發(fā)射，700 km SSO軌道運(yùn)載能力約3 t。研制過程中，主要突破了YF-40發(fā)動(dòng)機(jī)研制等關(guān)鍵技術(shù)。

1988年9月CZ-4A首次發(fā)射，現(xiàn)已經(jīng)退役。1999年5月CZ-4B首次發(fā)射，截至2016年7月，共執(zhí)行了29次發(fā)射任務(wù)，失敗1次，成功率96.5%；2006年4月CZ-4C首次發(fā)射，截至2016年7月，共執(zhí)行了17次發(fā)射任務(wù)，成功率100%。

3 主要技術(shù)跨越

3.1 長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭可靠性、安全性進(jìn)一步提高

長(zhǎng)征火箭以其不斷提升的可靠性在世界范圍贏得美譽(yù)。尤其是在近幾年高密度發(fā)射任務(wù)的帶動(dòng)下，以控制系統(tǒng)冗余技術(shù)改進(jìn)、增壓系統(tǒng)冗余為代表的一批可靠性增長(zhǎng)成果的應(yīng)用使長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭的可靠性水平得到了提升，實(shí)現(xiàn)了部分產(chǎn)品的升級(jí)換代，進(jìn)一步提高了長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭的技術(shù)水平。在2011及2012年，中國(guó)運(yùn)載火箭發(fā)射次數(shù)連續(xù)兩年穩(wěn)居世界第二，充分驗(yàn)證了火箭的可靠性水平，促進(jìn)了中國(guó)運(yùn)載火箭產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

作為中國(guó)載人運(yùn)載火箭的CZ-2F在可靠性、安全性方面采取了大量的設(shè)計(jì)措施，是中國(guó)可靠性、安全性最高的火箭。該火箭控制、利用、故檢、遙測(cè)等電氣系統(tǒng)大量采用雙冗余、三冗余設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)能夠抗2度以上故障，取得了連續(xù)11次成功發(fā)射、發(fā)射成功率為100%的可喜成績(jī)。

3.2 設(shè)計(jì)能力的提高，促進(jìn)運(yùn)載火箭綜合性能的提升

總體設(shè)計(jì)和閉環(huán)驗(yàn)證能力的不斷提升，形成了總體設(shè)計(jì)和各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)體系；形成了基礎(chǔ)支撐工具、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、領(lǐng)域設(shè)計(jì)工具體系，顯著提升了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)能力，有力保障了型號(hào)的成功發(fā)射。

能力提升帶動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，新技術(shù)不斷得到推廣和應(yīng)用，明顯提升了運(yùn)載火箭的綜合性能。各在飛型號(hào)相繼應(yīng)用了圖像測(cè)量技術(shù)，完成了遠(yuǎn)距離測(cè)發(fā)控技術(shù)改進(jìn)；CZ-2C火箭完成了基于產(chǎn)品化思路的控制系統(tǒng)冗余改進(jìn)；CZ-2F完成了迭代制導(dǎo)、馮卡門曲線整流罩、錐形前底貯箱等新技術(shù)應(yīng)用，提高了載人運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力、入軌精度、飛行可靠性；CZ-3A系列火箭完成了起飛滾轉(zhuǎn)定向設(shè)計(jì)、三級(jí)冷氦增壓系統(tǒng)冗余控制改進(jìn)、測(cè)量系統(tǒng)5 M碼傳輸技術(shù)和天基測(cè)量技術(shù)，提高了火箭任務(wù)適應(yīng)能力和綜合性能。

各型號(hào)還堅(jiān)持產(chǎn)品化思路，推廣型號(hào)間共用技術(shù)和產(chǎn)品。每一次技術(shù)改進(jìn)，都提升了我國(guó)長(zhǎng)征系列火箭的核心競(jìng)爭(zhēng)力；每一次改進(jìn)，都會(huì)促進(jìn)我國(guó)從航天大國(guó)向航天強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)了一步。

