下一代主力運載火箭發(fā)展思考

何 巍，牟 宇，朱海洋，陳曉飛

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

運載火箭一般指從地球將有效載荷送入空間軌道的運輸工具，決定著一個國家進出空間的能力，具有高技術、高風險、高成本的特點，是國家空間科學、空間技術、空間應用和安全體系建設的戰(zhàn)略基礎，也是一個國家現(xiàn)代科技發(fā)展水平和綜合國力的重要標志[1-2]。

世界各國和地區(qū)在發(fā)展運載火箭過程中，根據(jù)國家工程需求、市場需求以及技術發(fā)展情況適時調整，形成了各具特色的發(fā)展規(guī)劃。美、蘇/俄始終致力于發(fā)展覆蓋小、中、大、重型運載能力的運載火箭，確保航天強國地位。歐洲地區(qū)運載火箭發(fā)展更加注重實用與經濟性。中國航天經過60余年的自力更生、艱苦創(chuàng)業(yè)，發(fā)展了覆蓋小、中、大型運載能力以及滿足低、中、高和地球逃逸軌道不同有效載荷發(fā)射需求的運載火箭[3]。截至2022年12月底，長征系列運載火箭已累計發(fā)射458次，飛行成功率超過96.5%，LEO運載能力達到25 t，GTO運載能力達到14 t，綜合性能位居世界前列，支撐鑄就了中國航天的“三大里程碑”，有力支撐了載人航天、北斗導航、高分工程、月球探測、火星探測等一系列國家重大工程順利實施。

我國雖然已經建立了較為完備的運載火箭能力體系，快速響應能力、可靠性等部分技術指標達到了世界先進水平，但在進入空間的能力、效率和成本[4]方面與之相比還存在差距[5-6]，亟須科學規(guī)劃下一代主力運載火箭發(fā)展，支撐航天強國建設。本文通過調研分析主要航天國家與地區(qū)的運載火箭發(fā)展趨勢，總結了中國運載火箭發(fā)展規(guī)律，提出下一代主力運載火箭重點發(fā)展方向，以指導后續(xù)運載火箭論證與發(fā)展。

1 世界主要國家和地區(qū)的運載火箭發(fā)展回顧

1.1 美國運載火箭發(fā)展回顧

美國作為航天領域技術領先的強國，自艾森豪威爾政府起，每屆政府均出臺《國家航天政策》，頂層指導運載火箭等航天領域發(fā)展，美國航天重要事件發(fā)展見圖1。依托國家政策牽引，美國具備陸、海、空基多平臺發(fā)射手段，覆蓋小、中、大、重等各種載荷發(fā)射需求。在不同時期先后發(fā)展了包括大力神(Titan)系列、宇宙神(Atlas)系列、德爾塔(Delta)系列、獵鷹(Falcon)系列等多種火箭，美國現(xiàn)役入軌級運載火箭見圖2。

圖1 美國航天發(fā)展重要事件

圖2 美國現(xiàn)役部分入軌級運載火箭[7]

發(fā)展初期，美國運載火箭由國家戰(zhàn)略需求單一驅動，1958年，基于丘比特導彈改裝的丘諾1號運載火箭發(fā)射成功，解決了美國運載火箭的有無問題。20世紀60年代初期，美國和蘇聯(lián)太空競賽白熱化，美國集中優(yōu)勢科研力量研制了土星五號重型運載火箭，實現(xiàn)了人類第一次載人登月。之后為進一步提升發(fā)射效益，1972年啟動了可重復使用的航天飛機研制計劃。隨著冷戰(zhàn)結束及技術的不斷發(fā)展，美國運載火箭發(fā)展更加注重成本與效益，在1994年啟動了改進型一次性運載火箭發(fā)展計劃(EELV)，逐漸由研制承包向發(fā)射服務運營轉變。進入21世紀，美國開始全面鼓勵商業(yè)火箭研制，促使SpaceX、藍色起源公司等商業(yè)航天公司蓬勃發(fā)展，大幅提升了航天發(fā)射效益。2022年美國入軌級航天發(fā)射87次，SpaceX公司占據(jù)了61次。同時致力于發(fā)展火箭完備能力，新研重型運載火箭太空發(fā)射系統(tǒng)(Space Launch System，SLS)成功首飛，重復使用重型火箭超重--星艦計劃于2023年完成首飛。

