發(fā)射運輸系統(tǒng)頂層規(guī)劃設(shè)計與對策建議

□朱雄峰 程洪瑋 劉 陽 雍子豪 王一杉 周城宏

目前我國發(fā)射運輸系統(tǒng)的歸口單位或主責(zé)單位眾多，并隨著商業(yè)航天的蓬勃興起而致研制單位眾多[1]。由于缺少高效的溝通交流機制，發(fā)射運輸系統(tǒng)目前頂層規(guī)劃方面存在政出多門、型譜不統(tǒng)一、對話環(huán)境不一致等問題，規(guī)劃與規(guī)劃之間的交互往往需要進行“編碼”和“解碼”，大大阻礙了行業(yè)的發(fā)展進程，為此有必要統(tǒng)一技術(shù)發(fā)展頂層規(guī)劃。本文著眼體系、規(guī)格和劃代三個頂層規(guī)劃急需統(tǒng)一的問題，提出構(gòu)建全國“一張體系(發(fā)射運輸系統(tǒng)體系構(gòu)成)”“一個規(guī)格(發(fā)射運輸系統(tǒng)規(guī)格劃分)”“一種劃代(發(fā)射運輸系統(tǒng)劃代標(biāo)準(zhǔn))”，為我國發(fā)射運輸系統(tǒng)主責(zé)單位、研制單位和使用單位提供統(tǒng)一對話環(huán)境，支撐發(fā)射運輸系統(tǒng)軟環(huán)境建設(shè)。

一、發(fā)射運輸系統(tǒng)的體系構(gòu)成

(一)總體考慮。發(fā)射運輸系統(tǒng)主要用于將航天器、人員或物資投送到指定空間，通常包括運載火箭、天地往返飛行器等。綜合而言，本文將發(fā)射運輸系統(tǒng)劃分為常態(tài)進入空間、快速進入空間、軌道轉(zhuǎn)移部署、天地往返運輸、遠程跨域投送五位一體的體系。

(二)體系構(gòu)成。

1.常態(tài)進入空間。是指主要利用中大型固體或液體運載火箭，按照既定的發(fā)射計劃，以陸基大型固定發(fā)射為主要樣式，其他發(fā)射樣式為補充，常態(tài)化地將各類航天器投送至指定軌道。按照系統(tǒng)分類，可進一步分為中大型固體運載火箭和中大型液體運載火箭。

2.快速進入空間。是指主要利用小型固體或液體運載火箭，按照快速制定的發(fā)射方案，以公路機動發(fā)射為主要樣式，?；?、空基發(fā)射等其他發(fā)射等其他樣式為補充，及時高效將小型航天器送入軌道。按照系統(tǒng)分類，可進一步分為小型陸基發(fā)射運載火箭、空基發(fā)射運載火箭和?；l(fā)射運載火箭等。

3.軌道轉(zhuǎn)移部署。是指主要利用運載火箭上面級或軌道轉(zhuǎn)移飛行器，以多星發(fā)射軌道轉(zhuǎn)移部署為主要樣式，快速機動變軌樣式為補充，完成航天器從地面至空間或空間至空間的軌道機動和部署。按照系統(tǒng)分類，可進一步分為運載火箭上面級和軌道轉(zhuǎn)移飛行器等。

4.天地往返運輸。是指主要利用重復(fù)使用運載火箭或組合動力飛行器，以垂直發(fā)射垂直返回、垂直發(fā)射水平返回、水平發(fā)射水平返回為主要樣式，將各類航天器投送到指定軌道，同時可將指定軌道的航天器離軌返回地面。按照系統(tǒng)分類，可進一步分為火箭動力天地往返運輸系統(tǒng)和組合動力天地往返運輸系統(tǒng)等。

5.遠程跨域投送。是指主要利用亞軌道飛行器，以垂直發(fā)射垂直返回、垂直發(fā)射水平返回、水平發(fā)射水平返回為主要樣式，將各類物資從地面投送空間或從地面投送至地面。按照系統(tǒng)分類，可進一步分為火箭動力遠程跨域投送系統(tǒng)和組合動力遠程跨域投送系統(tǒng)等。

