創(chuàng)新運(yùn)載火箭研制體系加速推進(jìn)航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)

張 濤 秦 瞳 秦旭東 容 易 荊木春/文

習(xí)近平總書記曾發(fā)出“探索浩瀚宇宙，發(fā)展航天事業(yè)，建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)”的號(hào)召，為航天事業(yè)未來(lái)發(fā)展指明了方向，也提出了更高要求。未來(lái)，進(jìn)入空間需求的持續(xù)增長(zhǎng)，必然要求運(yùn)載火箭研制和生產(chǎn)效率的持續(xù)提升。當(dāng)前全球出現(xiàn)的以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)等為代表的新一輪技術(shù)創(chuàng)新浪潮，也為我國(guó)運(yùn)載火箭研制體系的升級(jí)換代提供了難得契機(jī)。“中國(guó)制造2025”已明確將航天航空裝備列為十大重點(diǎn)領(lǐng)域之一。這里以提升運(yùn)載火箭研制和生產(chǎn)效率為目的，提出了新形勢(shì)下創(chuàng)新研制體系和管理模式的若干設(shè)想。

運(yùn)載火箭研制體系的內(nèi)涵

在60年的發(fā)展歷程中，我國(guó)航天始終貫徹著基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和組織管理方法。依據(jù)任務(wù)需求，進(jìn)行運(yùn)載火箭總體方案的反復(fù)迭代和優(yōu)化，逐級(jí)向下細(xì)化為各分系統(tǒng)及單機(jī)的技術(shù)要求，并通過(guò)試制和生產(chǎn)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品；再經(jīng)過(guò)產(chǎn)品的逐級(jí)驗(yàn)證，進(jìn)行系統(tǒng)集成總裝總測(cè)，最終完成運(yùn)載火箭的研制及發(fā)射。這一過(guò)程體現(xiàn)在運(yùn)載火箭的研制流程上，一般劃分為預(yù)研、方案、初樣、試樣和發(fā)射服務(wù)應(yīng)用五個(gè)階段。按照工作內(nèi)容和工作性質(zhì)不同，一般包括設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、制造環(huán)節(jié)、試驗(yàn)環(huán)節(jié)和發(fā)射環(huán)節(jié)。

所謂的運(yùn)載火箭研制體系，就是在運(yùn)載火箭研制生產(chǎn)中的各個(gè)階段或環(huán)節(jié)中，為完成運(yùn)載火箭研制或生產(chǎn)所涉及的各項(xiàng)要素的統(tǒng)稱，一般包括研制分工、手段條件、建設(shè)布局和管理方式等內(nèi)容，即解決“誰(shuí)來(lái)干、用什么干、在哪里干、怎么干”的問(wèn)題。這里從四個(gè)方面研究探索運(yùn)載火箭研制體系創(chuàng)新和管理模式提升方式。

我國(guó)現(xiàn)行研制體系的基礎(chǔ)

經(jīng)過(guò)六十年艱苦奮斗，我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展取得輝煌成就，特別是隨著新一代運(yùn)載火箭研制成功，標(biāo)志著我國(guó)基本建成完整的運(yùn)載火箭研發(fā)體系，并探索出了一套符合我國(guó)國(guó)情的管理模式。但是，面向未來(lái)更高要求，對(duì)標(biāo)世界航天強(qiáng)國(guó)，我國(guó)運(yùn)載火箭研制體系需向著更高水平提升和邁進(jìn)。

具備較高的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，亟待實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)。運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，我國(guó)經(jīng)過(guò)多年努力總結(jié)出一套行之有效的方法。即通過(guò)專業(yè)劃分，將火箭解耦為若干子系統(tǒng)，每個(gè)解耦后的系統(tǒng)模型通過(guò)適當(dāng)抽象來(lái)完成設(shè)計(jì)。按照這種方式，目前我國(guó)已具備了世界一流的運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，可設(shè)計(jì)從液體火箭到固體火箭、從常規(guī)推進(jìn)劑到清潔能源推進(jìn)劑、從無(wú)人火箭到載人火箭的各種類型火箭；發(fā)展了從小型到大型、從近地軌道到奔赴火星軌道的完整的火箭型譜；專業(yè)門類齊全，具備總體、結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電氣、發(fā)射支持等全系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)能力。設(shè)計(jì)和分析手段上也基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。但是，這種將總體解耦成子系統(tǒng)的方式，也帶來(lái)難以解決復(fù)雜耦合問(wèn)題的弊端。特別是對(duì)于復(fù)雜的大型火箭設(shè)計(jì)，各子系統(tǒng)普遍存在參數(shù)余量重復(fù)留取、設(shè)計(jì)趨于保守的問(wèn)題，導(dǎo)致設(shè)計(jì)不夠精細(xì)，不能滿足任務(wù)指標(biāo)。一般情況下，不同子系統(tǒng)由不同單位來(lái)承擔(dān)設(shè)計(jì)，這種分布式的設(shè)計(jì)方式很難被打破。