整體來看，美國作為航天強國，始終致力于維持其在航天領域的世界領先地位；強大的工業(yè)、技術基礎是美國航天發(fā)展的先決條件，支撐其政策轉變后商業(yè)航天快速發(fā)展，也支撐發(fā)展了眾多中、小型運載火箭，從國家層面審視存在明顯的重復建設；重復使用技術驅動航天運輸系統(tǒng)產業(yè)升級，獵鷹火箭憑借價格優(yōu)勢，大幅擠占了傳統(tǒng)火箭生存空間；所發(fā)展的火神、超重--星艦等下一代運載火箭均具備部分或完全重復使用能力，降低成本、提高效率的發(fā)展趨勢明顯。

1.2 蘇聯(lián)/俄羅斯運載火箭發(fā)展回顧

自1957年以來，蘇聯(lián)先后成功研制衛(wèi)星號、東方號、聯(lián)盟號、閃電號、宇宙號、旋風號、質子號、能源號等運載火箭，形成了能力完備的運載火箭體系，支撐其在人類航天史上創(chuàng)造了第一顆人造地球衛(wèi)星、第一艘載人飛船、第一個月球探測器等多項世界第一。但1991年蘇聯(lián)解體后，俄羅斯年航天發(fā)射次數(shù)呈下降趨勢，見圖3。目前俄羅斯主要依托進步國家航天科研生產中心、赫魯尼切夫國家航天科研生產中心兩大科研生產聯(lián)合體研制火箭，前者以聯(lián)盟號為主，后者以質子號、安加拉系列為主。由于經濟逐漸下行，運載火箭整體更新?lián)Q代比較緩慢，如安加拉系列火箭研制工作前后持續(xù)了20多年。如何在有限經濟約束下完成更多的航天發(fā)射任務，逐漸成為其主要發(fā)展矛盾。為此，俄羅斯一方面積極開展國際合作：積極參加國際空間站艙段建造以及載人與貨運發(fā)射任務，為美國宇宙神系列運載火箭研制提供高性能液氧煤油發(fā)動機；另一方面俄羅斯還將退役的和根據(jù)戰(zhàn)略武器削減條約而裁減的戰(zhàn)略導彈改裝成隆聲號、第聶伯、波浪號和靜海號等火箭，投入商業(yè)發(fā)射市場。依靠運載火箭發(fā)射價格低、性能好、可靠性高的優(yōu)點，俄羅斯占據(jù)了一定國際市場。但隨著美國SpaceX公司持續(xù)降低發(fā)射成本，且2010年后俄羅斯發(fā)射事故頻發(fā)，以及國際環(huán)境持續(xù)惡化，俄羅斯逐步喪失了國際發(fā)射市場。

圖3 蘇聯(lián)/俄羅斯每年航天發(fā)射次數(shù)

整體來看，俄羅斯由于受經濟下行和國際環(huán)境持續(xù)惡化影響，運載火箭更新?lián)Q代緩慢，仍以蘇聯(lián)時期聯(lián)盟號、質子號為主力火箭，當前俄羅斯現(xiàn)役運載火箭見圖4。

圖4 俄羅斯現(xiàn)役火箭[7]

1.3 歐洲運載火箭發(fā)展回顧

歐洲是繼美、俄之后第3個擁有衛(wèi)星發(fā)射能力的地區(qū)，多國聯(lián)合研制了阿里安系列運載火箭，可執(zhí)行單星、雙星甚至多星的發(fā)射，確立了歐洲運載火箭在國際航天發(fā)射市場中的地位。同時，歐洲也在積極發(fā)展中小型運載火箭，與俄羅斯合作研制聯(lián)盟號ST運載火箭，以及意大利牽頭研制的織女星小型運載火箭有效地補充了阿里安運載火箭在中低地球軌道有效載荷發(fā)射方面的空缺。歐洲運載火箭堅定執(zhí)行模塊化發(fā)展路線，新研的阿里安6火箭和織女星C采用了通用化、模塊化設計，使用最少模塊就可以適應從高到低幾乎所有軌道發(fā)射任務的需求。

