魯 宇，汪小衛(wèi)，高朝輝，申 麟，莊方方

（1. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076；2. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京，100076）

重復(fù)使用運(yùn)載火箭技術(shù)進(jìn)展與展望

魯 宇1，汪小衛(wèi)2，高朝輝2，申 麟2，莊方方2

（1. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076；2. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京，100076）

首先從傘降回收、垂直返回、帶翼飛回和升力體式等類型分析了國(guó)外典型重復(fù)使用運(yùn)載器的發(fā)展現(xiàn)狀；然后從技術(shù)難度、對(duì)總體設(shè)計(jì)體系的影響、運(yùn)載能力損失、對(duì)主發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求、回收過程復(fù)雜性等方面對(duì)各技術(shù)途徑進(jìn)行全面的對(duì)比分析，并概述了重復(fù)使用運(yùn)載火箭的關(guān)鍵技術(shù)，開展了重復(fù)使用運(yùn)載火箭經(jīng)濟(jì)性分析；最后對(duì)未來重復(fù)使用運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望。重復(fù)使用是運(yùn)載火箭發(fā)展的必然途徑，中國(guó)還需大力發(fā)展重復(fù)使用運(yùn)載火箭技術(shù)，未來還將走向天地往返+重復(fù)使用空間運(yùn)輸?shù)哪Ｊ健?/p>

運(yùn)載火箭；重復(fù)使用；子級(jí)回收

0 引 言

隨著國(guó)際航天發(fā)展，運(yùn)載火箭技術(shù)已從解決“如何進(jìn)入空間”轉(zhuǎn)到“如何低成本進(jìn)入空間”，如何降低航天發(fā)射費(fèi)用是整個(gè)航天工業(yè)界面臨的主要挑戰(zhàn)之一，而實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的重復(fù)使用是降低成本的重要措施。自20世紀(jì)50、60年代開始，世界各航天大國(guó)就持續(xù)開展可重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)的研究，從早期美國(guó)研制的X系列驗(yàn)證機(jī)、70年代研制成功的航天飛機(jī)到近年來私營(yíng)公司SpaceX研制的重復(fù)使用法爾肯-9火箭，重復(fù)使用運(yùn)載技術(shù)一直是國(guó)際航天領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)之一。

在中國(guó)，重復(fù)使用運(yùn)載技術(shù)的研究已開展了 20年[1～7]，對(duì)基于傳統(tǒng)火箭構(gòu)型的重復(fù)使用運(yùn)載火箭和升力體式重復(fù)使用運(yùn)載器兩種類型都開展了大量的研究，正處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段。另外，中國(guó)擁有3個(gè)內(nèi)陸發(fā)射場(chǎng)，運(yùn)載火箭的子級(jí)落區(qū)安全問題亟需解決，而重復(fù)使用首先需要回收火箭子級(jí)，對(duì)子級(jí)落點(diǎn)實(shí)施精確控制。因此，中國(guó)開展重復(fù)使用技術(shù)的研究還具有有效解決運(yùn)載火箭發(fā)射落區(qū)安全問題的作用。

1 運(yùn)載火箭子級(jí)回收技術(shù)分類及國(guó)外研究現(xiàn)狀

對(duì)于運(yùn)載火箭的重復(fù)使用，實(shí)現(xiàn)箭體回收是第 1步，也是最為關(guān)鍵的步驟。目前運(yùn)載火箭箭體回收方法有傘降回收、垂直返回和帶翼飛回3種回收方式，表1給出了各國(guó)運(yùn)載火箭回收技術(shù)分類情況。

表1 運(yùn)載火箭子級(jí)回收技術(shù)分類情況

1.1 傘降回收

1.1.1 航天飛機(jī)助推器傘降海上回收

航天飛機(jī)固體助推器（Solid Rocket Booster，SRB）回收采用的降落傘最大，被降落傘回收的載荷質(zhì)量也最大，是唯一回收再重復(fù)使用的實(shí)用型火箭。該助推器單元集成了上升、再入和回收的子系統(tǒng)。集成的助推器子系統(tǒng)包括：推力矢量控制、輔助動(dòng)力單元、航電、煙火信號(hào)、射程安全系統(tǒng)、降落傘、熱防護(hù)、水上回收系統(tǒng)等。該助推器的技術(shù)難點(diǎn)包括子系統(tǒng)集成、熱環(huán)境和嚴(yán)重的載荷（包括著水沖擊）。很多子系統(tǒng)都配合可重復(fù)使用要求進(jìn)行了改進(jìn)。每個(gè)助推器使用3個(gè)主傘進(jìn)行減速，最終降落在海上[8]。航天飛機(jī)助推器回收過程如圖1所示。