二、發(fā)射運輸系統(tǒng)的規(guī)格劃分

(一)總體考慮。根據(jù)近年來運載火箭的研制進展，中型主力火箭的運載能力有增加趨勢(如作為主力火箭的Falcon 9運載能力LEO 22.8t)，同時國際上對重型火箭的運載能力認識趨于統(tǒng)一(LEO≥100t)，對新出現(xiàn)Falcon 9H火箭(LEO 63.8t)等既不能歸類于重型火箭，也不合適歸類于大型火箭，因此本文新設(shè)超大型火箭。綜合而言，本文將運載火箭規(guī)格劃分為小型、中型、大型、超大型和重型火箭，同時由于其他運輸系統(tǒng)，如天地往返運輸系統(tǒng)、遠程跨域投送系統(tǒng)等目前型號研制尚在起步過程，現(xiàn)階段規(guī)格劃分參照運載火箭的規(guī)格劃分。

(二)規(guī)格劃分。

1.小型運載火箭。是指近地軌道運載能力4t以下的運載火箭，具有集成度高、快速發(fā)射能力強等特點，通常以固體運載火箭為主。國外主要型號包括Minotaur(LEO 0.34t)、Pegasus(LEO 0.44t)、Rokot、Kosmos(LEO 0.3t)、Vega(LEO2.3t)；我國主要型號包括CZ-11、KZ-1A等(LEO<1t)。

2.中型運載火箭。是指近地軌道運載能力4～25t，具有綜合性能和綜合效費比高、通用適配能力強等優(yōu)點，發(fā)射數(shù)量占比高，因此往往也稱為中型主力運載火箭，通常以液體運載火箭為主、固體運載火箭為輔。國外主要型號包括Delta Ⅳ(LEO 9～22t)、Atlas V(LEO 9～19t)、Falcon 9(LEO 22.8t)、Antares(LEO 5.5t)、Soyuz(LEO 7.2～8.2t)、Proton(LEO 19.76～23.0t)、Zenit(LEO～13.92t)；我國主要型號包括CZ-2/3/4/7/8等，運載能力(LEO<14t)。

3.大型運載火箭。是指近地軌道運載能力25～50t，具有單次投送能力強、整流罩包絡(luò)大，可用于發(fā)射大型異構(gòu)載荷，也可用于一箭多星批量發(fā)射，通常以液體運載火箭為主。國外主要型號包括Delta ⅣH(LEO28.3t)；我國主要型號包括CZ-5系列火箭，運載能力(LEO25t)。

4.超大型運載火箭。是指近地軌道運載能力50～100t，此類型運載火箭重點面向載人航天和深空探測等任務(wù)，專用型相對較強，通常以液體運載火箭為主。國外主要型號包括Falcon 9H(LEO 63.8t)；我國主要型號包括正在研制過程中的新載人火箭，運載能力(LEO>50t)。

5.重型運載火箭。是指近地軌道運載能力100t以上，此類型運載火箭重點面向載人深空探測、大規(guī)?？臻g開發(fā)等，專用性相對較強，通常以液體運載火箭為主。

我國中型主力運載能力LEO 14t(CZ-7)，對比美國中型主力運載能力LEO 22.8t(Falcon)；我國大型運載能力LEO 25t(CZ-5B)，美國大型運載能力LEO 28.3t(Delta ⅣH)；美國超大型運載能力LEO 63.8t(Falcon 9H)，我國在該領(lǐng)域尚屬空白；重型運載火箭均在論證或研制過程中。運載能力是衡量一個國家進入空間能力的最重要指標(biāo)，上述對比可以看出，我國與航天強國美國在各種規(guī)格的運載能力上仍有一定的差距，有待進一步發(fā)展和提升。

三、發(fā)射運輸系統(tǒng)的劃代標(biāo)準(zhǔn)

(一)總體考慮。系統(tǒng)劃代將發(fā)射運輸系統(tǒng)按照一定的技術(shù)指標(biāo)、發(fā)展脈絡(luò)和發(fā)展規(guī)律進行代際劃分，可為理論和工程界提供統(tǒng)一的對話標(biāo)準(zhǔn)。本文[2～3]按照聚類分析方法并結(jié)合指標(biāo)評分法，將我國現(xiàn)役運載火箭分為四代，并前瞻考慮未來第五代和第六代運載火箭。綜合而言，本文考慮發(fā)射運輸系統(tǒng)的綜合性能、綜合效費比、可靠性和安全性、環(huán)境適應(yīng)性、使用維護性等方面進行劃分，將發(fā)射運輸系統(tǒng)分為五代。

