下一代航天發(fā)射系統(tǒng)體系架構研究

同 江，劉 陽，劉 鷹，楊 強

（北京跟蹤與通信技術研究所，北京，100094）

0 引 言

隨著中國戰(zhàn)略利益向空間的不斷拓展，航天技術發(fā)展和產(chǎn)品研發(fā)速度明顯加快。特別是進入“十三五”以來，隨著“探月三期”、“全球衛(wèi)星導航”等重大專項工程的全面展開實施，高密度發(fā)射問題日益突出。2018 年，中國共完成39 次航天發(fā)射任務（其中，西昌發(fā)射場 17 次，酒泉發(fā)射場16 次，太原發(fā)射場6 次），成功 38 次，失利1 次，雖然總發(fā)射數(shù)量占全球航天發(fā)射總數(shù)的34.21%，首次超越美國和俄羅斯，排名世界第一，但是與美國、俄羅斯等航天強國的航天發(fā)射系統(tǒng)之間還存在較大差距，如火箭在發(fā)射場的測發(fā)周期較長，流程優(yōu)化程度不夠高；地面設備通用化程度低；發(fā)射場發(fā)射區(qū)設施不夠簡化，前端操作人員多；發(fā)射經(jīng)濟性較差等。

目前，中國正處于新老火箭更新替代的關鍵時刻，亟需構建中國下一代航天發(fā)射系統(tǒng)體系架構，規(guī)劃指導下一代航天發(fā)射系統(tǒng)的建設，進而更好地滿足新時期航天發(fā)射任務的需求。

1 國外先進航天發(fā)射系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

航天發(fā)射場作為航天工程的重要組成部分，其建設深受世界各航天大國重視。到目前為止，世界各航天大國相繼建成了各具特色的航天發(fā)射場，專供發(fā)射各種衛(wèi)星、空間站、載人飛船及航天飛機等使用。隨著各種高性能、多用途、大推力的運載火箭和各類商用與太空開發(fā)航天器的出現(xiàn)和廣泛應用，各具特色的新型航天發(fā)射場系統(tǒng)開始出現(xiàn)。目前世界上主要航天發(fā)射場有15 個，除中國外，其他主要分布在美國、俄羅斯、法國、日本、印度等[1]。

1.1 美 國

美國主要的航天發(fā)射中心有3 個：卡納維拉爾角空軍基地、肯尼迪航天中心和范登堡空軍基地。

卡納維拉爾角空軍基地：主要執(zhí)行軌道傾角小于60°的近地軌道（Low Earth Orbit，LEO）和地球同步轉(zhuǎn)移軌道（Geostationary Transfer Orbit，GTO）衛(wèi)星發(fā)射任務。到目前為止，有4 個發(fā)射工位在用，其中：17 號工位用于發(fā)射德爾塔2 號；改造后的37 號和41號工位用于發(fā)射德爾塔4 號和宇宙神5 號，采用三垂測發(fā)模式，其中37 號工位年發(fā)射能力約15～18 發(fā)，41 號工位年發(fā)射能力約10～12 發(fā)；40 號工位用于發(fā)射獵鷹9 號火箭，采用三平測發(fā)模式；46 號工位將被佛羅里達州當局保留作為未來航天發(fā)射場。

肯尼迪航天中心：目前中心只有39A 發(fā)射工位正在使用，由NASA 租給SpaceX 公司進行獵鷹9 號和獵鷹重型火箭的發(fā)射任務，采用三平測發(fā)模式和遠距離測發(fā)控方式。此外，肯尼迪航天中心現(xiàn)在還在進行39B 發(fā)射工位的重建工作，39B 未來將會用于執(zhí)行NASA 的太空發(fā)射系統(tǒng)SLS 重型火箭的發(fā)射任務，采用三垂測發(fā)模式。

范登堡空軍基地：主要發(fā)射傾角在66～145°的各種軍用和極軌道衛(wèi)星。目前，該發(fā)射場可滿足德爾塔2 號、德爾塔4 號、宇宙神5 號、獵鷹9 號和獵鷹9

重型運載火箭的測試發(fā)射需求，具備太陽同步軌道（Sun-synchronous Orbit，SSO）和LEO 軌道衛(wèi)星的發(fā)射能力，年發(fā)射能力約15～18 發(fā)。

