◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 陳海鵬 羅恒 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 劉嬿 龍威 范瑞祥

國外運(yùn)載火箭發(fā)展趨勢分析及啟示

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 陳海鵬 羅恒 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 劉嬿 龍威 范瑞祥

運(yùn)載火箭的技術(shù)水平代表著一個國家自主進(jìn)入空間的能力，更是開展空間活動的前提。運(yùn)載技術(shù)在航天技術(shù)領(lǐng)域始終處于基礎(chǔ)地位，世界航天大國都非常重視運(yùn)載技術(shù)的發(fā)展。

近年來，我國在現(xiàn)役長征系列運(yùn)載火箭的基礎(chǔ)上，正在開展新一代運(yùn)載火箭研制以及載人登月重型火箭的論證工作。但同時應(yīng)該清醒地認(rèn)識到，進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界各國在發(fā)展運(yùn)載技術(shù)的進(jìn)程中不斷根據(jù)需求牽引和技術(shù)推動調(diào)整發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃，表現(xiàn)出新的趨勢和特點。筆者針對國外運(yùn)載火箭最新發(fā)展動態(tài)及趨勢，分析了我國運(yùn)載火箭發(fā)展現(xiàn)狀和差距，并提出未來發(fā)展方向。

一、國外最新發(fā)展動態(tài)及趨勢

1．在更新?lián)Q代的基礎(chǔ)上不斷出新

世界航天大國雖然已完成運(yùn)載火箭的更新?lián)Q代，但仍持續(xù)改進(jìn)并不斷提出新的發(fā)展方向。美國SpaceX公司在Falcon 9火箭的基礎(chǔ)上于2013年成功完成了Falcon 9 v1.1火箭研制工作，并通過Grasshopper垂直起降驗證機(jī)的連續(xù)試驗探索可復(fù)用技術(shù)；同時，在商業(yè)航天領(lǐng)域由軌道ATK公司研制的Antares火箭成功發(fā)射。在重型火箭方面，美國雖然中止了星座計劃，但是隨之提出的空間發(fā)射系統(tǒng)（SLS）計劃表明其堅持重型火箭發(fā)展方向的決心。2014年8月，SLS重型火箭整體順利通過關(guān)鍵決策點C評審，標(biāo)志著SLS重型火箭從初步設(shè)計和技術(shù)完善階段進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計與制造階段。2015年，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）發(fā)布下一代運(yùn)載火箭Vulcan的發(fā)展規(guī)劃，更是表明其不斷發(fā)展運(yùn)載火箭技術(shù)的決心。

歐洲利用Ariane 5、Soyuz ST、Vega火箭形成了完善的大、中、小型火箭型譜，并在此基礎(chǔ)上著眼未來提出發(fā)展Ariane 6下一代運(yùn)載火箭；日本持續(xù)改進(jìn)H-2A、H-2B火箭，并于2013年提出研制H-3火箭，該火箭將增加捆綁助推器，簡化H-2火箭氫氧發(fā)動機(jī)的管路和泵，在提高發(fā)動機(jī)可靠性的同時降低火箭的制造成本。

2．大幅提高快速響應(yīng)和適應(yīng)能力

以美國的Falcon 9、歐洲的Vega、日本的Epsilon為代表的快速響應(yīng)火箭成為新的發(fā)展趨勢，這些火箭研制的主要目的是能夠便捷、快速、廉價地發(fā)射政府和商業(yè)衛(wèi)星。

Vega火箭2012年2月首飛成功；Falcon 9火箭2012年5月成功發(fā)射Dragon飛船；日本在2013年9月14日成功發(fā)射了首枚Epsilon三級固體火箭，該火箭近地軌道運(yùn)載能力1.2噸，發(fā)射成本約3900萬美元，并采用高度智能化的自動檢測系統(tǒng)和移動發(fā)射技術(shù)，從第一級起豎到完成發(fā)射的周期為6天；俄羅斯Soyuz 2-1v火箭2013年12月首飛成功，該火箭起飛質(zhì)量為157～160噸，整流罩直徑3米，將主要用于小型衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)。

3．商業(yè)運(yùn)營模式獲得成功

國際衛(wèi)星發(fā)射市場競爭日趨白熱化，國外航天公司都把降低發(fā)射成本作為發(fā)展重點，通過低成本和低價格吸引客戶。2013年12月4日，SpaceX公司利用改進(jìn)型Falcon 9 v1.1火箭發(fā)射SES-8衛(wèi)星，這是Falcon 9火箭首次執(zhí)行地球靜止軌道任務(wù)，也是SpaceX首次執(zhí)行真正意義的國際商業(yè)發(fā)射。