1.1.2 K-1火箭傘降陸上回收

美國(guó)基斯特勒公司的K-1火箭計(jì)劃始于1993年，期望通過重復(fù)使用降低運(yùn)載器的發(fā)射費(fèi)用，用于商業(yè)發(fā)射。K-1火箭為兩級(jí)完全可重復(fù)使用運(yùn)載器，一子級(jí)分離體采用降落傘+緩沖氣囊的回收方案。有效載荷釋放后，二子級(jí)再入大氣層并向發(fā)射場(chǎng)返回，同樣采用“降落傘+緩沖氣囊”的回收方案[9～11]。

由于兩級(jí)完全重復(fù)使用運(yùn)載器的研制難度較大，項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)無法得到保障，因此K-1火箭的研制計(jì)劃出現(xiàn)起伏，進(jìn)行了一定的試驗(yàn)驗(yàn)證后，沒有最終投入實(shí)際應(yīng)用。對(duì)于K-1火箭的子級(jí)回收技術(shù)，由于項(xiàng)目下馬未能得到飛行驗(yàn)證，但回收著陸系統(tǒng)的絕大部分研制試驗(yàn)已經(jīng)完成，通過飛機(jī)搭載演示驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證了“群傘+氣囊”回收技術(shù)途徑的可行性。K-1火箭回收過程如圖2所示。

1.1.3 火神火箭傘降空中回收

2015年 4月，美國(guó)聯(lián)合發(fā)射同盟（United States Launch Alliance，ULA）對(duì)外公布大型火箭火神號(hào)火箭方案?；鹕裉?hào)火箭將采用敏感模塊自主返回技術(shù)（Sensible Modular Atuonomous Return Technology,SMART）實(shí)現(xiàn)一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)回收及重復(fù)使用。SMART技術(shù)如圖3所示。

在一、二級(jí)分離后，火箭一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)將脫離一子級(jí)，并在充氣式熱防護(hù)罩的保護(hù)下再入大氣層，然后依靠降落傘減速，最后由直升機(jī)在空中回收。ULA公司表示推進(jìn)系統(tǒng)成本占整個(gè)一子級(jí)成本的 65%，一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的回收利用將會(huì)使一子級(jí)推進(jìn)系統(tǒng)成本降低90%。ULA公司聲稱SMART回收項(xiàng)目只是該公司火箭回收計(jì)劃的一個(gè)開始，未來ULA公司還將回收其它火箭組件，以進(jìn)一步降低發(fā)射成本。

1.2 垂直返回

最早采用垂直返回式回收的是 20世紀(jì) 90年代麥·道公司提出的德爾它快帆方案，計(jì)劃采用垂直起降方式實(shí)現(xiàn)單級(jí)入軌，并重復(fù)使用（見圖4）。德爾它快帆共進(jìn)行了12次飛行試驗(yàn)，最大飛行高度3 155 m，驗(yàn)證了垂直起降、快速飛回和簡(jiǎn)化地面保障等技術(shù)。

2011年9月，SpaceX公司對(duì)外宣布了重復(fù)使用法爾肯-9火箭方案。重復(fù)使用法爾肯-9火箭方案包括重復(fù)使用的一子級(jí)和二子級(jí)，第一級(jí)由亞軌道垂直返回發(fā)射場(chǎng)，第二級(jí)在軌道分離后，也是垂直返回發(fā)射場(chǎng)（見圖5）。為了研發(fā)重復(fù)使用法爾肯-9火箭，SpaceX公司制定了多元、漸進(jìn)式發(fā)展的重復(fù)使用技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃。法爾肯-9火箭一子級(jí)的回收開展了大量試驗(yàn)驗(yàn)證，并成功進(jìn)行了10余次的海上平臺(tái)和陸上回收，實(shí)現(xiàn)了兩次重復(fù)使用（截至2017年8月）。