3.3 系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證能力明顯提升

增壓輸送系統(tǒng)不斷提升系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證能力。突破了深低溫領(lǐng)域試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)，建成了國(guó)內(nèi)首個(gè)增壓輸送系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)。提升了系統(tǒng)驗(yàn)證能力，完善了增壓輸送系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)能力、增壓輸送系統(tǒng)及單機(jī)仿真能力、半實(shí)物仿真能力、真實(shí)熱力環(huán)境條件下系統(tǒng)及單機(jī)的試驗(yàn)?zāi)芰?，全面提升了研制效能及地面試?yàn)的測(cè)試覆蓋性，為地面測(cè)試覆蓋天上真實(shí)環(huán)境奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。CZ-3A系列火箭利用此平臺(tái)完成了冷氦增壓冗余系統(tǒng)的原理性試驗(yàn)和液氫溫區(qū)低溫系統(tǒng)試驗(yàn)，冷氦增壓冗余系統(tǒng)在北斗工程、探月工程中成功應(yīng)用，使我國(guó)冷氦增壓系統(tǒng)的研制達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，為高密度發(fā)射任務(wù)完成提供了重要保障。

3.4 靶場(chǎng)流程不斷縮短，測(cè)試效率不斷提高

近幾年來(lái)，我國(guó)航天發(fā)射密度不斷加大，縮短靶場(chǎng)工程流程成為適應(yīng)高密度發(fā)射的重要途徑。各型號(hào)隊(duì)伍從技術(shù)可行性、資源優(yōu)化配置多方面綜合考慮后，一直致力于靶場(chǎng)工作項(xiàng)目的改進(jìn)和優(yōu)化，部分單機(jī)隨箭運(yùn)輸，取消技術(shù)區(qū)單元測(cè)試；取消控制、測(cè)量等電氣系統(tǒng)匹配測(cè)試，合理安排測(cè)試工作流程。在飛火箭早期靶場(chǎng)測(cè)發(fā)時(shí)間50 d，對(duì)靶場(chǎng)工作流程進(jìn)行優(yōu)化后縮減到21 d左右，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。完成了自動(dòng)化判讀平臺(tái)開發(fā)，建立了測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)及判讀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)判讀過程均基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，遙測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)，全箭共享、全員共享，確保測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)工作的高效、順利進(jìn)行，顯著提高了工作效率。

3.5 生產(chǎn)能力持續(xù)改善，綜合管理能力不斷提高

長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭生成能力持續(xù)提升，實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)，為高密度發(fā)射任務(wù)提供了強(qiáng)有力的保障。與此同時(shí)，為了適應(yīng)多型號(hào)研制并舉、研制和生產(chǎn)并進(jìn)的形勢(shì)，適應(yīng)高密度設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和發(fā)射的現(xiàn)狀，在飛型號(hào)組織管理模式進(jìn)一步改進(jìn)，確立了以發(fā)射計(jì)劃為主線，技術(shù)、進(jìn)度、質(zhì)量全面支撐的整體框架。采用CPAD開展發(fā)射場(chǎng)信息化管理和規(guī)范化管理，為確保高密度發(fā)射圓滿成功發(fā)揮了重要作用。

4 在研及未來(lái)發(fā)展規(guī)劃

4.1 規(guī)劃目標(biāo)

到2030年左右，構(gòu)建體系完整、分布合理、性能卓越的航天運(yùn)輸系統(tǒng)，提升我國(guó)進(jìn)入空間、探索空間的能力，支持深空探測(cè)、空間科學(xué)和各種航天發(fā)射活動(dòng)，滿足經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展需要，為建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)提供有力支撐。

4.2 總體思路

航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃的總體思路是：體系規(guī)劃、分步實(shí)施。需求導(dǎo)向、提升能力，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、突破瓶頸。

1）體系規(guī)劃、分步實(shí)施：統(tǒng)籌考慮整個(gè)航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃，根據(jù)各領(lǐng)域特點(diǎn)和所處發(fā)展階段，采取分步實(shí)施的策略，牽引帶動(dòng)航天運(yùn)輸系統(tǒng)有序、快速、健康發(fā)展。

2）需求導(dǎo)向、能力提升。以未來(lái)市場(chǎng)和任務(wù)需求為牽引，以經(jīng)濟(jì)性好、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高為方向，進(jìn)一步完善航天運(yùn)輸系統(tǒng)型譜。