1.2 俄羅斯

俄羅斯在用的航天發(fā)射場主要有3 個：拜科努爾航天發(fā)射場、東方航天發(fā)射場和普列謝茨克發(fā)射場，運載火箭均采用三平測發(fā)模式。

拜科努爾航天發(fā)射場：主要發(fā)射傾角在52～65°的各種不同用途的衛(wèi)星、載人和不載人飛船、星際探測器和空間站。目前，該發(fā)射場可滿足聯(lián)盟號、質(zhì)子號和天頂號火箭的測試發(fā)射需求。

東方航天發(fā)射場：該發(fā)射場是在已經(jīng)關閉的斯沃博德內(nèi)航天發(fā)射場的基礎上改造建設而成的現(xiàn)代化航天發(fā)射中心。目前該發(fā)射場已經(jīng)具備聯(lián)盟2 運載火箭發(fā)射能力，用于承擔現(xiàn)階段及未來空間通信、遙感、地球基礎科學飛行器的發(fā)射任務。2025 年左右具備安加拉火箭和新一代載人及載貨運載火箭發(fā)射能力；2030 年左右具備一子級可重復使用運載器系統(tǒng)和超重型火箭發(fā)射能力[2]。

普列謝茨克發(fā)射場：該發(fā)射場擁有可發(fā)射所有小型及中型運載火箭的陣地設施和發(fā)射系統(tǒng)，可發(fā)射聯(lián)盟號、閃電號、天頂號、宇宙神、安加拉等系列運載火箭，主要用于發(fā)射具有大傾角的極軌衛(wèi)星。

1.3 歐 洲

圭亞那航天中心具備聯(lián)盟-STA/STB 號、阿里安系列、織女星號等運載火箭的測試發(fā)射能力，液體火箭以采用三平測發(fā)模式為主，LEO 最大運載能力21 t，GTO 最大運載能力12 t[3]，主要用于執(zhí)行科學衛(wèi)星、應用衛(wèi)星和探空火箭的發(fā)射任務。

1.4 發(fā)展特點及趨勢

國外先進航天發(fā)射系統(tǒng)具有以下幾個特點：積極推進運載火箭型譜化、系列化、通用化發(fā)展；開展發(fā)射場系統(tǒng)新建改造，不斷增強測試發(fā)射能力；注重發(fā)展改進測發(fā)流程，不斷提高測試發(fā)射效率；研究應用先進技術，提高測試發(fā)射安全可靠性；加強生態(tài)環(huán)境保護與安全防護，不斷推動可持續(xù)發(fā)展。

發(fā)展趨勢：系統(tǒng)發(fā)展以滿足軍事航天和國家重大專項需求為主體牽引；發(fā)射方式以多樣化空間進入能力為發(fā)展方向；測發(fā)模式向整體測試運輸和遠距離測發(fā)控發(fā)展；發(fā)射組織指揮以扁平化和一體化為發(fā)展方向；測試發(fā)射技術以智能化和信息化為發(fā)展方向；系統(tǒng)建設以集約化和生態(tài)化為發(fā)展方向。

2 中國航天發(fā)射系統(tǒng)發(fā)展歷程及主要差距

2.1 中國航天發(fā)射系統(tǒng)發(fā)展歷程

經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，中國現(xiàn)已建成了符合中國國情、布局相對合理、設施基本完善、功能比較齊全的酒泉、太原、西昌、文昌4 個大型航天發(fā)射場，航天測試發(fā)射技術也取得了較好的發(fā)展，基本滿足了當前軍用、民用系列衛(wèi)星和載人航天等發(fā)射任務需要。除去初期的導彈試驗階段，中國航天發(fā)射系統(tǒng)主要經(jīng)歷了2 個階段：

第1 階段：20 世紀70 年代初～90 年代末。先后組建酒泉、太原、西昌發(fā)射場，具備CZ-2/C/D/E、CZ-3A系列、CZ-4B 火箭發(fā)射能力，近地軌道和中高軌道發(fā)射能力逐漸增強。采用兩平兩垂測發(fā)模式和近距離測發(fā)控方式。

第2 階段：20 世紀90 年代末～至今。先后建成酒泉載人航天發(fā)射工位、海南文昌航天發(fā)射場等，4 個發(fā)射場的新型戰(zhàn)略格局初步形成，近地軌道和中高軌道航天發(fā)射體系顯著增強；三垂測發(fā)模式及遠距離測發(fā)控方式得到推廣運用，三平測發(fā)模式也在小型運載火箭發(fā)射中開展了初步應用，年綜合發(fā)射能力達到30 發(fā)以上。實現(xiàn)了CZ-6、CZ-11、CZ-5、CZ-7 等新一代運載火箭的成功首飛。