整體而言，歐洲火箭發(fā)展堅持“少而精”的發(fā)展路線，注重經濟性、實用性，但火箭具體技術方案受困于歐洲多國利益平攤，無法實現(xiàn)最優(yōu)，且近期受到俄烏戰(zhàn)爭等國際形勢影響，航天任務和研制經費存在諸多不確定性。當前歐洲現(xiàn)役火箭見圖5。

圖5 歐洲現(xiàn)役火箭[7]

1.4 中國運載火箭發(fā)展回顧

從20世紀五六十年代開始，中國運載火箭持續(xù)發(fā)展，經歷了從串聯(lián)到并聯(lián)、從一箭單星到一箭多星、從常溫推進劑到低溫推進劑、從末級一次啟動到多次啟動、從發(fā)射衛(wèi)星到載人飛船再到深空探測器的技術跨越，具備了發(fā)射任意地球軌道有效載荷的能力[3]。參考文獻[8]，并結合當前最新的重復使用、重型火箭發(fā)展趨勢，中國長征系列運載火箭發(fā)展歷程如下：

1)20世紀六七十年代，基于前期技術積累，研制形成CZ-1、CZ-2運載火箭,實現(xiàn)我國運載火箭從無到有。

2)20世紀80年代至21世紀初，研制了包括CZ-2C/D/E/F、CZ-3、CZ-3A/B/C、CZ-4A/B/C在內的共11型運載火箭。其中CZ-2C、CZ-2D、CZ-3、CZ-2E運載火箭仍然使用有毒推進劑(四氧化二氮和偏二甲肼)，開始部分應用數(shù)字電路；CZ-2F、CZ-3A、CZ-3B、CZ-3C、CZ-4B、CZ-4C持續(xù)開展可靠性增長和技術改進，采用系統(tǒng)級冗余設計；部分型號通過增加三子級，高軌任務適應能力大大提高；或為滿足載人航天任務需求，增加了故檢逃逸系統(tǒng)；簡化了發(fā)射場測發(fā)流程，測發(fā)效率得到了提高。經優(yōu)化，退役CZ-2E、CZ-3、CZ-4A三型火箭，現(xiàn)役8型常規(guī)火箭見圖6，實現(xiàn)了LEO 8.6 t、SSO 3.0 t、GTO 5.5 t的能力覆蓋。

圖6 我國在役長征系列常規(guī)火箭

3)21世紀以來，火箭研制基于“通用化、系列化、組合化”、無毒無污染的理念，采用無毒無污染推進劑，環(huán)境友好。在液體火箭領域，形成中小型(CZ-6/6A、CZ-7/7A/8)和大型(CZ-5/5B)兩系列液體運載火箭[9]，共7型火箭，實現(xiàn)了LEO 25 t、SSO 9.5 t 、GTO 14 t的能力覆蓋；在固體火箭領域，形成以CZ-11、捷龍3、快舟系列、力箭一號為代表的小型火箭，具備了LEO 1.5 t、700 km SSO 1 t以上的運載能力，陸海通用發(fā)射，響應時間短，任務適應性大幅提升。我國在役新一代長征系列運載火箭如圖7所示。

圖7 我國在役新一代長征系列運載火箭

4)進入新時代，新一代載人運載火箭、重型火箭正在開展總體方案論證設計，攻關發(fā)動機等系統(tǒng)關鍵技術，后續(xù)將支撐我國載人登月、深空探測等重大工程實施。

1.5 問題分析

我國雖然建立了能力相對完備的運載火箭體系，但與航天強國相比，在進入空間的能力、效率和成本方面還存在一定差距，亟須通過發(fā)展下一代運載火箭支撐航天強國建設。

1)進入空間能力不夠強。主要表現(xiàn)在我國火箭運載能力還不夠大，LEO軌道能力僅為25 t，尚不具備LEO百噸級的重型運載能力；尚不具備重復使用能力，美國重復使用火箭獵鷹系列在2022年成功完成61次發(fā)射任務(含1次重型獵鷹)；運載效率等綜合性能指標偏低，發(fā)動機推力、推重比、比沖等核心指標與航天強國差距明顯。