3）創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、突破瓶頸。以技術(shù)創(chuàng)新為推動(dòng)力，加大對(duì)基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究，重點(diǎn)突破影響航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)和工業(yè)基礎(chǔ)瓶頸，提高原始創(chuàng)新能力和自主可控能力。

4）開放融合、跨越發(fā)展。以國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略為指引，加快推進(jìn)航天工業(yè)與國(guó)家工業(yè)基礎(chǔ)的深度融合，實(shí)現(xiàn)航天運(yùn)輸系統(tǒng)的跨越發(fā)展。

圖3 已經(jīng)立項(xiàng)研制的新一代運(yùn)載火箭Fig.3 New generation LM launch vehicles

4.3 一次性運(yùn)載火箭

4.3.1 已經(jīng)立項(xiàng)研制型號(hào)

新一代運(yùn)載火箭為我國(guó)研制的第4代運(yùn)載火箭，按照系列化、組合化和模塊化設(shè)計(jì)的無(wú)毒無(wú)污染以及快速響應(yīng)運(yùn)載火箭；CZ-5、CZ-6、CZ-7和CZ-11已先后立項(xiàng)，并于2015年至2016年完成首飛，技術(shù)成熟后，計(jì)劃陸續(xù)替代現(xiàn)役運(yùn)載火箭。

1）CZ-5系列火箭

CZ-5系列運(yùn)載火箭是新一代運(yùn)載火箭型譜中的大型運(yùn)載火箭。它的研制遵循“一個(gè)系列、兩種發(fā)動(dòng)機(jī)、三個(gè)模塊”的總體發(fā)展思路，“三個(gè)模塊”是指使用氫氧推進(jìn)劑的5 m直徑模塊、使用液氧煤油推進(jìn)劑的3.35 m直徑模塊和2.25 m直徑模塊；“兩種發(fā)動(dòng)機(jī)”是指新研制的50 t級(jí)推力的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)和120 t級(jí)推力的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)；按照“通用化、系列化、組合化”設(shè)計(jì)思想，在三個(gè)新研制模塊基礎(chǔ)上，組合出芯級(jí)5 m直徑的6種構(gòu)型大型運(yùn)載火箭，實(shí)現(xiàn)地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力0.6萬(wàn)～1.4萬(wàn) kg，近地軌道運(yùn)載能力1萬(wàn)～2.5萬(wàn) kg。CZ-5系列火箭目前有CZ-5和CZ-5B兩個(gè)構(gòu)型正在開展工程研制。

CZ-5火箭為兩級(jí)半火箭，全箭長(zhǎng)56.97 m，捆綁4個(gè)3.35 m直徑助推器；芯一級(jí)采用Φ5 m直徑模塊，2臺(tái)YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)雙向擺動(dòng)；芯二級(jí)采用Φ5 m直徑模塊，2臺(tái)YF-75D氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)雙向擺動(dòng)；助推器采用Φ3.35 m直徑模塊，每個(gè)助推器配置2臺(tái)YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)；首飛發(fā)射YZ-2上面級(jí) + “實(shí)踐17號(hào)”衛(wèi)星，有效載荷支架接口直徑3.8 m。GTO軌道運(yùn)載能力最大14 t。

CZ-5B火箭為一級(jí)半火箭，在CZ-5火箭基礎(chǔ)上去掉二級(jí)，有效載荷支架接口直徑從3.8 m提高到4.2 m，LEO軌道運(yùn)載能力最大25 t。

CZ-5系列火箭采用全新的動(dòng)力裝置、大型火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)、先進(jìn)控制和數(shù)字化技術(shù)，顯著提高了中國(guó)運(yùn)載火箭整體水平和開發(fā)利用空間資源的能力。CZ-5火箭預(yù)計(jì)2016年11月完成首飛。

2）CZ-6

CZ-6為三級(jí)構(gòu)型火箭，700 km SSO軌道的運(yùn)載能力為500～1 000 kg。已于2015年9月20日“一箭20星”首飛成功。