(二)劃代標(biāo)準(zhǔn)。

1.第一代發(fā)射運輸系統(tǒng)。從戰(zhàn)略武器型號改進而來，重點解決運載火箭有無問題，運載能力、入軌精度等總體性能較低，使用維護性差，發(fā)射場測發(fā)周期長，采用模擬控制系統(tǒng)，產(chǎn)品性能較低。國外典型型號包括美國的Juno、Thor、Titan等運載火箭；俄羅斯(含前蘇聯(lián))的Sputnik、Luna、Vostok等運載火箭；我國典型型號包括CZ-1、FB-1等運載火箭。

2.第二代發(fā)射運輸系統(tǒng)。繼承了戰(zhàn)略武器型號技術(shù)并進行了技術(shù)改進，采用了數(shù)字控制系統(tǒng)，在綜合性能、綜合效費比、可靠性等方面有較大提升。國外典型型號包括美國的Delta 2000、Delta 3000、Delta Ⅱ等運載火箭；俄羅斯(含前蘇聯(lián))的Soyuz、Kosmos、Tsklon、Proton等運載火箭；我國典型型號包括CZ-2/3/4系列運載火箭。

3.第三代發(fā)射運輸系統(tǒng)。采用全新的動力系統(tǒng)，通常是無毒無污染的先進動力系統(tǒng)，采用全箭統(tǒng)一總線技術(shù)和先進電氣設(shè)備，運載能力和運載效率得到了大幅提升。國外典型型號包括美國的Delta Ⅳ、Atlas V、Antares、SLS等運載火箭；俄羅斯的Zenit、Angara等運載火箭；我國典型型號包括CZ-5/6/7/8系列運載火箭。

4.第四代發(fā)射運輸系統(tǒng)。采用多次啟動重復(fù)使用發(fā)動機、發(fā)動機推力深度調(diào)節(jié)、多次啟動、輕質(zhì)高強材料等，同時采用智能化控制技術(shù)，具備多次重復(fù)使用能力，運載能力和運載效率大幅提升，發(fā)射成本大幅降低。國外的典型型號包括美國的Falcon 9/9H、SuperHeavy-Starship(在研)、New Green(在研)等運載火箭；俄羅斯的Amur(在研)等重復(fù)使用運載火箭；我國目前尚無工程化型號。

5.第五代發(fā)射運輸系統(tǒng)。采用吸氣組合動力發(fā)動機，如RBCC、TBCC、SABRE發(fā)動機等，可在大氣層、臨近空間和太空多域最優(yōu)適應(yīng)，實現(xiàn)跨域飛行，通常采用水平起降方式可最終實現(xiàn)單級入軌，該代發(fā)射運輸系統(tǒng)是實現(xiàn)航班式進入太空的有效手段。國外典型型號包括應(yīng)該SKYLON(在研)等發(fā)射運輸系統(tǒng)；國內(nèi)尚無工程化型號，主要在開展組合動力發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

美國發(fā)射運輸系統(tǒng)已經(jīng)成功跨入第四代，其4.1代系統(tǒng)已經(jīng)完全工程化和實用化，發(fā)射成本已降到折合低軌1.51萬元人民幣每公斤，具有極強的綜合性能和綜合效費比，并且正在發(fā)展4.2代系統(tǒng)，具有完全重復(fù)使用能力，預(yù)期將再一次掀起發(fā)射運輸領(lǐng)域的科技革命。相比我國發(fā)射運輸系統(tǒng)目前仍停留在第三代，且沒有相對明確的重復(fù)使用工程型號，這與美國已形成事實上的代差，需直面挑戰(zhàn)、趕超先進、跨代發(fā)展，為經(jīng)略太空提供堅實保障。

四、結(jié)語

本文著眼部分解決需求側(cè)的頂層規(guī)劃問題，借鑒航空運輸領(lǐng)域的頂層規(guī)劃方法，在體系構(gòu)成上將發(fā)射運輸系統(tǒng)分為5類、在系統(tǒng)規(guī)格上將發(fā)射運輸系統(tǒng)分為5型、在系統(tǒng)劃代上將發(fā)射運輸系統(tǒng)分為5代，上述頂層規(guī)劃考慮可供發(fā)射運輸系統(tǒng)主責(zé)單位、研制單位和使用單位提供統(tǒng)一的對話環(huán)境，為我國發(fā)射運輸系統(tǒng)盡快彌補差距、跨代發(fā)展提供支撐。