打造了完備的制造體系，有待向智能化提升。目前，我國(guó)已打造了完備的運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)制造及總裝測(cè)試體系，基本形成基于3.35m、5m直徑系列的鑄造、鍛造、鈑金成型、焊接、鉚接、裝配、測(cè)試、試驗(yàn)、檢測(cè)等專業(yè)相對(duì)完整、能力較為全面的綜合制造體系；具備完整的常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)、液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)及固體發(fā)動(dòng)機(jī)的零部組件生產(chǎn)、裝配、測(cè)試和檢測(cè)體系。但是，當(dāng)前運(yùn)載火箭產(chǎn)品的制造過(guò)程多以半機(jī)械化、半自動(dòng)化為主，設(shè)備智能化、數(shù)控化程度不高；先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用不足，數(shù)字化制造模式還未形成。制造能力不足已日漸成為完成高密度發(fā)射任務(wù)的主要制約因素。

掌握了系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，需不斷創(chuàng)新先進(jìn)手段。中國(guó)航天的成功與充分的地面試驗(yàn)驗(yàn)證是分不開(kāi)的。目前，我國(guó)已經(jīng)具備了3.35m、5m直徑部段的總體試驗(yàn)?zāi)芰?，具備了箭體結(jié)構(gòu)載荷剛度和強(qiáng)度試驗(yàn)、動(dòng)特性試驗(yàn)、分離試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)等能力；具備大推力低溫、常規(guī)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及軌姿控火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部組件及整機(jī)試驗(yàn)?zāi)芰?。系統(tǒng)完備的試驗(yàn)驗(yàn)證是研制設(shè)計(jì)正確性的重要手段，也是產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證。但相比國(guó)際航天領(lǐng)域試驗(yàn)方法和手段的不斷提升，我國(guó)的試驗(yàn)驗(yàn)證相對(duì)傳統(tǒng)并單一，且過(guò)于依賴最終進(jìn)行的大型試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品狀態(tài)和系統(tǒng)接口。國(guó)際上采用的縮比驗(yàn)證、虛擬現(xiàn)實(shí)、3D打印、飛行試驗(yàn)等創(chuàng)新性的試驗(yàn)方案在我國(guó)應(yīng)用并不多，造成了試驗(yàn)工作量大，研制周期長(zhǎng)。

建設(shè)了先進(jìn)的發(fā)射基地，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化發(fā)射流程。我國(guó)已建成并在用的包括酒泉、太原、西昌和海南文昌四個(gè)衛(wèi)星發(fā)射中心。2016年最新投入使用的海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心是世界上最先進(jìn)的發(fā)射場(chǎng)之一，具有緯度低、航落區(qū)安全性好、海運(yùn)便利等優(yōu)勢(shì)，可承擔(dān)我國(guó)新一代運(yùn)載火箭全部型號(hào)、各種軌道載荷的發(fā)射。但相對(duì)于國(guó)外主流運(yùn)載火箭20天以內(nèi)的測(cè)試發(fā)射周期，我國(guó)在測(cè)試發(fā)射水平上仍存在一定差距。究其原因主要包括：發(fā)射場(chǎng)操作項(xiàng)目多、測(cè)試項(xiàng)目多、確認(rèn)環(huán)節(jié)多等因素。隨著越來(lái)越高密度的發(fā)射任務(wù)，未來(lái)進(jìn)一步簡(jiǎn)化發(fā)射場(chǎng)流程、縮短發(fā)射準(zhǔn)備周期的需求越來(lái)越迫切。