2.2 主要差距與不足

對標美國、俄羅斯、歐洲等世界一流航天發(fā)射系統(tǒng)，中國目前航天發(fā)射系統(tǒng)主要存在以下不足，突出體現(xiàn)在：發(fā)射信息化、自動化程度較低；測發(fā)模式與流程有待進一步優(yōu)化；測發(fā)理論與技術創(chuàng)新程度不夠；地面測發(fā)控設備布局分散，型號間不統(tǒng)型；工位設施龐大繁雜，前端人員多、射前工作多；加注時間長，箭地自動對接脫落、牽制釋放尚未實現(xiàn)；超大流量低溫貯運、加注還待突破，地面設施設備綜合保障能力較弱，基于信息化手段的全生命運維管理還需加強。

3 下一代航天發(fā)射系統(tǒng)體系架構研究

下一代航天發(fā)射系統(tǒng)，以實現(xiàn)世界一流先進航天發(fā)射系統(tǒng)為頂層目標，準確把握繼承發(fā)展與創(chuàng)新發(fā)展的關系，體現(xiàn)先進技術的發(fā)展方向，實現(xiàn)整個系統(tǒng)完整性和開放性的合理統(tǒng)一，以系統(tǒng)建設體系化、設施設備標準化、測試發(fā)射智能化、技術保障集約化和人機環(huán)境友好化為途徑[5]，加快實現(xiàn)測試發(fā)射高效安全、技術體系先進科學、使用成本低廉合理為目標，顯著提升中國進入空間的能力。

3.1 需求分析

a）從任務需求牽引向能力需求牽引轉(zhuǎn)換。

以往中國航天發(fā)射任務大都是科研試驗任務，發(fā)射場系統(tǒng)作為工程總體5 大系統(tǒng)之一，主要為配合火箭系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)完成在發(fā)射場測試發(fā)射工作提供測發(fā)、測控、通信、勤務保障等條件。發(fā)射場系統(tǒng)的建設基本都是以任務和型號為牽引，地面測發(fā)控和發(fā)射支持設備都有著明顯的型號背景，互相之間不通用，保障難度大。下一代航天發(fā)射系統(tǒng)規(guī)劃建設要從能力需求出發(fā)，統(tǒng)籌規(guī)劃，合理布局，地面設施設備、地面測發(fā)控和發(fā)射支持設備等都要去任務化，實現(xiàn)真正意義上的通用化、智能化和一體化。

b）從功能上滿足向技術上先進轉(zhuǎn)換。

經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，航天發(fā)射系統(tǒng)取得了長足進步，但是大多仍停留在滿足任務要求的及格線上，先進技術的應用還比較慢，再加上受衛(wèi)星和運載自身條件的限制，對發(fā)射場系統(tǒng)提出了較為苛刻的要求，更加制約了航天發(fā)射系統(tǒng)自身的發(fā)展。下一代航天發(fā)射系統(tǒng)建設要加快推進新型測發(fā)模式與流程、智能測發(fā)控、運載火箭發(fā)射場長儲、大型發(fā)射臺與牽制釋放、箭地自動對接脫落、箭地一體化測試發(fā)射、超大流量低溫加注和制備、射前無人值守等關鍵技術研究與應用，不斷提升航天發(fā)射系統(tǒng)的技術先進性，緊跟世界一流航天發(fā)射系統(tǒng)步伐。

c）從各系統(tǒng)獨立設計向星、箭、發(fā)射場一體化設計轉(zhuǎn)換。

先進的航天發(fā)射系統(tǒng)，僅僅依靠發(fā)射場系統(tǒng)自身的發(fā)展是遠遠不夠的，因為衛(wèi)星、運載火箭和發(fā)射場系統(tǒng)是一個有機的整體，互相之間均有接口，技術要求上互相制約，因此要聯(lián)合衛(wèi)星、運載火箭一起協(xié)調(diào)發(fā)展，充分開展星箭地，尤其是箭地一體化設計，相互促進，相互提高，從而達到一個新的高度。

