我國航天運輸系統(tǒng)60年發(fā)展回顧

龍樂豪，李平岐，秦旭東，牟 宇

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

0 引言

空間是維護國家安全和國家利益的制高點，進入空間進而利用空間是世界航天大國不懈追求的目標。航天運輸系統(tǒng)是一個國家自主進入空間能力的集中體現(xiàn)，是自主利用空間的基本前提，是實現(xiàn)、保持、發(fā)展空間安全和國家利益的核心能力。

航天運輸系統(tǒng)是指往返于地球表面和空間軌道之間，或在不同軌道之間運輸，以及完成地外天體著陸和返回運輸各種有效載荷的運輸工具的總稱。一般可以分為一次性運載火箭(含快速進入空間運載器)、軌道轉(zhuǎn)移運載器、重復使用運載器3個領(lǐng)域，如圖1所示。從目前情況來看，一次性運載火箭仍是我國滿足進入空間需求的主體。另外，3個領(lǐng)域的劃分也可能隨著未來的發(fā)展進行調(diào)整。以快速進入空間運載器為例，目前論證的型號仍屬于一次性運載火箭，后續(xù)視研究方向擴展情況，也可獨立成一個單獨的領(lǐng)域。

軌道轉(zhuǎn)移運載器是指在外層空間執(zhí)行有效載荷軌道轉(zhuǎn)移、軌道部署及相關(guān)延伸性服務(wù)的一種航天運載器，具有獨立的動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，可根據(jù)任務(wù)需要自主、長期在軌運行。軌道轉(zhuǎn)移運載器以上面級為典型應(yīng)用代表，通常作為火箭末級使用，又稱上面級火箭。

重復使用運載器是指部組件部分或全部可多次重復使用的運載器。按重復使用程度可分為完全重復使用、部分重復使用;按動力方式可分為火箭動力、組合動力;按起降方式可分為垂直起飛水平著陸、垂直起降、水平起降;按運載器氣動外形可分為升力體式、基于傳統(tǒng)運載火箭構(gòu)型。

我國的航天運輸系統(tǒng)起步于20世紀60年代，經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，共研制了17種運載火箭、9種上面級，具備發(fā)射低、中、高不同軌道，不同有效載荷的能力。截止到2017年11月底，我國長征系列運載火箭已飛行256次，將353個航天器送入預(yù)定軌道，發(fā)射成功率為94.92%。運載火箭技術(shù)的發(fā)展為航天技術(shù)提供了廣闊的舞臺，推動了中國衛(wèi)星和及其應(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”、“嫦娥奔月”和“北斗導航”為代表的國家重大航天工程以及航天對外交流合作，為中國航天的發(fā)展提供了強有力的支撐。

1 我國航天運輸系統(tǒng)發(fā)展歷程回顧

1.1 一次性運載火箭及軌道轉(zhuǎn)移運載器

自20世紀60年代以來，經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，我國運載火箭的發(fā)展大致經(jīng)歷了7個階段[1]。

第一階段：在戰(zhàn)略導彈基礎(chǔ)上起步，主要解決我國運載火箭的有無問題,典型代表是CZ-1、CZ-2。

CZ-1火箭應(yīng)1965年5月啟動的“651計劃”而生[2]，在東風四號導彈基礎(chǔ)上加第三級固體火箭，1970年4月24日成功發(fā)射東方紅一號衛(wèi)星(質(zhì)量為173kg，比蘇、美、法、日首顆衛(wèi)星總質(zhì)量多20.4kg)，從此拉開中國航天活動序幕。CZ-2火箭于1975年11月26日首次飛行成功，以東風五號洲際導彈為基礎(chǔ)研制成功，后衍生出CZ-2C、CZ-2D、CZ-2E、CZ-2F、CZ-3A系列、CZ-4系列等多種型號。

第二階段：滿足通信等衛(wèi)星應(yīng)用需求，按照運載火箭技術(shù)的自身發(fā)展規(guī)律而研制。追求運載能力、可靠、廉價，主要特點是研制成功了采用液氫液氧低溫推進劑的第三級(如CZ-3、CZ-3A系列火箭的第三級),以及采用常規(guī)推進劑的第三級(如CZ-4系列火箭的第三級)，火箭技術(shù)水平顯著提升。