2)進入空間的效率還不夠高。與國外先進水平獵鷹9火箭2022年7天/發(fā)相比有一定差距，主要表現(xiàn)在運載火箭模塊種類多，狀態(tài)多，產品化率較低，制約了生產效率；發(fā)射保障自動化、信息化水平較低，測發(fā)流程繁瑣，發(fā)射工位通用化程度低，限制了年發(fā)射頻次的提升。

3)進入空間的成本還不夠優(yōu)。主要表現(xiàn)在重復使用技術尚未實現(xiàn)工程應用，使得飛行產品不能復用，導致成本無法本質性降低；火箭低成本研制理念不強，我國火箭在設計、制造、試驗、質量管控等環(huán)節(jié)成本統(tǒng)籌不足；我國尚未完全建立購買發(fā)射服務的運載火箭采購模式，導致降本增效活力不足。

2 中國運載火箭發(fā)展規(guī)律研究

2.1 中國運載火箭代際發(fā)展技術規(guī)律

基于國外運載火箭發(fā)展歷程以及我國運載火箭發(fā)展問題，回歸分析我國運載火箭發(fā)展歷程，發(fā)現(xiàn)火箭運載能力的持續(xù)提升是代際發(fā)展中最為顯著的特征，從20世紀五六十年代的第一代CZ-1、CZ-2運載火箭，到第二代CZ-2/3/4系列，再到第三代的CZ-5/6/7/8新一代運載火箭，運載能力從1 t級持續(xù)提升至20 t級，下一代運載火箭以新一代載人運載火箭、重型運載火箭為典型代表，其最大運載能力將達到100 t級，比肩世界一流。同時，技術發(fā)展是我國火箭代際發(fā)展的底層驅動力，第一代運載火箭實現(xiàn)運載火箭的從無到有；第二代運載火箭基于有毒推進劑與模擬電路技術，以貯箱為代表的結構材料體系主要使用2A14鋁合金；第三代運載火箭基于無毒無污染液氧煤油、液氫液氧推進劑，使用數(shù)字總線技術，并且以貯箱為代表的材料體系升級到2219鋁合金；基于運載火箭技術發(fā)展趨勢并對標我國運載火箭發(fā)展問題和不足，第四代運載火箭將以重復使用、運載能力跨越提升為核心特征，持續(xù)牽引智能飛行、大推力重復使用動力、鋁鋰合金新質材料、功能型機構等技術攻關突破，支撐航天強國建設；第五代運載火箭處于多技術路徑探索階段。中國運載火箭代際發(fā)展如圖8所示。

圖8 中國運載火箭代際發(fā)展

2.2 運載火箭發(fā)展需求分析

當前隨著世界主要航天大國和主體加速太空經濟與軍事發(fā)展，航天運輸領域對于運載火箭的需求呈現(xiàn)快速上升趨勢，2022年世界運載火箭全年入軌級發(fā)射186次，創(chuàng)下歷史新高，2023年預計發(fā)射超過200次，將再創(chuàng)新高。爆發(fā)式增長的入軌發(fā)射需求對運載火箭發(fā)展提出了新要求，一是增大火箭入軌能力；二是提升發(fā)射效費比，用更少的成本將更多的有效載荷送入目標軌道。由此可建立公式(1)和(2)以表征運載火箭發(fā)展要求。

J發(fā)射效能=

(1)

式中,M起飛質量、K運載效率分別表征運載火箭起飛質量和運載效率，兩者相乘可得運載能力；η發(fā)射效率表征火箭每年最大發(fā)射次數(shù)，與火箭生產能力、測發(fā)周期、發(fā)射場工位數(shù)量等條件有關；R可靠性表征飛行可靠性；ω成本表征單位載荷發(fā)射成本；J發(fā)射效能表示單位經費可發(fā)射的入軌質量，其數(shù)值越高，代表運載火箭整體效費比越高。

為滿足增大有效載荷入軌能力需求，基于公式(1)，分解得到

M入軌總質量=∑(M起飛質量×K運載效率×η發(fā)射效率)

(2)