3.2 發(fā)射體系

綜合近年有關研究，2030 年前及更長遠一段時期中國航天發(fā)射體系將由常態(tài)發(fā)射、快速發(fā)射和重復使用發(fā)射3 部分組成[4]。

3.3 技術體系

發(fā)射場總體技術能力方面：具備多任務并行分析規(guī)劃技術、基于VR 和AR 的測發(fā)流程仿真推演與優(yōu)化技術、綜合安全設計與分析評估技術；箭地一體化發(fā)射總體技術；星地、箭地機械接口、電氣接口、信息接口和人機接口的標準化技術；人工智能技術得到逐步應用；實現(xiàn)火箭推進劑加注開始無人值守技術等。

測發(fā)控技術能力方面：箭地接口更加優(yōu)化、規(guī)范，測發(fā)控系統(tǒng)設計更加先進，通用化程度不斷提高，智能操作初步實現(xiàn)，測試發(fā)射效率得到很大提高；大數(shù)據(jù)、云計算等先進信息技術得到初步應用；具備火箭自動檢測，故障快速診斷、可靠隔離和狀態(tài)自主健康管理的能力。

發(fā)射支持技術能力方面：實現(xiàn)重、大、中型運載整體組裝和轉(zhuǎn)運，運輸平臺實現(xiàn)高可靠、自保障和耐使用；大噸位牽制釋放技術取得突破性進展；實現(xiàn)連接器自動對接零秒脫落、超大流量超低溫多推進劑快速并行加注、大流量導流噴水冷卻降噪技術等。

3.4 設施設備體系

打破傳統(tǒng)按照技術區(qū)、發(fā)射區(qū)劃分的方式，突出設備、系統(tǒng)在設施設備體系中的位置，弱化廠房、設施在設施設備體系中的比重。融合迅捷的發(fā)射指控，統(tǒng)型智能的測試發(fā)控、無人化規(guī)范化的發(fā)射支持、物聯(lián)化全壽命的運維保障。

3.5 運用方式

由以場區(qū)為基礎的計劃型、分散運用向以能力為基礎的快響型、聯(lián)合運用轉(zhuǎn)變；由以設備設施功能保障為主導向以智能化、精細化、標準化服務保障為主導轉(zhuǎn)變；實現(xiàn)航天發(fā)射能力的全維發(fā)展、平臺的全域覆蓋、效能的全譜增強、任務的全向支持；新老火箭發(fā)射能力更新替代基本完成；具備按需發(fā)射、確保進入能力。

測發(fā)模式進一步豐富優(yōu)化，短距新“三垂”、“三平”測發(fā)模式在重型和大中型火箭成功應用；大中型火箭測發(fā)周期縮短至15 天以內(nèi)。

以接口規(guī)范簡化、發(fā)射無人值守為突出特點的新型發(fā)射能力廣泛應用；操作無人化、測試智能化、保障通用化廣泛應用，基本實現(xiàn)一個工位、一套系統(tǒng)。

發(fā)射區(qū)實現(xiàn)無塔或簡易塔發(fā)射，連接器自動對接（零秒）脫落、超大流量加注、大流量高壓實時供氣和高效率氦氣回收提純等。

3.6 發(fā)展模式

按照統(tǒng)戰(zhàn)略規(guī)劃、統(tǒng)組織管理、統(tǒng)標準體系、統(tǒng)運行機制，融合需求、融合資源、融合技術、融合人才的總體思路，推進航天發(fā)射軍民融合示范工程。

轉(zhuǎn)變單一依靠工程任務、火箭型號牽引發(fā)射系統(tǒng)發(fā)展的被動模式，以先進測試、先進發(fā)射和集約規(guī)范、高效保障為關鍵支撐，引導運載火箭包括商業(yè)火箭的研制發(fā)展。

4 結(jié)束語

目前，中國航天事業(yè)正處在趕超國外航天強國的重大戰(zhàn)略機遇期，又面臨著新老運載火箭更新替代的重要發(fā)展階段，本文重點從需求分析、發(fā)射體系、技術體系、設施設備體系、運用方式和發(fā)展模式6 個方面，針對中國下一代航天發(fā)射系統(tǒng)的體系架構開展了研究，成果將對目前正在開展的新一代中型運載火箭發(fā)射配套設施設備建設和下一步開展的新一代載人運載火箭和重型運載火箭工程發(fā)射場系統(tǒng)總體論證具有重要意義。