CZ-3火箭因1975年3月31日中央軍委討論通過的 “331工程(衛(wèi)星通信工程)”啟動立項研制，首次采用氫氧高能推進劑，攻克了36項關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)過9年多奮斗，于1984年1月29日首次發(fā)射部分成功，4月8日再次發(fā)射圓滿成功。在70天內(nèi)攻克了氫氧火箭發(fā)動機高空二次啟動的世界性難題，使我國火箭在當時跨入世界先進行列。

第三階段：為國際商業(yè)發(fā)射誕生，滿足大質(zhì)量通信衛(wèi)星發(fā)射需求，典型代表是CZ-2E。

1985年10月，我國宣布長征火箭投入國際商業(yè)發(fā)射，當時我國運載能力最大的CZ-3火箭地球同步轉(zhuǎn)移軌道GTO運載能力僅1.5t左右。而通信衛(wèi)星為了滿足大容量、多功能、長壽命的市場需求，重型化已成為大勢所趨。為了滿足該需求，提出在CZ-2C火箭的基礎(chǔ)上捆綁4個助推器來提升火箭運載能力的方案，CZ-2E因此而誕生。CZ-2E火箭研制過程中攻克了助推器捆綁和分離、高空風修正、大型整流罩等多項關(guān)鍵技術(shù)，顯著提升了長征系列運載火箭的運載能力。1990年7月16日CZ-2E首飛成功，為我國后續(xù)載人火箭研制奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。長征火箭自1990年4月成功發(fā)射亞洲1號衛(wèi)星起，已進行60余次國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射(含14次搭載、12顆在軌交付)，在國際發(fā)射市場占有一席之地。目前CZ-3A系列火箭是我國在國際商業(yè)發(fā)射中的主力。

面對長征火箭連續(xù)發(fā)射成功，美國個別政客捏造了“考克斯報告”(1999年5月25日出爐)，謊稱美國獨立專家評審團員向中方泄漏了導彈技術(shù)機密。1998年6月19日我們在中央電視臺據(jù)理駁斥。1998年美國立法，禁止中國火箭商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)，其政治歧視倒逼中國運載火箭和衛(wèi)星提前配套出口。

第四階段：為載人航天需要研制，最大特點是高可靠性、高安全性，火箭待發(fā)段及上升段設(shè)置了專門的航天員逃逸救生系統(tǒng)，典型代表是CZ-2F。

CZ-2F火箭是在CZ-2E火箭的基礎(chǔ)上改進而成，是我國目前唯一的載人運載火箭。1992年9月21日立項研制，1999年11月20日首飛成功，截至目前共進行了13次發(fā)射，全部成功，其中載人發(fā)射6次，將14人次航天員送入太空，飛行可靠性達0.97。在CZ-2F火箭研制過程中突破了載人火箭總體設(shè)計、逃逸系統(tǒng)、故障檢測處理系統(tǒng)、馮卡門外形整流罩等重大關(guān)鍵技術(shù)。

第五階段：為適應(yīng)環(huán)保與國家重大戰(zhàn)略需要而研制的新一代運載火箭和重型運載火箭。新一代運載火箭遵循一個系列、兩種發(fā)動機、三個模塊的總體思路，貫徹通用化、組合化、系列化設(shè)計思想，以高可靠、低成本、無毒、無污染、適應(yīng)性強、安全性好為發(fā)展目標，新一代運載火箭型譜見圖2。典型代表是CZ-5系列、CZ-6、CZ-7、CZ-11、CZ-8。

基于Φ5m直徑模塊構(gòu)建了新一代大型運載火箭CZ-5系列[3-5]，研制初期共規(guī)劃了6個構(gòu)型，2006年立項研制了其中運載能力最大的E型(CZ-5)，拉開了新一代火箭研制序幕。為滿足載人空間站建設(shè)需求，2011年原總裝備部批復立項研制一級半最大運載能力構(gòu)型CZ-5B火箭?；讦?.35m、Φ2.25m直徑模塊，研制了CZ-6、CZ-7并牽引了CZ-8等型號研制。CZ-6、CZ-11、CZ-7、CZ-5分別于2015年至2016年首飛圓滿成功，見圖3。CZ-8火箭已完成立項并開始研制。