另外，美國(guó)藍(lán)源公司也提出了一子級(jí)垂直返回回收的新格倫號(hào)系列運(yùn)載火箭（見圖6）。

新格倫號(hào)火箭具有兩級(jí)和三級(jí)兩種構(gòu)型，火箭的直徑約為7 m，一子級(jí)由7臺(tái)BE-4液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)提供17 000 kN的推力，其一子級(jí)在上升段分離后，垂直返回著陸于海上平臺(tái)實(shí)施回收，與法爾肯-9火箭采用柵格翼不同，其回收過程采用氣動(dòng)舵面實(shí)施氣動(dòng)控制。

1.3 帶翼飛回

帶翼飛回回收的典型代表是俄羅斯提出的貝加爾號(hào)有翼助推器方案，俄羅斯針對(duì)新型運(yùn)載火箭安加拉號(hào)推出了兩種助推器回收方案，其中一種是貝加爾號(hào)有翼助推器方案；另一種是傘降+直升機(jī)空中回收方案。

貝加爾計(jì)劃始于1998年底，貝加爾號(hào)為第一級(jí)帶翼飛回式助推器，可飛回發(fā)射場(chǎng)以自動(dòng)方式像飛機(jī)一樣著陸，可重復(fù)使用100次。貝加爾號(hào)在通用芯級(jí)助推器中的某些結(jié)構(gòu)部件和推進(jìn)部件采用了現(xiàn)成技術(shù)，設(shè)計(jì)可展開式機(jī)翼以及全動(dòng)式尾翼和一臺(tái)輔助渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)[12,13]，其外觀模型如圖7所示。

1.4 升力體式

1.4.1 航天飛機(jī)軌道器

全升力體式構(gòu)型的典型代表是美國(guó)的航天飛機(jī)軌道器（見圖8），1981年首飛，2011年退役。按設(shè)計(jì)要求每架軌道器可重復(fù)使用100次，每次最多可將29.5 t的有效載荷送入近地軌道，將14.5 t的有效載荷帶回地面。軌道器可載3～7人，在軌道上停留7～30天，進(jìn)行交會(huì)、對(duì)接、?？?、執(zhí)行人員和貨物運(yùn)送、空間試驗(yàn)、衛(wèi)星發(fā)射、檢修和回收等任務(wù)。迄今為止，NASA共生產(chǎn)過6架航天飛機(jī)軌道器，執(zhí)行任務(wù)135次。

1.4.2 云霄塔

云霄塔是英國(guó)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司聯(lián)合歐洲其他研究機(jī)構(gòu)正在研制的新一代單級(jí)入軌空天飛行器，其構(gòu)型如圖9所示。

首架云霄塔（Skylon C1）的總體設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，總起飛重量約 275 t，采用細(xì)長(zhǎng)機(jī)身設(shè)計(jì)，機(jī)體長(zhǎng)約85 m，翼展25 m，內(nèi)置推進(jìn)劑儲(chǔ)存艙、載荷艙等，機(jī)身中段的翼尖位置對(duì)稱安裝2臺(tái)佩刀（SABRE）發(fā)動(dòng)機(jī)，具備將長(zhǎng)12 m、直徑4.6 m、重約12 t的有效載荷送入300 km軌道的能力，計(jì)劃2019年開展驗(yàn)證飛行器的地面靜態(tài)試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)。

2 運(yùn)載火箭子級(jí)回收技術(shù)分類對(duì)比分析

2.1 技術(shù)難度

對(duì)于傘降回收方式，國(guó)外已有成功回收經(jīng)驗(yàn)，其主要難度在于降落傘和著陸緩沖裝置的設(shè)計(jì)上，中國(guó)在降落傘技術(shù)和氣囊著陸緩沖裝置設(shè)計(jì)方面具有較好的基礎(chǔ)，技術(shù)難度較小。對(duì)于垂直返回式回收，具有法爾肯-9運(yùn)載火箭的成功先例，但其涉及到高精度控制等關(guān)鍵技術(shù)相對(duì)較多，對(duì)于中國(guó)當(dāng)前基礎(chǔ)來說，尚待攻關(guān)。若考慮二子級(jí)回收，無論是傘降回收還是垂直返回式回收，技術(shù)難點(diǎn)將集中體現(xiàn)在二子級(jí)的再入熱防護(hù)和控制等技術(shù)上。