式中,M入軌總質量表征一個自然年內，一個國家所有運載火箭在一年內理論入軌最大質量。

分析式(2)可得,對于小、中型運載火箭，由于起飛質量偏小，要想獲得較大的入軌質量，需提高運載效率、發(fā)射效率指標。對于大、重型運載火箭，由于起飛質量大，在入軌總質量滿足發(fā)射需求前提下，可適當放寬運載效率、發(fā)射效率指標要求，支撐提升運載火箭不同任務剖面的適應性。同時為滿足發(fā)射效能提升需求，基于式(1)，分析可得可靠性指標需有效提升，而發(fā)射成本指標需合理降低。

隨著我國低軌星座等空間基礎設施建設以及空間探索需求持續(xù)增長[10]，年入軌質量需求將持續(xù)提升，若此時火箭運載能力和發(fā)射效能無法提升，將導致出現(xiàn)高昂的發(fā)射服務費，難以滿足新時代高質量發(fā)展要求，必須通過創(chuàng)新技術驅動運載效率與能力、成本、可靠性和發(fā)射效率等核心指標跨越升級，推動下一代主力運載火箭發(fā)展，助推航天強國建設。

3 下一代主力運載火箭發(fā)展思考與創(chuàng)新實踐

3.1 運載效率與能力提升

傳統(tǒng)運載火箭依靠增加級數(shù)、研制大推力發(fā)動機實現(xiàn)效率、能力的一定提升，下一代主力運載火箭將主要在總體載荷精細化設計、基于偏差概率的總體協(xié)同設計、輕質高效結構和增壓技術、新質材料、更大直徑結構以及發(fā)動機性能提升等方面突破發(fā)展。

3.1.1 總體載荷精細化設計

為提升火箭運載效率，總體方案設計階段重點針對載荷精細化、偏差余量控制以及環(huán)境條件降低等方面開展。

在載荷精細化設計方面，主要包括載荷計算輸入降低、外激勵精確預示以及計算方法改進。一是要降低載荷計算輸入，在現(xiàn)有雙向準實時風修正技術、加表主動減載基礎上，拓展至三向準實時風修正技術，并研究基于風攻角高精度測量的主動減載技術，綜合降低載荷計算輸入；二是要精確預示與辨識外激勵，通過研究跨聲速脈動壓力(見圖9)等外源激勵機理和反向辨識方法，提升外激勵表征精度，降低動載荷；三是要應用概率設計等方法，轉變傳統(tǒng)包絡設計模式，降低保守性。最終使同等工況下載荷計算值相較上一代火箭降低20%。

圖9 火箭跨聲速壓力云圖

在偏差余量控制方面，主要基于飛行和地面試驗數(shù)據(jù)，通過運載火箭動力學天地一致性分析技術，采用智能算法回歸辨識氣動壓心等偏差。相較上一代運載火箭，偏差絕對值壓縮20%。

在環(huán)境條件降低方面，一是通過回歸辨識飛行和地面數(shù)據(jù)降低環(huán)境條件；二是通過主被動減振降噪設計，如采用吸隔聲一體化聲學覆蓋層等技術實現(xiàn)輕質化全頻段復合降噪，以支撐單機及系統(tǒng)減少不必要的設計裕度。相較上一代運載火箭，降低星箭界面和關鍵位置的環(huán)境條件30%。

3.1.2 基于偏差概率的總體協(xié)同設計

在降低偏差的基礎上，進一步合理使用偏差，突破并應用基于偏差概率的總體協(xié)同設計，解決制約運載火箭總體性能提升的偏差余量大、設計保守等共性瓶頸問題，提升運載火箭總體性能。

開展運載火箭總體協(xié)同設計平臺建設，通過規(guī)范數(shù)據(jù)接口，構建統(tǒng)一數(shù)據(jù)架構，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)同源”；通過集成總體各專業(yè)核心設計工具，實現(xiàn)基于顯性化流程的數(shù)據(jù)“變化同知”；有效集成總體設計流程、數(shù)據(jù)接口、設計工具，實現(xiàn)總體設計小小回路、小回路、大回路的多專業(yè)快速迭代設計，總體協(xié)同設計平臺功能見圖10。在此基礎上，一是可實現(xiàn)彈道、制導、控制與載荷多專業(yè)聯(lián)合優(yōu)化飛行剖面，減少專業(yè)解耦設計后各自重復留取的設計余量問題；二是開展基于偏差概率的增壓優(yōu)化設計、結構安全系數(shù)設計，轉變傳統(tǒng)極限偏差包絡設計模式，實現(xiàn)偏差的合理使用，解決偏差余量較大的問題。相較上一代運載火箭，偏差使用方式由單項疊加變?yōu)橥捶治?，降低偏差綜合影響20%。