為滿足載人登月、空間太陽能電站等為代表的大規(guī)模深空探測、空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等任務(wù)需求，重型運載火箭CZ-9正在開展關(guān)鍵技術(shù)深化論證工作[6]。

第六階段：為提高適應(yīng)能力而研制的軌道轉(zhuǎn)移運載器(上面級火箭)，亦稱太空擺渡車，可用于航天器軌道轉(zhuǎn)移、組網(wǎng)、修復等。典型代表為遠征系列液體上面級。

自20世紀90年代起，為滿足國內(nèi)外衛(wèi)星發(fā)射需要,成功研制了5種固體推進上面級，包括自旋穩(wěn)定上面級SM、三軸穩(wěn)定上面級SMA等。2008年起又研制了4種液體推進上面級，其中YZ-1、YZ-1A、YZ-2自2015年3月來已連續(xù)6次飛行試驗成功，驗證了在軌9次啟動、48小時工作的能力，YZ-3近期將搭載CZ-2D火箭首飛。后續(xù)還將研制低溫、高性能的上面級。

第七階段：為快速響應(yīng)而研制，具有可整體貯存、操作簡單、發(fā)射成本低、發(fā)射周期短等特性，最大優(yōu)勢是快速、便捷、靈活。典型代表是CZ-11。

CZ-11為四級固體火箭，2012年正式立項研制，2015年9月25日“一箭四星”首飛圓滿成功,它為后續(xù)海射、空射快速響應(yīng)火箭奠定了基礎(chǔ)。

1.2 重復使用運載器

重復使用技術(shù)目前主要圍繞助推級可控回收及部分重復使用開展相關(guān)研究工作，突破了助推器和芯級翼傘回收關(guān)鍵技術(shù)，開展了演示驗證，見圖4；后續(xù)將對重復使用亞軌道運載器、重復使用軌道轉(zhuǎn)移運載器開展演示驗證，逐步突破運載器的一級和軌道級的重復使用技術(shù)。

通過對國內(nèi)外發(fā)展情況的分析，結(jié)合我國重復使用運載器的技術(shù)研究現(xiàn)狀及技術(shù)基礎(chǔ)，提出我國重復使用運載器“三步走”的發(fā)展思路[7]，如圖5所示。

第一步：火箭動力的助推器、第一級可重復使用實現(xiàn)工程應(yīng)用；

第二步：火箭動力兩級入軌完全可重復使用運載器實現(xiàn)工程應(yīng)用；

第三步：組合動力兩級入軌完全可重復使用運載器具備工程應(yīng)用能力。

2 主要成就與不足

經(jīng)過50余年的發(fā)展，長征系列運載火箭經(jīng)歷了從常溫推進到低溫推進、從串聯(lián)到捆綁、從一箭單星到一箭多星、從發(fā)射衛(wèi)星到發(fā)射載人飛船及深空探測器的歷程，成就了我國“載人航天”、“嫦娥奔月”、“北斗導航”等重大航天工程以及航天對外交流合作，支撐了國民經(jīng)濟和國防建設(shè)[8]。

2.1 主要成就

(1)總體設(shè)計能力明顯提升

新一代運載火箭采用了全新的動力系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，研制過程中突破多噴管發(fā)動機底部噴流復雜熱環(huán)境預(yù)示難題，使復雜力、熱環(huán)境理論預(yù)示與控制水平顯著提升；解決了大型低溫火箭低頻模態(tài)密集、縱-橫-扭模態(tài)耦合嚴重的難題，突破了助推和芯級聯(lián)合搖擺控制技術(shù)，姿態(tài)控制理論水平顯著提升；突破了大型低溫火箭POGO抑制技術(shù)；解決了大質(zhì)量分離體、大尺度柔性體可靠分離難題；突破了助推器三支點超靜定捆綁技術(shù)，解決了大長徑比助推器帶來的空間模態(tài)與芯級強耦合的難題。

(2)箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真、試驗與制造能力取得跨越式發(fā)展

此外，魚鱉混養(yǎng)是綜合利用水體，提高經(jīng)濟效益的一條重要途徑。既提高了水體利用率，又提高了飼料利用率，使生物能源多級利用，從而提高了單位水體的經(jīng)濟效益。

箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了由串聯(lián)向并聯(lián)、由獨立貯箱向共底貯箱、由3.35m向5m直徑的發(fā)展，運載能力及運載效率大幅提升。箭體結(jié)構(gòu)的精細化設(shè)計、強度預(yù)示水平不斷提高，箭體結(jié)構(gòu)的材料、制造及焊接工藝不斷改進，設(shè)計效率及產(chǎn)品質(zhì)量相應(yīng)提升。箭體結(jié)構(gòu)制造向精益制造和高可靠綠色制造方向發(fā)展，制造耗能降低、制造精度提高。箭體結(jié)構(gòu)仿真、試驗?zāi)芰Σ粩嗵嵘瑢崿F(xiàn)了由實物模裝向三維數(shù)字化模裝的轉(zhuǎn)變，具備5m直徑結(jié)構(gòu)千噸級靜力試驗?zāi)芰Α?/p>

(3)液體推進技術(shù)取得顯著進步

我國大型液體火箭發(fā)動機經(jīng)過半個多世紀發(fā)展，在設(shè)計-試驗-改進設(shè)計-再試驗的研制過程中，不斷完善和提高，發(fā)動機技術(shù)水平不斷提升。目前在用常規(guī)發(fā)動機5型，包括YF-20、YF-22、YF-23、YF-40、YF-50；成功研制無毒、無污染低溫發(fā)動機6型，包括4型氫氧發(fā)動機YF-73、YF-75、YF-75D、YF-77及2型液氧煤油發(fā)動機YF-100和YF-115。YF-100發(fā)動機單機推力達到120t，采用高壓補燃循環(huán)方式，使我國成為繼俄羅斯后世界上第2個掌握補燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動機的國家；YF-75D發(fā)動機采用膨脹循環(huán)方式，真空比沖達到442s。增壓輸送系統(tǒng)采取冗余設(shè)計方案，提升了可靠性；低溫增壓輸送系統(tǒng)實現(xiàn)由排放預(yù)冷向循環(huán)預(yù)冷技術(shù)的轉(zhuǎn)變，提升推遲發(fā)射的適應(yīng)性；建成新一代運載火箭動力試車臺、增壓輸送系統(tǒng)實驗室等，具備開展液氫真實介質(zhì)條件的系統(tǒng)及單機試驗?zāi)芰Α?/p>

(4)固體推進技術(shù)取得顯著進步

20世紀60年代以來研制成功的上面級固體推進發(fā)動機，滿足了我國航天發(fā)展的需要，并與國際接軌，具備國際衛(wèi)星市場競爭的能力。21世紀以來還攻克了不同直徑、分段式固體發(fā)動機技術(shù)，2016年8月2日成功進行了Φ3m、2分段固體發(fā)動機地面熱試車，最大推力150t，為CZ-9大型固體助推奠定了基礎(chǔ)。我國固體推進動力已全面采用高壓強、高能發(fā)動機，采用大型發(fā)動機分段對接、復合材料殼體及全軸擺動柔性噴管技術(shù)，提升了發(fā)動機比沖、推力、質(zhì)量比等特性。

(5)控制系統(tǒng)信息集成與魯棒性水平明顯改善

控制方案實現(xiàn)了由模擬量到數(shù)字量再到基于總線制的分布式全數(shù)字容錯的控制轉(zhuǎn)變，功能、可靠性不斷提高；制導方式實現(xiàn)了由隱式制導到顯式攝動制導，再到迭代制導和GPS組合導航的改進和發(fā)展，制導控制精度、抗干擾能力不斷提升；姿態(tài)控制由單獨芯級搖擺到助推與芯級聯(lián)合搖擺控制，控制能力和裕度不斷增強；箭機、慣性器件、綜控器等重要單機采取三冗余技術(shù)，系統(tǒng)冗余、容錯能力顯著提升；慣性器件經(jīng)歷了由捷聯(lián)加速度計+陀螺儀到慣性平臺再到光纖和激光慣組的發(fā)展歷程，慣性器件的精度和可靠性大幅提升。

