新型運載火箭技術(shù)發(fā)展及思考

劉秉 魏威 陳海鵬

(1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所 2 中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心)

運載火箭的能力有多大，一個國家航天發(fā)展的舞臺就有多大。近年來，在載人航天、月球探測、行星探測等國家重大工程牽引下，新一代運載火箭、上面級等陸續(xù)首飛和投入應(yīng)用，我國運載火箭綜合性能顯著提升，有力支撐我國邁入航天強國行列。但是，對標(biāo)國際先進水平，我國運載火箭在技術(shù)水平、商業(yè)化綜合競爭力等方面仍存在差距與不足。本文通過對新型運載火箭特征進行研究，提出我國新型運載火箭的主要技術(shù)發(fā)展路線及實施建議，以實現(xiàn)我國未來新型運載火箭的高質(zhì)量、高效率和高效益發(fā)展。

1 全球運載火箭發(fā)展現(xiàn)狀

全球科技發(fā)展日新月異，航天領(lǐng)域的新技術(shù)應(yīng)用也層出不窮。對世界航天領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)進行分析，能夠準(zhǔn)確判斷全球運載火箭的發(fā)展現(xiàn)狀。

1）火箭發(fā)射次數(shù)明顯增加。根據(jù)公開報道統(tǒng)計，2010-2020 年，全球運載火箭發(fā)射次數(shù)明顯上升。對2011-2015 年、2016-2020 年（ 截 至2020 年9 月10 日）世界各國發(fā)射次數(shù)分別進行統(tǒng)計分析，從世界各國發(fā)射次數(shù)對比看，我國2016-2020 年共完成138 次發(fā)射，較前5 年增長近一倍，位居全球前列。

不同國家發(fā)射次數(shù)對比

2）火箭市場融資規(guī)模持續(xù)擴大。國際商業(yè)火箭市場持續(xù)火熱，隨著多型火箭成功投入商用，融資規(guī)模不斷擴大。例如，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）創(chuàng)立于2002 年，2008 年其獵鷹-1（Falcon-1）火箭首次成功，這期間主要依靠馬斯克個人投資；2008 年至今，隨著后續(xù)型號不斷成功，SpaceX 發(fā)展進入快車道，政府也在政策、技術(shù)、經(jīng)濟上給予支持；隨著火箭成功率持續(xù)增加，資本的注入也給公司注入活力[1]。

3）火箭發(fā)射成功率有所下降。對2011-2015 年、2016-2020 年全球運載火箭發(fā)射數(shù)量和成功率進行了分析，相比2011-2015 年，2016-2020 年（截至2020 年9 月10 日）全球發(fā)射次數(shù)增長的同時，失敗次數(shù)也有所增加；全球發(fā)射成功率降低近1 個百分點；主要原因是部分新火箭投入使用，技術(shù)不成熟致使飛行失利相對偏多。

全球運載火箭發(fā)射數(shù)量和成功率

4）火箭多星發(fā)射任務(wù)逐步增多。隨著小型衛(wèi)星技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)星座計劃的蓬勃發(fā)展，多星發(fā)射任務(wù)逐漸增多。我國運載火箭“一箭多星”發(fā)射記錄為長征六號運載火箭首飛任務(wù)，一次將20 顆衛(wèi)星送入軌道。SpaceX 公司獵鷹-9（Falcon-9）運載火箭已成功完成15 批895 顆“星鏈”（Starlink）衛(wèi)星組網(wǎng)發(fā)射（截至2020 年10 月24 日），一次可將約60 顆互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星送入太空。

5）火箭重復(fù)使用能力提升。當(dāng)前SpaceX 公司的獵鷹-9 火箭和“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭具有實用化的子級重復(fù)使用能力。從回收模塊種類看，獵鷹- 9 火箭已實現(xiàn)一級和整流罩2 種模塊產(chǎn)品的回收，并已成功完成61 次一級回收。從回收后再次實現(xiàn)飛行的次數(shù)看，目前獵鷹- 9 火箭一級重復(fù)使用飛行次數(shù)為6 次（截至2020 年10 月18日），不久有望達到10 次。從回收后再次發(fā)射的時間間隔看，目前一級回收后再次發(fā)射的最短時間為51 天[2]。

獵鷹-9 火箭一級回收

對近年航天領(lǐng)域發(fā)展變化數(shù)據(jù)的分析可以看出，全球運載火箭領(lǐng)域現(xiàn)狀呈現(xiàn)如下特點：①運載火箭發(fā)射次數(shù)顯著增加，發(fā)射市場持續(xù)繁榮；②商業(yè)運載火箭公司逐步發(fā)展壯大，市場競爭更加激烈；③重復(fù)使用運載火箭投入應(yīng)用，創(chuàng)新發(fā)展占得先機。