圖 10 總體協(xié)同設計平臺功能

基于上述兩項技術，同時結合輕質高效結構和增壓技術、新質材料等技術和材料的發(fā)展與應用，共同支撐運載效率提升20%以上。

3.2 成本降低

新技術與新管理方法相結合共同促進下一代運載火箭成本降低。在新技術方面，重點通過攻關垂直起降、帶翼飛回等重復使用總體技術，攻克高精度返回導航制導姿控、再入熱防護等關鍵技術，實現(xiàn)一子級重復使用以及兩級完全重復使用，使運載火箭回歸運輸工具的本質特性，將本質降低下一代運載火箭成本；在新管理方法方面，主要推動運載火箭產品化、通用化發(fā)展，基于通用貨架產品實現(xiàn)高效集成，推動成本降低，同時可保證產品質量。

3.2.1 重復使用技術

在新技術方面，通過攻關垂直起降、帶翼飛回等重復使用總體技術，實現(xiàn)一子級重復使用以及兩級完全重復使用，使運載火箭回歸運輸工具的本質。垂直起降等重復使用回收技術將對火箭構型方案[11]產生多方面影響。

(1)一子級重復使用火箭級間比減小

與一次性火箭不同，為確保一子級返回，一二級分離高度不能過高，否則將導致額外的熱防護質量增大和更多的減速推進劑需求，影響火箭上升段性能，所以重復使用火箭相對于同等規(guī)模一次性火箭級間比有所減小。以某型火箭為例，其重復使用運載能力隨級間比變化情況如圖11所示，重復使用時最優(yōu)運載能力對應的級間比為3.6左右，同等起飛規(guī)模一次性火箭構型的最優(yōu)級間比為4.0左右。

圖 11 某型火箭運載能力隨級間比變化情況

(2)垂直起降重復使用火箭普遍采用多機布局構型

返回時火箭結構質量與剩余推進劑質量一般遠遠小于起飛質量，為了提升返回著陸時的速度位置控制精度，要求基礎級單臺發(fā)動機推力不能太大，需要與返回時火箭總質量相匹配，因此垂直起降重復使用火箭將普遍采用多機布局構型[12]，如表1所示。同時一子級發(fā)動機臺數(shù)變多，將增加一子級在全箭中的成本占比，有利于提升重復使用效益。

表1 垂直起降重復使用火箭的基礎級發(fā)動機臺數(shù)

(3)重復使用火箭二級推重比增大

由于重復使用火箭級間比縮小，火箭二級飛行時須克服更多的重力，二級總速度增量增加，要求二級推重比增大,結構效率提高。同時，為適應中高軌任務要求，發(fā)動機應具備深度推力調節(jié)和多次點火能力。

3.2.2 產品化發(fā)展

基于當前我國運載火箭已有成熟產品以及未來發(fā)展需求，深入分析產品研制的本質內涵和核心邏輯，建立運載火箭“總體--系統(tǒng)--單機”發(fā)展架構；面向多型運載火箭，將系統(tǒng)功能需求細分為共性通用與個性定制兩類，同時兼顧前瞻性和擴展性，對需求“既統(tǒng)且籌”，通過統(tǒng)一接口規(guī)范和制定通用試驗技術條件打造通用產品平臺，進而建立系統(tǒng)級、單機級通用產品貨架，指導系統(tǒng)集成和單機產品研制，為型號提供成熟可靠的產品選擇，產品化工作流程見圖12。目前已完成了運載火箭結構、動力、電氣、地面測發(fā)控等全系統(tǒng)通用產品貨架的制定。