(6)測量通信技術(shù)向大容量、高碼率、多途徑發(fā)展

(7)測發(fā)模式及流程更加優(yōu)化

測發(fā)模式由“一平兩垂”到“三垂”再到“新三垂”和“三平”發(fā)展，地面測發(fā)控系統(tǒng)采用遠距離測發(fā)模式，更加安全和可靠;并且突破了自重2000t級活動發(fā)射平臺機電氣液多系統(tǒng)集成技術(shù)，實現(xiàn)箭地接口無間斷連接的新三垂測發(fā)模式，實現(xiàn)了液氫加注后無人值守、液氫加注后推遲2h發(fā)射能力，提升我國低溫火箭推遲發(fā)射適應(yīng)性。實現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)的快速自動判讀，提高測試判讀效率；測發(fā)流程更加優(yōu)化，發(fā)射測發(fā)時間縮減到20天左右。

(8)材料、制造工藝水平逐步提升

箭體殼段結(jié)構(gòu)的金屬材料由第一代的LF6鋁合金、第二代的2014和7A09鋁合金向第三代2219、7050高強鋁合金發(fā)展，并逐漸采用高強度碳纖維復合材料、新型環(huán)保絕熱發(fā)泡材料、鋁蜂窩薄壁夾層等新型材料，提高了結(jié)構(gòu)效率。金屬加工工藝由化銑、TIG焊、鑄造向機械銑、攪拌摩擦焊、3D打印等制造工藝轉(zhuǎn)變，采用導管全位置焊接及裝配技術(shù)、縱環(huán)縫自動焊接技術(shù)，提升了結(jié)構(gòu)部段的焊接與裝配工藝水平。

(9)生產(chǎn)能力持續(xù)得到改善

長征系列運載火箭生產(chǎn)能力持續(xù)提升，實現(xiàn)了批量生產(chǎn)，具備年產(chǎn)21～22發(fā)能力，為高密度發(fā)射任務(wù)提供了強有力的保障。新一代運載火箭技改投入也在不斷加大，各研制配套單位的生產(chǎn)能力均得到了不同程度的提升，為后續(xù)實現(xiàn)高密度發(fā)射提供了基本保障。

2.2 存在的不足

長征系列運載火箭經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，取得了輝煌成績，但相比國外先進運載火箭，在運載火箭綜合指標、設(shè)計手段、容差容錯能力等方案仍存在不少差距，具體包括：

1)火箭最大運載能力、型譜完善性與世界航天強國差距明顯；

2)總體多學科優(yōu)化設(shè)計手段欠缺，總體和系統(tǒng)設(shè)計過于保守，材料、工藝等基礎(chǔ)技術(shù)仍然薄弱，造成運載火箭運載系數(shù)偏低；

3)重復使用、智能控制等先進技術(shù)尚處攻關(guān)或初期研究試驗階段，需要迎頭趕上；

4)火箭模塊規(guī)格偏多，設(shè)計、制造產(chǎn)品化程度不高，生產(chǎn)與測試發(fā)射準備周期偏長，發(fā)射任務(wù)適應(yīng)性不高，發(fā)射成本優(yōu)勢不再。

3 結(jié)束語

航天運輸技術(shù)是衡量一個國家綜合實力的重要標志，中國航天運輸系統(tǒng)經(jīng)過60年發(fā)展，形成了較完整的長征運載火箭型譜系列，具備了發(fā)射低、中、高不同軌道、不同有效載荷質(zhì)量的能力，取得了輝煌的成就。隨著新一代運載火箭的研制及首飛成功，長征火箭綜合性能顯著提升，大幅提高了國際競爭力，加速了我國由航天大國向航天強國邁進的步伐，相信在習近平新時代中國特色社會主義思想的指引下，我國一定會早日成為世界航天強國！

[1] 秦旭東, 容易, 王小軍. 我國運載火箭劃代技術(shù)研究[N]. 中國航天報, 2013-10-18(3).

[2] 秦旭東, 龍樂豪, 容易. 我國航天運輸系統(tǒng)成就與展望[J]. 深空探測學報, 2016, 3(4): 315-322.

[3] 龍樂豪, 余夢倫. 航天運載器專業(yè)發(fā)展報告[R]. ISBN 978-7-5046-6538-6, 北京：中國科學技術(shù)出版社，2014.

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