2 新型運載火箭的特征分析

本文從多種角度對新型運載火箭的特征分析如下：

1）新技術(shù)應(yīng)用。隨著設(shè)計、制造與發(fā)射應(yīng)用方面大量新技術(shù)涌現(xiàn)，運載火箭以實現(xiàn)快速設(shè)計、批量制造、低成本、高可靠、易使用、高安全為產(chǎn)品特征。例如，美國電子號火箭的“盧瑟福”發(fā)動機(Rutherford engines)依靠無刷直流電機和高性能鋰聚合物電池來驅(qū)動推進劑泵，省去了大量復(fù)雜的推進劑管路與閥門、燃氣發(fā)生器等裝置，降低了復(fù)雜度，提高了可靠性，降低了制造成本。美國相對論公司（Relativity Space）計劃使用世界最大的3D 打印系統(tǒng)，即“星際門”（Stargate）金屬3D 打印系統(tǒng)快速制造火箭中至少95%的零件。同時，火箭采用無人值守測試發(fā)射、智能飛行控制等新技術(shù)，火箭測發(fā)控制和飛行更可靠、更安全。具備重復(fù)使用能力，執(zhí)行發(fā)射任務(wù)更經(jīng)濟。

電子號火箭的“盧瑟?！卑l(fā)動機

相對論公司的大型3D 打印機和3D 打印的縮比貯箱樣機

2）市場競爭力。運載能力指標(biāo)不再是火箭市場競爭力的唯一指標(biāo)。在海量衛(wèi)星星座部署等新需求催生下，運載火箭進化形成以產(chǎn)業(yè)化、低成本生產(chǎn)為代表的新能力，進一步向更經(jīng)濟、更靈活、更便捷發(fā)展。新型運載火箭的競爭力體現(xiàn)在綜合指標(biāo)方面，包括可靠性、經(jīng)濟性、快速履約能力、安全性等。火箭的用戶體驗也尤為重要，需能為用戶提供進入空間的整體解決方案，讓飛天旅途更加高效。具體包括：有效載荷力熱環(huán)境條件好、接口適應(yīng)性強、可靈活搭配不同有效載荷，多樣化專車、拼車搭載服務(wù)等。

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法

3）系統(tǒng)工程。傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程需要在前期設(shè)計中暴露盡可能多的風(fēng)險，以降低錯誤成本。這使得很多大型項目在前期設(shè)計上大量地耗費時間和精力，無法快速進入工程實踐。新型運載火箭在研制流程上，需要針對頂層需求提前進行迭代，加快迭代速度。通過采用基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法，完成頂層需求分解與指標(biāo)的閉環(huán)驗證，形成科學(xué)的管理模式，面向技術(shù)、面向產(chǎn)品、面向過程、面向管理，從設(shè)計-生產(chǎn)-操作等不同維度化解風(fēng)險。

4）設(shè)計生產(chǎn)。運載火箭設(shè)計試驗方面逐步實現(xiàn)數(shù)字化，充分發(fā)揮仿真試驗在研制過程中的預(yù)示作用；生產(chǎn)方面推進“智慧工廠”建設(shè)，優(yōu)化總裝、測試流程，構(gòu)建流水化“脈動式”生產(chǎn)線，提升火箭生產(chǎn)效率。

5）高性能動力。運載火箭發(fā)動機的推力、大面積比可延伸噴管、深度節(jié)流、高能/無毒推進劑等技術(shù)或指標(biāo)方面獲得突破，發(fā)動機的比沖、推質(zhì)比等關(guān)鍵指標(biāo)技術(shù)水平實現(xiàn)升級，火箭運載效率、使用維護性能、智能化水平和上面級軌道轉(zhuǎn)移效率等頂層指標(biāo)大幅提升。

綜上，新型運載火箭的特征具體體現(xiàn)在以下幾個方面：①重復(fù)使用是新型運載火箭的顯著特征；②快捷生產(chǎn)制造提升新型運載火箭的市場競爭力；③智慧化是新型運載火箭的發(fā)展方向；④高性能動力為新型運載火箭提供有力支撐。

航天分布式協(xié)同生產(chǎn)制造

3 我國新型運載火箭發(fā)展的技術(shù)路線

依照新型運載火箭的總體特征，我國新型運載火箭可按如下技術(shù)路線發(fā)展：

1）重復(fù)使用技術(shù)路線。子級模塊或重要部段采用重復(fù)使用技術(shù)是提升火箭市場競爭力的有力手段。我國運載火箭將根據(jù)重復(fù)使用運載火箭技術(shù)特點，按照逐步驗證、重點突破的發(fā)展策略，通過演示驗證飛行，突破落回GNC 技術(shù)、主發(fā)動機多次點火啟動技術(shù)、主發(fā)動機推力調(diào)節(jié)技術(shù)、落回著陸機構(gòu)技術(shù)、柵格舵控制技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)，最終實現(xiàn)運載火箭的低成本重復(fù)使用。