圖12 產品化工作流程

以運載火箭地面測發(fā)控系統(tǒng)[14]為例，從系統(tǒng)物理本質出發(fā),按照專業(yè)技術驅動將地面測發(fā)控系統(tǒng)按“地面供配電、有線測控、無線測控、數(shù)傳通信、測發(fā)軟件”5個功能模塊開展系統(tǒng)研制，通過推動不同型號的地面測發(fā)控系統(tǒng)統(tǒng)型，可降低維護改造費用，同時支撐實現(xiàn)同一工位能發(fā)射多型火箭。目前已經實現(xiàn)了內陸發(fā)射場CZ-2C、CZ-3A地面測發(fā)控系統(tǒng)統(tǒng)型，其中CZ-2C型號已在多次飛行試驗中成功應用，地面設備種類減少50%以上，靶場人員崗位減少30%以上。同時按照統(tǒng)型方案完成了海南發(fā)射場CZ-5、CZ-7、CZ-8火箭地面測發(fā)控系統(tǒng)升級改造工作，相關成果將有力支撐下一代運載火箭研制。

3.3 可靠性提升

下一代主力運載火箭不僅要提升產品固有可靠性，還將主要從構型模塊精簡、動力系統(tǒng)冗余以及應用智能飛行技術等方面來提升可靠性。

3.3.1 構型模塊精簡設計

當產品可靠性一定時，通過簡化構型與模塊，減少產品數(shù)量可實現(xiàn)可靠性提升。

針對低軌發(fā)射任務，在同等起飛規(guī)模下，假設多級火箭各級結構效率相等，發(fā)動機真空比沖一定，則在不同級數(shù)下，對運載效率和理想速度關系進行分析，如圖13所示，分析可得：

圖13 火箭級數(shù)和結構效率對理想速度與運載效率影響

1)當兩級火箭結構效率達到0.95時，其低軌運載效率已經高于結構效率為0.90的三級火箭；

2)當多級火箭結構效率提升同等幅度時(例如從0.90提升至0.95)，三級火箭運載效率提升幅度Δ2小于兩級火箭的提升幅度Δ1。

因此，下一代運載火箭在采用結構效率提升措施后，綜合考慮可靠性和成本，可將構型精簡為兩級火箭。

基于上述分析以及重復使用火箭構型特點，推動重型運載火箭構型方案從并聯(lián)構型變?yōu)榇?lián)構型，如圖14所示，從3種直徑模塊統(tǒng)一到1種，發(fā)動機種類從3種變?yōu)?種，其中兩級串聯(lián)構型全箭使用同一種液氧甲烷發(fā)動機，實現(xiàn)了構型模塊的大幅精簡。重型運載火箭構型方案的轉變，將更好地支撐我國下一代運載火箭發(fā)展，助推航天強國建設。

圖14 重型運載火箭構型方案演進

3.3.2 智能飛行技術

為了在產品本質可靠性極限基礎上進一步提升飛行可靠性，需發(fā)展并應用智能飛行技術[15]，使運載火箭具備智能感知監(jiān)測、評估決策以及處置能力，共同提升下一代運載火箭可靠性。在故障診斷與任務重規(guī)劃技術方面，2020年基于長征二號丙火箭，開展了相應的飛行搭載驗證[16]，通過基于飛行動力學參數(shù)故障診斷方法，實現(xiàn)飛行過程中每臺發(fā)動機推力系數(shù)的實時監(jiān)測，并基于火箭當前飛行速度和位置以及剩余燃料，在線評估推力下降故障后的剩余入軌能力，完成了任務重規(guī)劃技術的初步驗證。

在此基礎上，進一步突破發(fā)動機參數(shù)故障診斷、決策融合故障診斷、姿控可重構性評價算法，完成了考慮落區(qū)約束的任務重規(guī)劃算法，以及控制可重構性評價、改進迭代制導、容錯姿態(tài)控制算法研究，制定如圖15所示的運載火箭“故障診斷--重規(guī)劃--控制重構”故障診斷與處置技術通用架構，可有效支撐在役火箭飛行可靠性提升和下一代運載火箭智能化升級。