創(chuàng)新研制模式的有關(guān)思考

我國(guó)提升運(yùn)載火箭研制體系，必須堅(jiān)持走繼承和創(chuàng)新的發(fā)展之路。繼承60年積淀下來(lái)的物質(zhì)基礎(chǔ)、大系統(tǒng)工程的管理方法、偉大的航天精神。而創(chuàng)新，則必須具備體系創(chuàng)新的勇氣和膽識(shí)，瞄準(zhǔn)世界一流宇航研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和驗(yàn)證體系的水平，運(yùn)用軍民融合和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)兩大利器，從理念、標(biāo)準(zhǔn)、工具和手段等全方面進(jìn)行革新。

建立全流程的信息化手段，實(shí)現(xiàn)全壽命周期、全要素?cái)?shù)字化綜合管理。運(yùn)載火箭研制屬于大型系統(tǒng)工程，協(xié)調(diào)工作量大，對(duì)信息傳遞的及時(shí)性和準(zhǔn)確性要求很高。因此，若想研制運(yùn)載火箭或提高生產(chǎn)效率，首要的便是要建立貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、發(fā)射等各個(gè)環(huán)節(jié)的統(tǒng)一的信息化手段。具體可包括：設(shè)計(jì)信息自動(dòng)關(guān)聯(lián)的一體化設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺(tái)、基于二維碼的產(chǎn)品全壽命周期管理平臺(tái)、基于智能制造的生產(chǎn)制造執(zhí)行平臺(tái)、涵蓋質(zhì)量經(jīng)費(fèi)進(jìn)度等信息的綜合管理經(jīng)營(yíng)平臺(tái)，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)集成形成一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)過(guò)程中的信息流、物流、資金流等要素在平臺(tái)上實(shí)時(shí)呈現(xiàn)和控制，監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)以迅速分配生產(chǎn)資源，連接實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)自上而下的數(shù)字化驅(qū)動(dòng)，真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全壽命周期透明化管理。

突出設(shè)計(jì)協(xié)同化，提升多專業(yè)耦合精細(xì)化設(shè)計(jì)能力。對(duì)于需要多專業(yè)耦合的設(shè)計(jì)任務(wù)來(lái)說(shuō)，協(xié)同設(shè)計(jì)可以直接獲取相關(guān)專業(yè)的最新設(shè)計(jì)參數(shù)，及時(shí)修改本專業(yè)的模型和程序并實(shí)現(xiàn)結(jié)果反饋，從而實(shí)現(xiàn)并行工作，減少反復(fù)迭代的次數(shù)，提高設(shè)計(jì)效率。具體講，對(duì)于參數(shù)類協(xié)同設(shè)計(jì)，建議建立能夠滿足多系統(tǒng)、多專業(yè)、多層次、多顆粒度的統(tǒng)一的虛擬樣機(jī)模型源，而對(duì)于協(xié)調(diào)類協(xié)同設(shè)計(jì)，則可分別建設(shè)用于分析、制造和模裝協(xié)調(diào)的三種數(shù)字樣機(jī)。兩種協(xié)同設(shè)計(jì)分別主要面向設(shè)計(jì)分析和產(chǎn)品生產(chǎn)，同時(shí)又通過(guò)數(shù)字化信息傳遞手段，在統(tǒng)一的設(shè)計(jì)平臺(tái)下，形成整體閉環(huán)管理。

突出制造智能化，構(gòu)建柔性化信息化生產(chǎn)制造能力。智能制造的基本屬性有三個(gè)：對(duì)信息流和物流的自動(dòng)感知與分析，對(duì)制造過(guò)程信息流和物流的自主控制，對(duì)制造過(guò)程的自主優(yōu)化運(yùn)行。智能制造技術(shù)已成為制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，也是建設(shè)世界一流運(yùn)載火箭研發(fā)體系的必然選擇。它更新了制造自動(dòng)化的概念，使其擴(kuò)展到柔性化、智能化和高度集成化。未來(lái)，運(yùn)載火箭制造應(yīng)逐步廣泛應(yīng)用智能化的科技成果，比如利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜器件的增材加工，使用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)替代當(dāng)前大量的人工負(fù)責(zé)的焊接噴涂和機(jī)加工作等；抓住高端制造的核心，掌握高附加值的生產(chǎn)技術(shù)，技術(shù)含量較低的生產(chǎn)可利用社會(huì)資源進(jìn)行。