2）智慧化技術(shù)路線。人工智能的迅速發(fā)展已經(jīng)深刻改變世界，在圖像識別、自動駕駛、工業(yè)控制、醫(yī)療健康等領(lǐng)域均已有成熟應(yīng)用。推動航天技術(shù)與人工智能深度融合，圍繞設(shè)計與驗證、生產(chǎn)與制造、測試與發(fā)射、飛行與評估4 個頂層需求能夠推進運載火箭智慧化發(fā)展；重點針對智能飛行與評估，通過頂層故障適應(yīng)性設(shè)計，實現(xiàn)故障檢測、隔離和處置，最大程度消除和降低單個產(chǎn)品失效對飛行任務(wù)的影響，實現(xiàn)飛行故障情況下的正常入軌或者進入救援軌道，確保由基于偏差設(shè)計向基于故障設(shè)計的研制模式跨越。

3）快捷生產(chǎn)制造技術(shù)路線。加強運載火箭生產(chǎn)制造過程中的單元化、自動化、數(shù)字化、信息化建設(shè)，打造多類型優(yōu)化組合的航天產(chǎn)品生產(chǎn)線，提升組批能力；通過建設(shè)分布式協(xié)同生產(chǎn)模式，構(gòu)建全三維數(shù)字化制造能力以及新材料的加工能力，實現(xiàn)敏捷制造、精益生產(chǎn)；同時建立總裝脈動生產(chǎn)線，從設(shè)計信息、裝配指令、物流管理等方面實現(xiàn)無紙化管理，物流系統(tǒng)實現(xiàn)大批量、多站位、高聯(lián)動。

4）高性能動力技術(shù)路線。發(fā)展高性能動力技術(shù)，未來運載火箭發(fā)動機應(yīng)具備深度節(jié)流和故障自我診斷功能，以適應(yīng)多種工況的需求；發(fā)動機需具備多次啟動能力，為可重復(fù)使用火箭奠定基礎(chǔ)。目前，大推力發(fā)動機、大面積比可延伸噴管、深度節(jié)流、高能/無毒推進劑等先進技術(shù)已經(jīng)取得突破，發(fā)動機的比沖、推質(zhì)比等關(guān)鍵指標(biāo)技術(shù)水平的升級，將大幅提升我國運載火箭的任務(wù)能力。

4 我國新型運載火箭發(fā)展的實施建議

為研制世界一流運載火箭，支撐我國航天強國建設(shè)。我國新型運載火箭具體需在型號產(chǎn)品、專業(yè)技術(shù)、研制手段、組織管理等方面實現(xiàn)升級與突破。

型號產(chǎn)品

運載火箭應(yīng)重點從“能力強、效益高、領(lǐng)域廣”三個方向推進發(fā)展，逐步實現(xiàn)由陸基發(fā)射，向空基發(fā)射及天基組裝發(fā)射等方式轉(zhuǎn)變，并由一次性使用，向部分重復(fù)及天地往返可重復(fù)使用發(fā)展。

1）能力強。開展并完成新一代載人火箭研制，以發(fā)射載人飛船和月面著陸器進行載人登月關(guān)鍵技術(shù)的先期驗證；推動重型運載火箭立項研制，支撐月球空間站、月球基地建設(shè)、火星采樣及各種深空探測任務(wù)實施。

2）效益高。針對星座組網(wǎng)和衛(wèi)星發(fā)射，基于“模塊化、組合化、系列化”的理念，構(gòu)建能力梯度合理、研產(chǎn)布局優(yōu)化、適于大規(guī)模制造與發(fā)射的新一代中型運載火箭系列，通過版本演進，在滿足型號發(fā)射任務(wù)的同時，開展新技術(shù)驗證和應(yīng)用，推動技術(shù)的更新?lián)Q代，真正具備國際市場競爭力。

3）領(lǐng)域廣。推進運載火箭快速響應(yīng)發(fā)射技術(shù)體系建設(shè)，全面實現(xiàn)快速響應(yīng)固體火箭的工程化應(yīng)用，兼顧不同用戶的發(fā)射需求；開展運載火箭海上發(fā)射技術(shù)研究，在海上按照“小步快跑、先固后液、先小后大”的思路，完成海上發(fā)射體系建設(shè)；由于空射運載火箭具有發(fā)射窗口靈活、射向選擇范圍寬、殘骸落區(qū)限制小等優(yōu)勢，可執(zhí)行快速機動等多種任務(wù)，應(yīng)開展運載火箭空中發(fā)射技術(shù)研究，形成運載火箭的空射能力。