Falcon 9火箭采取了一系列低成本控制措施，如電氣系統(tǒng)采用商用設(shè)備降低火箭成本；采用CAD與CAM一體化，實現(xiàn)柔性制造，大大減少工裝數(shù)量；在設(shè)計上盡量使用相同的材料、結(jié)構(gòu)、工具、技術(shù)工藝，通過實現(xiàn)組批生產(chǎn)控制成本；發(fā)動機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器采用原理簡單的開式循環(huán)模式，易于制造加工；一二級發(fā)動機(jī)組批生產(chǎn)，火箭兩級采用相同的推進(jìn)劑，易于降低成本和流水線操作。

4．重型火箭仍是重要選擇

2010年星座計劃中止后，美國并沒有停止載人深空探測的步伐。2013年7月，SLS重型火箭完成初步設(shè)計評審，與此同時，70噸、105噸和130噸構(gòu)型火箭的分系統(tǒng)研制與試驗也在穩(wěn)步推進(jìn)：2015年1月9日，SLS重型火箭所使用的RS-25發(fā)動機(jī)在斯坦尼斯航天中心完成500秒的點火試驗；固體助推器于2015年3月11日在軌道ATK公司的試驗場內(nèi)成功進(jìn)行點火試驗。

從美國重型火箭的發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，為滿足載人登月和未來深空探測任務(wù)需求，近地軌道運(yùn)載能力在100噸級以上的重型火箭是各國發(fā)展的共同目標(biāo)。

5．可復(fù)用技術(shù)是發(fā)展目標(biāo)

航天飛機(jī)退役之后，各國對可復(fù)用運(yùn)載器的追求仍在進(jìn)行中。Falcon 9火箭第一級利用海上平臺進(jìn)行回收試驗，但由于各種因素限制，多次嘗試后尚未取得成功；X-37B可復(fù)用軌道試驗飛行器已完成了多次飛行試驗；歐洲Ariane 5火箭固體助推器回收方案已實施，正在開展可復(fù)用運(yùn)載器（RLV）方案論證，在其備選方案中已經(jīng)將單級入軌和利用吸氣式推進(jìn)系統(tǒng)的方案排除在外，重點發(fā)展以火箭發(fā)動機(jī)為動力的兩級入軌方案。

各國在發(fā)展可復(fù)用運(yùn)載器過程中非常重視飛行試驗驗證，通過飛行試驗驗證總體方案的可行性和關(guān)鍵技術(shù)積累設(shè)計數(shù)據(jù)，針對暴露出的問題進(jìn)一步完善設(shè)計，以降低技術(shù)和投資風(fēng)險。

6．上面級功能轉(zhuǎn)變

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，在軌服務(wù)越來越受到各航天大國的重視。美國的軌道快車計劃、歐洲的赫爾默斯計劃、日本的ETSVII飛行演示驗證項目等已取得較大的進(jìn)展。上面級具有多次啟動、長時間在軌、自主飛行等技術(shù)特征，以此為基礎(chǔ)發(fā)展軌道轉(zhuǎn)移飛行器，可具備軌道機(jī)動、離軌、再入等功能，其任務(wù)模式更加機(jī)動、靈活，不僅可機(jī)動部署衛(wèi)星，還能提供在軌服務(wù)和維修。美國空軍提出部署軌道轉(zhuǎn)移飛行器的主要作用是通過對美國空間資源進(jìn)行在軌服務(wù)，顯著提高空間資源的靈活性和作戰(zhàn)能力?？梢哉f，未來軌道轉(zhuǎn)移飛行器的發(fā)展已由實現(xiàn)單純的軌道運(yùn)輸轉(zhuǎn)向軌道服務(wù)。

二、差距分析及發(fā)展建議

經(jīng)過50多年的努力，我國運(yùn)載火箭取得了驕人的成績，但與世界先進(jìn)水平相比，筆者分析總結(jié)了以下幾個方面的差距，并提出發(fā)展建議。

1．進(jìn)一步提升火箭運(yùn)載能力

近20年來，國際運(yùn)載火箭發(fā)展迅猛，基本實現(xiàn)了運(yùn)載能力升級和型譜完善，但我國火箭運(yùn)載能力與國際主流水平尚存在一定差距。