帶翼飛回式回收的難點(diǎn)在于復(fù)雜氣動(dòng)外形總體優(yōu)化設(shè)計(jì)、高速再入過程控制技術(shù)、熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及二次動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，機(jī)翼往往在上升段折疊，在回收段展開，其控制技術(shù)多采用反作用控制系統(tǒng)（Reaction Control System，RCS）與舵面聯(lián)合控制，控制系統(tǒng)復(fù)雜，若添加二次動(dòng)力系統(tǒng)，整體系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)難度相對(duì)更大。在傳統(tǒng)火箭構(gòu)型上尚未有成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

因此，一子級(jí)或助推器傘降回收和垂直返回技術(shù)難度相對(duì)較小，而二子級(jí)再入返回技術(shù)難度較大，帶翼飛回式技術(shù)難度較大。

2.2 對(duì)總體設(shè)計(jì)體系的影響

采用傘降回收方式，運(yùn)載火箭子級(jí)只需要提供降落傘系統(tǒng)、緩沖氣囊的安裝布局空間。降落傘系統(tǒng)一般布置在級(jí)間段位置，緩沖氣囊一般采用前后布局方案，可布置在級(jí)間段、箱間段、后過渡段等位置。為便于著陸，降落過程中子級(jí)姿態(tài)將由垂直姿態(tài)轉(zhuǎn)換為水平姿態(tài)，降落傘需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換吊掛，箭體結(jié)構(gòu)需要提供吊掛點(diǎn)，并預(yù)埋吊線。這些對(duì)火箭總體設(shè)計(jì)的影響較小。

對(duì)于垂直返回式回收，首先需要在火箭尾部添加多個(gè)著陸支撐機(jī)構(gòu)，總體設(shè)計(jì)布局方面需要提供著陸支撐機(jī)構(gòu)的安裝空間，上升過程中著陸支撐機(jī)構(gòu)為折疊狀態(tài)，返回過程展開；同時(shí)還需要增加用于返回過程的控制系統(tǒng)和氣動(dòng)舵設(shè)計(jì)，貯箱內(nèi)部增加推進(jìn)劑管理系統(tǒng)?？傊?，這些都是在傳統(tǒng)火箭設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的改進(jìn)，對(duì)構(gòu)型調(diào)整較小，對(duì)整體設(shè)計(jì)影響不大。

對(duì)于帶翼飛回式回收，助推器整體構(gòu)型發(fā)生了較大變化，改進(jìn)設(shè)計(jì)需要綜合翼面、舵面和著陸緩沖系統(tǒng)等，對(duì)火箭的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和加工制造體系都帶來較大的影響，還需在特定的機(jī)場(chǎng)實(shí)施降落；若考慮采用吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣就進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和設(shè)計(jì)難度。

因此，傘降回收和垂直返回式回收對(duì)于運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)都有一定影響，但影響較??；帶翼飛回式回收對(duì)總體設(shè)計(jì)影響較大。

2.3 運(yùn)載能力損失

對(duì)于傘降回收方式，運(yùn)載火箭子級(jí)需要增加降落傘系統(tǒng)、緩沖氣囊系統(tǒng)，同時(shí)，地面著陸回收對(duì)于一子級(jí)的落區(qū)有要求，使得一子級(jí)飛行彈道不一定能夠按照最優(yōu)飛行彈道設(shè)計(jì)，造成一定的運(yùn)載能力損失，初步分析表明傘降回收對(duì)運(yùn)載能力損失一般不超過10%。

對(duì)于垂直返回式回收，運(yùn)載火箭子級(jí)在分離時(shí)，貯箱中需要保留一定的推進(jìn)劑，用于返回過程發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火減速，將造成火箭運(yùn)載能力損失；對(duì)于垂直返回原場(chǎng)，分析表明損失幅度達(dá)到 40%以上；對(duì)于不返回原場(chǎng)，其損失也能達(dá)到 20%以上。此外，子級(jí)需要加裝制導(dǎo)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、貯箱推進(jìn)劑管理系統(tǒng)、著陸支撐機(jī)構(gòu)等，也會(huì)對(duì)運(yùn)載能力有一定影響。