創(chuàng)新試驗(yàn)方法，利用先進(jìn)手段打造新型試驗(yàn)體系。隨著新技術(shù)的應(yīng)用和普及，以往傳統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)Ｊ接型蝗〈＠?，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可用于驗(yàn)證星箭接口的正確性和匹配性，避免在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)接口不協(xié)調(diào)的情況；國(guó)外成功應(yīng)用但我國(guó)從未使用過(guò)的飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，可以模擬真實(shí)的飛行狀態(tài)，并可省下部分地面試驗(yàn)設(shè)施的建設(shè)費(fèi)用；充分利用歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)試驗(yàn)規(guī)律，發(fā)掘試驗(yàn)成果，即有可能探索出新的試驗(yàn)方法。以整箭模態(tài)試驗(yàn)為例，通過(guò)分析3.35m和5m直徑子模塊模態(tài)和全箭模態(tài)之間的關(guān)系，理論上通過(guò)分析9.5m子級(jí)的模態(tài)，就可以合理預(yù)示出重型運(yùn)載火箭全箭模態(tài)，從而大大減少試驗(yàn)建設(shè)規(guī)模。

融合能力布局，搞好一體化建設(shè)，提升自動(dòng)發(fā)射能力。簡(jiǎn)化發(fā)射流程主要包含兩個(gè)方面：一是簡(jiǎn)化發(fā)射區(qū)的操作環(huán)節(jié)和操作項(xiàng)目，二是提高設(shè)備自檢、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、功能實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化水平。對(duì)于第一個(gè)方面，在未來(lái)新研火箭的選址建設(shè)中，可以考慮將火箭總裝、出廠測(cè)試與發(fā)射場(chǎng)測(cè)試合三為一，在發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行火箭的總裝總測(cè)和射前測(cè)試，這樣和當(dāng)前模式相比，就節(jié)省了分解及再次總裝測(cè)試的工作程序，同時(shí)最大限度地利用了廠房資源及地面設(shè)備。對(duì)于第二個(gè)方面，則應(yīng)努力發(fā)展發(fā)射平臺(tái)智能化檢測(cè)、加注系統(tǒng)故障診斷和連接器自動(dòng)對(duì)接脫落等技術(shù)，提高火箭的發(fā)射可測(cè)試性，努力實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的自動(dòng)化發(fā)射。

創(chuàng)新管理理念，對(duì)標(biāo)航天強(qiáng)國(guó)，努力打造國(guó)際一流研發(fā)體系。對(duì)標(biāo)航天強(qiáng)國(guó)，未來(lái)我國(guó)運(yùn)載火箭的發(fā)展模式應(yīng)該更加開(kāi)放、創(chuàng)新、融合和國(guó)際化。第一，始終對(duì)標(biāo)航天強(qiáng)國(guó)，研發(fā)、制造、試驗(yàn)等基礎(chǔ)能力建設(shè)必須以世界一流標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)；第二，密切關(guān)注，對(duì)比采用更優(yōu)的設(shè)計(jì)理念、加工設(shè)備、試驗(yàn)手段及管理理念；第三，通過(guò)更加高效的管理來(lái)不斷降低成本，提升新一代運(yùn)載火箭的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力；第四，切實(shí)深入貫徹軍民融合戰(zhàn)略，加速火箭單項(xiàng)技術(shù)向民用市場(chǎng)轉(zhuǎn)化，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)集群化發(fā)展；第五，以更加開(kāi)放的心態(tài)參與國(guó)際合作，引進(jìn)國(guó)際資源，參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定，增加在國(guó)際宇航活動(dòng)中的話語(yǔ)權(quán)。

增強(qiáng)進(jìn)出空間能力，搶占太空制高點(diǎn)是當(dāng)今航天強(qiáng)國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。運(yùn)載火箭是進(jìn)入空間的前提和基礎(chǔ)，運(yùn)載火箭的能力有多大，航天發(fā)展的舞臺(tái)就有多大。我國(guó)應(yīng)該抓住當(dāng)前的技術(shù)創(chuàng)新浪潮，充分總結(jié)60年輝煌歷程的寶貴經(jīng)驗(yàn)，加速運(yùn)載火箭研制體系的升級(jí)換代，為未來(lái)更高密度發(fā)射任務(wù)、載人月球探測(cè)及月球以遠(yuǎn)的深空探測(cè)提供可能，為中國(guó)航天未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)，向著建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)的偉大目標(biāo)奮勇前進(jìn)。（中國(guó)長(zhǎng)征火箭有限公司、北京宇航系統(tǒng)工程研究所、中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院)