3）CZ-7系列火箭

CZ-7火箭是中國(guó)新一代中型運(yùn)載火箭基本型，既可滿足載人航天工程發(fā)射貨運(yùn)飛船的需要，也能參與主戰(zhàn)場(chǎng)LEO和SSO有效載荷的發(fā)射，能為中型運(yùn)載火箭其它構(gòu)型的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。CZ-7火箭芯級(jí)直徑3.35 m，捆綁4個(gè)2.25 m直徑的助推器，近地點(diǎn)高度200 km，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度400 km，軌道傾角42°的LEO軌道的最大運(yùn)載能力13.5 t。

2016年6月25日成功完成首飛，將6類7個(gè)載荷準(zhǔn)確送入預(yù)定軌道。CZ-7火箭瞄準(zhǔn)國(guó)際運(yùn)載火箭先進(jìn)技術(shù)水平，秉承高可靠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。首飛獲得圓滿成功，拉開了我國(guó)運(yùn)載火箭更新?lián)Q代，以及載人航天工程空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)的序幕。

4）CZ-11火箭

CZ-11火箭為四級(jí)火箭，主要用于發(fā)射SSO軌道有效載荷。CZ-11火箭采用全固體主發(fā)動(dòng)機(jī)串聯(lián)總體方案。700 km SSO的運(yùn)載能力為350 kg。已于2015年9月25日“一箭4星”首飛成功。

4.3.2 計(jì)劃發(fā)展型號(hào)

根據(jù)對(duì)2030年左右我國(guó)航天器發(fā)展的統(tǒng)計(jì)分析，已明確將要發(fā)射20余種衛(wèi)星平臺(tái)、3種月球探測(cè)器、2類飛船、1種空間站和1種目標(biāo)飛行器，共計(jì)約400余個(gè)航天器，大大超過了航天事業(yè)發(fā)展前50年研制和發(fā)射航天器的總和。

對(duì)于未來(lái)潛在任務(wù)，低軌所需的運(yùn)載能力約百噸量級(jí)，僅僅依靠新一代運(yùn)載火箭無(wú)法完成全部的發(fā)射任務(wù)，即使是能力最大的CZ-5也只能執(zhí)行其中個(gè)別小規(guī)模的任務(wù)。因此，要加快推動(dòng)重型運(yùn)載火箭“長(zhǎng)征9號(hào)”（CZ-9）的立項(xiàng)和研制工作，加速我國(guó)從航天大國(guó)邁向航天強(qiáng)國(guó)。

對(duì)于SSO軌道有效載荷，3～4.5 t的航天器占總?cè)蝿?wù)的18%左右，較前十幾年有明顯增長(zhǎng)；GTO 5.5～7 t的大型通信衛(wèi)星所占比例逐步增大，占26%。由此可見，新一代中型火箭發(fā)射需求旺盛，需要加快研制700 km SSO運(yùn)載能力3～4.5 t、GTO運(yùn)載能力6.5～7 t的運(yùn)載火箭。

1）新一代中型中低軌火箭

新一代中型CZ-8火箭為兩級(jí)火箭，一子級(jí)狀態(tài)與CZ-7火箭芯一級(jí)基本一致，采用2臺(tái)YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)，捆綁2個(gè)2米兩段式120 t級(jí)固體助推器；二子級(jí)直徑3 m，采用YF-75發(fā)動(dòng)機(jī)（雙機(jī)）。SSO運(yùn)載能力約4.5 t，GTO運(yùn)載能力約2.5 t，LEO運(yùn)載能力約7.6 t。在CZ-8火箭基礎(chǔ)上去掉助推器，SSO運(yùn)載能力達(dá)到3.0 t。

2）新一代中型高軌火箭

通過對(duì)市場(chǎng)需求進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：GTO 7 t有效載荷發(fā)射需求旺盛，而我國(guó)現(xiàn)役火箭CZ-3B GTO運(yùn)載能力5.5 t，存在明顯不足，需要推進(jìn)CZ-3B火箭的更新?lián)Q代。

同時(shí)，也需推進(jìn)CZ-3D和CZ-3E火箭的更新?lián)Q代，具體如下：

CZ-3D：更換CZ-3B火箭助推器、一二級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)及推進(jìn)劑，箭體直徑維持不變，芯一級(jí)三模塊并聯(lián)，直徑為3.35 m，三子級(jí)使用氫氧末級(jí)，GTO運(yùn)載能力7 t。