圖15 故障診斷與處置技術通用架構

采用故障診斷與處置等智能飛行技術，將有效提升運載火箭對發(fā)動機故障適應能力，支撐我國下一代運載火箭飛行可靠性有效提升0.5%以上。

3.4 發(fā)射效率提升

下一代主力運載火箭發(fā)射效率提升除進一步流程優(yōu)化以外，采用智能測試、無人加注值守、遠程聯(lián)合輔助測發(fā)以及箭地接口通用化等設計，可以本質上提升發(fā)射效率。

3.4.1 智能測試技術

當前我國運載火箭測試階段依賴地面等效測試設備，存在較多的切換操作，自動化水平不足，未能充分利用箭載系統(tǒng)的智能處理能力。為提升測試效率，下一代運載火箭需重點在4個方面開展工作。

1)自動化?？蓪⒉糠值販y項目轉移至箭上進行閉環(huán)自動判讀驗證，目前新一代運載火箭電氣系統(tǒng)測試已基本實現(xiàn)了自動化，判讀僅需要少量人為操作，參數(shù)判斷以閾值法和簡單的數(shù)學公式為主。后續(xù)重點針對回路阻值測試、時序測試等項目進一步開展自動化測試設計。

2)并行化。辨識測試過程中可并行測試的項目，采用自動并行測試大幅縮短測試時間，如控制分系統(tǒng)測試中，對各單機的自檢、零位測試等項目同步開展。

3)智能化。采用基于模式識別的智能化電氣設備快速感知技術，依托模式識別、人工智能等技術實現(xiàn)電氣設備狀態(tài)的實時監(jiān)測、綜合判斷及智能化快速自感知。

4)等效化。面向重復使用一子級回收后的測試，充分借用等效器實現(xiàn)部段測試，支撐重復使用等特殊場景應用。

3.4.2 遠程輔助測發(fā)技術

隨著航天運輸領域超高密度發(fā)射逐步常態(tài)化，型號研制與發(fā)射任務的持續(xù)高壓，高密度的研制發(fā)射形勢與有限的人力資源之間的矛盾日益凸顯。通過構建遠程輔助測發(fā)系統(tǒng)，在全箭測試、發(fā)射任務中使用遠程輔助測發(fā)技術，實現(xiàn)多個型號發(fā)射任務的并行保障，這是提升發(fā)射效率的重要抓手。

遠程輔助測發(fā)系統(tǒng)以各發(fā)射基地、各測試廠房前端測發(fā)控網絡為基礎，以遠程數(shù)據(jù)傳輸網絡建設為根本，遠程數(shù)據(jù)傳輸網絡作為發(fā)射場測發(fā)網絡的延伸，將前方數(shù)據(jù)安全回傳至遠程測發(fā)大廳。遠程測發(fā)大廳基于音視頻監(jiān)測系統(tǒng)、通用化判讀平臺、全系統(tǒng)健康管理平臺、遠程諸元設計系統(tǒng)、數(shù)字伴飛系統(tǒng)等，可提供覆蓋出廠測試、發(fā)射任務全流程的后方保障服務，系統(tǒng)架構見圖16，實現(xiàn)“運籌帷幄，決勝千里”。遠程輔助測發(fā)系統(tǒng)目前已完成第一階段建設，實現(xiàn)了遠程測試大廳、各發(fā)射基地和各測試廠房的互聯(lián)互通，具備后方測試判讀、射前監(jiān)測、數(shù)字伴飛等功能，支撐了空間站建造、探月、探火等重大工程發(fā)射任務。第二階段預計2023年年底完成建設，增加音視頻雙向互動、遠程諸元設計等功能，進一步提升遠程網絡通信的可靠性、實時性。

圖16 遠程輔助測發(fā)系統(tǒng)架構

4 總結

我國運載火箭經過60多年的發(fā)展與創(chuàng)新，支撐了載人航天、北斗導航、月球探測、火星探測等一系列國家重大工程順利實施，托舉了中華民族的飛天夢想。面向當今以大規(guī)模低軌星座建設、載人月球探測和大規(guī)模深空探測為代表的發(fā)展需求與機遇，立足我國國情和發(fā)展需要，通過分析下一代主力運載火箭發(fā)展特征與方向，科學指導我國運載火箭向更大運載能力、更高效能方向高速發(fā)展，支撐高水平科技自立自強，推動我國早日建設成為世界航天強國。