專業(yè)技術(shù)

專業(yè)技術(shù)是新型運載火箭發(fā)展的內(nèi)核根本，支撐實現(xiàn)運載火箭朝著“更智能、更安全、更便捷、更高效、更經(jīng)濟”的方向發(fā)展。

1）更智能。采用智能飛行與評估技術(shù)，實現(xiàn)箭上在線彈道規(guī)劃，故障發(fā)生時根據(jù)任務(wù)評估結(jié)果，對于仍能完成的任務(wù)可在線生成新的優(yōu)化彈道；采用故障診斷和在線控制重構(gòu)技術(shù)，在系統(tǒng)發(fā)生故障后，能夠根據(jù)故障診斷結(jié)果、風(fēng)險評估結(jié)果和當(dāng)前飛行狀態(tài)，實現(xiàn)控制參數(shù)在線重構(gòu)和在線控制力動態(tài)分配。

2）更安全。采用落區(qū)控制技術(shù)，實現(xiàn)殘骸落點的精確控制，大幅提升落區(qū)安全性；實施連接器自動對接等技術(shù)，實現(xiàn)加注和泄出無人值守，大幅提升測發(fā)安全性；用智能機器人技術(shù)在危險操作和環(huán)境惡劣崗位替代人工操作。

3）更便捷。采用狀態(tài)參數(shù)遠程監(jiān)控等技術(shù)，利用實時信息傳輸，實現(xiàn)遠程發(fā)射支持；利用高碼率天基測控等技術(shù)，取消測量船，降低任務(wù)保障成本；采用電氣一體化設(shè)計，基于網(wǎng)絡(luò)化綜合技術(shù)，強化箭上能源管理，箭地一體化測控，通過箭上設(shè)備自主測試實現(xiàn)地面測發(fā)的一鍵操作；應(yīng)用先進無線技術(shù)，廣泛使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)、無線供電、無線測試，實現(xiàn)箭地、箭上測量無纜化，簡化操作。

4）更高效。采用載荷精細化設(shè)計等技術(shù)，提升設(shè)計水平，釋放設(shè)計余量，進一步提升運載效率；應(yīng)用高強合金和復(fù)合材料技術(shù)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化設(shè)計；發(fā)展高性能動力技術(shù)，提高發(fā)動機的比沖和推質(zhì)比，發(fā)動機具備深度節(jié)流和故障自我診斷功能，適應(yīng)多種工況的需求；采用集成流體系統(tǒng)技術(shù)（IVF），降低結(jié)構(gòu)重量，延長在軌時間，縮短測試周期，提升上面級使用性能。

5）更經(jīng)濟。采用增材制造、沖壓一次成型等技術(shù)，降低產(chǎn)品的制造難度，實現(xiàn)產(chǎn)品化生產(chǎn)，降低運載火箭的生產(chǎn)成本；實施綜合電子技術(shù)，從功能上進行優(yōu)化和融合，減少設(shè)備數(shù)量和重量，降低運載火箭的產(chǎn)品成本；應(yīng)用可重復(fù)使用技術(shù)，實現(xiàn)核心關(guān)鍵器件的重復(fù)使用，降低運載火箭使用成本。

沖壓一次成型火箭貯箱結(jié)構(gòu)件

研制手段

以科技創(chuàng)新為驅(qū)動力，統(tǒng)籌產(chǎn)品全過程、全壽命期服務(wù)保障，建設(shè)高效、智能、協(xié)調(diào)、集約的運載火箭研制體系，提升研制工作的效益、效率和效能。

組織管理

以卓越管理為核心，推動卓越績效模式向產(chǎn)品管理體系和技術(shù)管理體系延伸，形成產(chǎn)品、技術(shù)、管理三大創(chuàng)新體系。質(zhì)量是工作的底線，以崗位設(shè)計規(guī)范化和產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)信息化為目標(biāo)，建立一體化質(zhì)量管理體系，推進研制生產(chǎn)流程精細化再造。

5 結(jié)束語

“探索浩瀚宇宙、發(fā)展航天事業(yè)、建設(shè)航天強國，是我們不懈追求的航天夢?！蓖ㄟ^不懈奮斗，我國一定能夠建設(shè)能力更大、覆蓋更全、方式更多樣的世界一流運載火箭，滿足近地軌道自由進出，月球、火星等天體的載人探測和更遠的星際探索任務(wù)需求。新型運載火箭的發(fā)展必將支撐我國進入世界航天強國行列，在人類歷史的長河中熠熠生輝！