CZ-3E：更換CZ-3B火箭助推器、一二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)及推進(jìn)劑，構(gòu)型同CZ-3D，三子級(jí)使用YF-115發(fā)動(dòng)機(jī)，為全液氧煤油構(gòu)型，GTO運(yùn)載能力5.2 t。

3）重型運(yùn)載火箭

CZ-9火箭為三級(jí)半構(gòu)型，芯級(jí)最大直徑10 m級(jí)，LEO運(yùn)載能力140 t，LTO運(yùn)載能力50 t。CZ-9火箭是完成深空探測(cè)、載人登月和登火、空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（如空間太陽(yáng)能電站）等任務(wù)的重要支撐[5]，將加速航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)步伐。CZ-9火箭采用“通用化、系列化、組合化”發(fā)展策略，三個(gè)構(gòu)型的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)相同，可模塊化組合?？衫壱后w助推器，也可以捆綁固體助推器。

4）空射運(yùn)載火箭

未來(lái)發(fā)展的空射運(yùn)載火箭載機(jī)為國(guó)產(chǎn)運(yùn)-20運(yùn)輸機(jī)，采用內(nèi)裝式箭機(jī)組合方案，由運(yùn)-20運(yùn)輸機(jī)將運(yùn)載地方火箭攜帶至空中進(jìn)行發(fā)射。空射運(yùn)載火箭發(fā)射周期為12 h，700 km SSO運(yùn)載能力不低于200 kg。

4.4 軌道轉(zhuǎn)移運(yùn)載器

軌道轉(zhuǎn)移運(yùn)載器目前主要包括3個(gè)構(gòu)型，分別為“遠(yuǎn)征1號(hào)”/“遠(yuǎn)征1號(hào)甲”上面級(jí)（YZ-1/YZ-1A）、“遠(yuǎn)征2號(hào)”上面級(jí)（YZ-2）、“遠(yuǎn)征3號(hào)”上面級(jí)（YZ-3）。后續(xù)將研究低溫上面級(jí)。

YZ-1上面級(jí)是為執(zhí)行中國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重大專項(xiàng)工程組網(wǎng)發(fā)射任務(wù)研制，主要用來(lái)與CZ-3A系列運(yùn)載火箭組合使用執(zhí)行“一箭一星”“一箭雙星”直接入軌發(fā)射任務(wù)。已經(jīng)多次成功完成飛行試驗(yàn)任務(wù)。YZ-1A已成功首飛，在軌工作43 h、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)9次，創(chuàng)我國(guó)上面級(jí)工作時(shí)間與起動(dòng)次數(shù)的新紀(jì)錄。

圖4 新一代運(yùn)載火箭型譜Fig.4 Spectrum of new generation LM launch vehicles

YZ-2上面級(jí)是為執(zhí)行中國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重大專項(xiàng)工程組網(wǎng)發(fā)射任務(wù)研制，主要用來(lái)與CZ-5系列運(yùn)載火箭組合使用執(zhí)行“一箭4星”直接入軌發(fā)射任務(wù)。

YZ-3上面級(jí)以CZ-2D火箭、CZ-4B火箭為基礎(chǔ)級(jí)火箭，定位于中低軌道多星發(fā)射及星座快速組網(wǎng)部署，提高任務(wù)適應(yīng)性。

圖5 軌道轉(zhuǎn)移運(yùn)載器Fig.5 Orbital transfer vehicles

低溫上面級(jí)采用低溫動(dòng)力系統(tǒng)，具備長(zhǎng)期在軌能力，可以滿足空間運(yùn)輸、空間試驗(yàn)、在軌服務(wù)及空間攻防等多領(lǐng)域發(fā)展需求。

4.5 可重復(fù)使用運(yùn)載器

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況的分析，結(jié)合我國(guó)重復(fù)使用運(yùn)載器的技術(shù)研究現(xiàn)狀及技術(shù)基礎(chǔ)，充分借鑒美國(guó)在發(fā)展重復(fù)使用運(yùn)載器過程中由于過于追求單級(jí)入軌的先進(jìn)指標(biāo)幾經(jīng)挫折的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提出我國(guó)發(fā)展重復(fù)使用運(yùn)載器“三步走”的發(fā)展思路：