一是需要進(jìn)一步提升大、中型火箭運(yùn)載能力。目前，國際運(yùn)載火箭近地軌道運(yùn)載能力達(dá)20噸級，地球靜止軌道運(yùn)載能力達(dá)10噸級；我國現(xiàn)役火箭近地軌道運(yùn)載能力最大8.6噸，地球靜止軌道運(yùn)載能力最大5.5噸，與國際主流水平存在較大差距。

二是需要規(guī)劃具備執(zhí)行載人登月等大型任務(wù)的能力。美、俄紛紛把載人登月及深空探測作為后續(xù)戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)，開展SLS等重大項目研制；日本、印度等國家以無人和載人深空探測為目標(biāo)大力發(fā)展航天技術(shù)。

“臨難抱佛腳”也好，常年燒香拜供也罷，神靈救不了貪官，菩薩更不會為他顯靈，這是毫無疑問的——劉志軍劉部長辦公室里，天天供著一塊辟邪避險的偌大“靠山石”，結(jié)果怎么樣呢？！

2．進(jìn)一步完善運(yùn)載能力布局

近年來，CZ-5、CZ-6、CZ-7等新一代運(yùn)載火箭的立項研制拉開了我國運(yùn)載火箭能力升級和型譜完善的序幕，但對標(biāo)國際以及后續(xù)任務(wù)需求，當(dāng)前的運(yùn)載能力布局仍存在一定差距。

一是需要進(jìn)一步提高太陽同步軌道發(fā)射能力。

二是需要進(jìn)一步提高地球靜止軌道發(fā)射能力。CZ-3B火箭的運(yùn)載能力達(dá)到5.5噸，雖然CZ-5火箭的運(yùn)載能力可達(dá)14噸，但考慮未來國際商業(yè)發(fā)射服務(wù)6噸左右載荷不斷增多，新研火箭的運(yùn)載能力無法覆蓋5.5～7噸任務(wù)需求，將對長征系列火箭國際競爭能力造成一定影響。

3．完善快速機(jī)動發(fā)射能力的規(guī)劃與布局

各航天大國以有效提升快速進(jìn)入空間能力為目標(biāo)，發(fā)展多構(gòu)型、多方式的運(yùn)載火箭，實現(xiàn)快速機(jī)動發(fā)射，我國在這一方面尚有所欠缺。

一是需要進(jìn)一步形成完善的快速進(jìn)入空間的火箭型譜。國際上已有多種快速機(jī)動發(fā)射的火箭，發(fā)射方式涵蓋地基簡易塔架發(fā)射、公路機(jī)動發(fā)射、空中發(fā)射等多種方式；動力系統(tǒng)涵蓋固體、液體或者固液混合等多種組合。我國非常重視快速進(jìn)入空間火箭的研制，為進(jìn)一步完善快速進(jìn)入空間火箭型譜,筆者建議加大空中發(fā)射火箭關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和演示驗證力度,為后續(xù)立項研制奠定基礎(chǔ)。

二是縮短液體火箭測試發(fā)射準(zhǔn)備時間，提高測試發(fā)射水平。筆者建議進(jìn)一步研究遠(yuǎn)程測試發(fā)射、快速測試發(fā)射等專項技術(shù)，以提高我國液體火箭測試發(fā)射水平。

國內(nèi)外火箭研制均把使用性能作為重要指標(biāo)，而我國火箭的使用性能尚需進(jìn)一步提高。

一是可靠性水平需要進(jìn)一步提高。以美國EELV計劃中的火箭為例，其可靠性水平均達(dá)到了0.98；歐洲火箭可靠性水平達(dá)到了0.985；俄羅斯火箭可靠性水平達(dá)到了0.9568。我國CZ-2F火箭可靠性達(dá)到0.98，與國外相當(dāng)，但我國現(xiàn)役火箭平均可靠性水平只能達(dá)到0.93。

二是提高火箭應(yīng)對故障的能力。SpaceX公司針對Falcon 9火箭9臺發(fā)動機(jī)的1臺故障，采取故障重構(gòu)技術(shù)成功地消除了該故障對飛行任務(wù)的影響。我國運(yùn)載火箭通過軟硬件的冗余基本消除了單點失效的故障模式，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步研究動力、結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)故障模式，開展健康管理與控制重構(gòu)等重大關(guān)鍵技術(shù)研究。

三是進(jìn)一步研究低溫火箭應(yīng)對發(fā)射推遲問題。我國CZ-3A系列火箭在應(yīng)對推遲發(fā)射時暴露出低溫連接器脫落后允許推遲時間過短、推進(jìn)劑泄出后再次發(fā)射準(zhǔn)備時間過長的問題。

5．開展復(fù)用技術(shù)攻關(guān)并加強(qiáng)技術(shù)儲備

在可復(fù)用運(yùn)載器的技術(shù)攻關(guān)方面，我國已經(jīng)開始進(jìn)行可復(fù)用運(yùn)載器的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和演示驗證，需要進(jìn)一步加強(qiáng)復(fù)用運(yùn)載器總體、結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)、氣動、控制技術(shù)攻關(guān)工作。筆者建議，針對助推器可控回收和可復(fù)用等重大領(lǐng)域積極開展探索與研究工作，并推動演示驗證。

在加強(qiáng)技術(shù)儲備方面應(yīng)關(guān)注以下幾個方面的問題：一是發(fā)動機(jī)水平。在常規(guī)發(fā)動機(jī)性能方面，除美國、俄羅斯具備超過百噸級常規(guī)發(fā)動機(jī)外，其它各國的常規(guī)發(fā)動機(jī)性能基本相當(dāng)。液氧煤油發(fā)動機(jī)性能按比沖大小依次為俄羅斯、中國、美國和歐洲，而按推質(zhì)比大小順序依次為美國、歐洲、俄羅斯和中國。液氫液氧發(fā)動機(jī)性能按比沖和推質(zhì)比總體來看，順序依次為歐洲、美國、俄羅斯、日本和中國。

二是結(jié)構(gòu)系數(shù)。運(yùn)載火箭的結(jié)構(gòu)系數(shù)是指結(jié)構(gòu)質(zhì)量與總質(zhì)量（結(jié)構(gòu)質(zhì)量與加注量之和）之比。我國火箭的結(jié)構(gòu)系數(shù)（0.057～0.1841）較國外火箭的結(jié)構(gòu) 系 數(shù)（0.05280～0.16667） 偏大，特別在液氫液氧燃料的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，我國運(yùn)載火箭的結(jié)構(gòu)系數(shù)（0.1309～0.1841）偏大反映更加明顯，這將導(dǎo)致運(yùn)載能力偏低。

三是箭上遙測碼速率。國外箭上遙測最高碼速率已有20Mb/s的成功應(yīng)用。我國在研的CZ-5、CZ-7火箭采用5Mbps或以上碼率完成遙測測量，但廣泛應(yīng)用于現(xiàn)役火箭遙測系統(tǒng)中的最高傳輸碼率限制在2Mb/s，已無法滿足型號總體日益增多的測量需求。

四是氣動與熱環(huán)境設(shè)計方法。近年來隨著新任務(wù)的開展、精細(xì)設(shè)計的深入，我國氣動與熱環(huán)境設(shè)計在稀薄流低密度效應(yīng)、真實氣體效應(yīng)、真空羽流模擬、氣動辨識、熱辨識、復(fù)雜局部部位熱環(huán)境分析、熱環(huán)境機(jī)理分析等方面存在不足，與國外相比還有差距。

技術(shù)水平的差距將影響到火箭運(yùn)載能力、飛行可靠性指標(biāo)，成為影響工程任務(wù)成功實施的隱患。筆者建議后續(xù)進(jìn)一步加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，加大基礎(chǔ)技術(shù)儲備，提高火箭研制生產(chǎn)能力，從而促進(jìn)我國運(yùn)載火箭技術(shù)水平提升。

運(yùn)載火箭技術(shù)是衡量一個國家空間活動能力的重要標(biāo)志，世界各主要航天大國都十分重視運(yùn)載技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)載領(lǐng)域也成為航天最為活躍的領(lǐng)域之一。我國運(yùn)載火箭正處于快速全面發(fā)展的時期，在持續(xù)跟蹤和研究國外航天發(fā)展動態(tài)、把握世界航天技術(shù)發(fā)展競爭態(tài)勢的基礎(chǔ)上，未來我國應(yīng)大力發(fā)展低成本、快響應(yīng)重型運(yùn)載火箭以及可復(fù)用運(yùn)載器和先進(jìn)上面級，并及早開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。?