第一步：火箭動(dòng)力的助推器、或第一級(jí)可重復(fù)使用實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用；

第二步：火箭動(dòng)力兩級(jí)入軌完全可重復(fù)使用運(yùn)載器實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用；

第三步：組合動(dòng)力兩級(jí)入軌完全可重復(fù)使用運(yùn)載器具備工程應(yīng)用能力。

結(jié)合當(dāng)前需求和能力基礎(chǔ)，可確定優(yōu)先發(fā)展思路，即首先選擇液氧煤油或液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。以發(fā)動(dòng)機(jī)壽命不低于1萬(wàn) s、可重復(fù)使用次數(shù)30～50次為目標(biāo)，突破火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可重復(fù)使用等為代表的關(guān)鍵技術(shù)；基于選定發(fā)動(dòng)機(jī)，構(gòu)建垂直起飛、水平降落的火箭動(dòng)力一級(jí)可重復(fù)使用運(yùn)載器。該型可重復(fù)使用運(yùn)載器與一次性上面級(jí)結(jié)合，可用于快速、低成本發(fā)射小型有效載荷，并力爭(zhēng)將單次發(fā)射成本控制在1 000萬(wàn)～3 000萬(wàn)元，響應(yīng)時(shí)間控制在24 h以內(nèi)，極大增強(qiáng)在日益增長(zhǎng)的小衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

5 結(jié)束語(yǔ)

航天運(yùn)輸系統(tǒng)特別是運(yùn)載火箭是牽動(dòng)航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展和科技進(jìn)步的龍頭，運(yùn)載火箭技術(shù)的發(fā)展直接促進(jìn)了衛(wèi)星應(yīng)用、載人航天和空間安全等技術(shù)的發(fā)展，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)直接的經(jīng)濟(jì)效益，并通過新技術(shù)、新產(chǎn)品、新工藝、新管理方法的推廣，給社會(huì)帶來(lái)了巨大的間接效益，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的位置。

在國(guó)家科技重大專項(xiàng)和國(guó)家重大航天工程任務(wù)的牽引下，我國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)特別是長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭一定會(huì)不斷勇攀高峰、創(chuàng)造奇跡，隨著我國(guó)新一代運(yùn)載火箭研制及首飛成功，我國(guó)自主進(jìn)入空間的能力也會(huì)明顯提升，加快我國(guó)運(yùn)載火箭更新?lián)Q代的腳步，助力我國(guó)向航天強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。

[1]秦旭東，容易，王小軍，等.我國(guó)運(yùn)載火箭劃代技術(shù)研究[N].中國(guó)航天報(bào)，2013.10.18（003）.

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龍樂豪 （1938- ），男，研究員、中國(guó)工程院院士、戰(zhàn)略導(dǎo)彈與運(yùn)載火箭技術(shù)專家。曾任中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院副院長(zhǎng)、科技委主任、火箭總設(shè)計(jì)師兼總指揮，現(xiàn)任中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院運(yùn)載火箭系列總設(shè)計(jì)師、國(guó)家月球探測(cè)工程副總設(shè)計(jì)師。

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The Achievement and Future of China Space Transportation System

QIN Xudong1，LONG Lehao2，RONG Yi1
（1.Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering，Beijing 100076，China；2.China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China）

China Launch Vehicle technology development was started in 1960s.From then on, Long March launch vehicles have experienced five stages of development, and four generations of Long March launch vehicles have been developed，which ensures China to launch various payloads into different orbits.Based on the achievements of development and future demands, the prospects for future development plans are discussed.

space transportation system；launch vehicle；development plan

V475.1

A

2095-7777(2016)04-0315-8

10.15982/j.issn.2095-7777.2016.04.003

秦旭東，龍樂豪，容易.我國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)成就與展望[J].深空探測(cè)學(xué)報(bào)，2016，3（4）：315-322.

Reference format：Qin X D，Long L H，Rong Y.The achievement and future of China space transportation system [J].Journal of Deep Space Exploration，2016，3（4）：315-322.

秦旭東（1976- ），男，博士、研究員，主要研究方向：運(yùn)載火箭姿態(tài)控制及總體設(shè)計(jì)。

[責(zé)任編輯：宋宏]

2016-09-20；

2016-09-25