對(duì)于帶翼飛回式回收，結(jié)構(gòu)上需要增加翼面、舵面、著陸緩沖系統(tǒng)，甚至增加吸氣式動(dòng)力系統(tǒng)等，還需要增加熱防護(hù)系統(tǒng)，所增加的重量對(duì)運(yùn)載能力將造成較大影響。若子級(jí)或助推采用飛回式方案，同樣有返回原場(chǎng)與不返回原場(chǎng)兩種形式，返回原場(chǎng)需要進(jìn)行橫向減速，運(yùn)載能力損失較大；不返回原場(chǎng)相對(duì)損失小一些。分析表明：運(yùn)載能力損失均在 30%以上，具體情況根據(jù)具體方案略有不同。

因此，各種回收都會(huì)使運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力下降，采用垂直返回式回收和帶翼飛回式回收，火箭運(yùn)載能力下降幅度相對(duì)較大。

2.4 對(duì)主發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求

傘降回收方式，子級(jí)在返回過程中無需再次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，只是發(fā)動(dòng)機(jī)在再入與著陸過程需要具有一定的抗過載和沖擊的能力，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)做適應(yīng)性加強(qiáng)設(shè)計(jì)；垂直返回式回收，返回過程中需重啟發(fā)動(dòng)機(jī)2～3次，由于過載和著陸精度等約束還需主發(fā)動(dòng)機(jī)具備大范圍推力調(diào)節(jié)的能力；帶翼飛回式回收，類似飛機(jī)滑翔降落于預(yù)定著陸場(chǎng)，對(duì)比異地返場(chǎng)，原場(chǎng)返回一般需重啟發(fā)動(dòng)機(jī) 1次，也需要一定的推力調(diào)節(jié)能力，但不需要大范圍推力調(diào)節(jié)。

2.5 回收過程復(fù)雜性

對(duì)于傘降回收方式，無論是返回原場(chǎng)還是不返回原場(chǎng)，由于降落傘控制精度較低，其落區(qū)范圍較大，即使采用了落點(diǎn)精度較好的翼傘回收，其落區(qū)范圍依然較大，需要開展一定的子級(jí)降落后的搜索工作。

對(duì)于垂直返回和飛回回收方式，由于采用多種控制設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)著陸地點(diǎn)的精確控制，能夠很好地控制子級(jí)回收落點(diǎn)位置，無需開展子級(jí)降落后的搜索。

2.6 回收方式對(duì)比

綜上所述，傘降回收、垂直返回以及帶翼飛回式回收3種回收技術(shù)途徑的對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 3種回收方式對(duì)比

各種回收方式都具有自身的特點(diǎn)，對(duì)于選擇何種回收方式，應(yīng)根據(jù)自身運(yùn)載火箭的技術(shù)及發(fā)展情況，以及自身的任務(wù)需求，進(jìn)行最合適的選擇。

3 重復(fù)使用運(yùn)載火箭關(guān)鍵技術(shù)

3.1 重復(fù)使用運(yùn)載火箭總體優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

與一次性運(yùn)載火箭相比，重復(fù)使用運(yùn)載火箭不僅涉及到上升段，還涉及到返回段。返回過程涉及到總體、彈道、氣動(dòng)、控制、載荷、防熱、結(jié)構(gòu)等多個(gè)專業(yè)，且各專業(yè)之間耦合強(qiáng)、相互約束，設(shè)計(jì)約束更新、更多，重復(fù)使用運(yùn)載火箭的總體設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)方法較一次性運(yùn)載火箭更復(fù)雜，需要開展上升段與返回段聯(lián)合設(shè)計(jì)，以及多專業(yè)之間的聯(lián)合設(shè)計(jì)。對(duì)于帶控制的子級(jí)回收過程，還需要開展控制方案設(shè)計(jì)和一子級(jí)的氣動(dòng)輔助裝置設(shè)計(jì)，涉及到更多新的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。從火箭技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)看，總體設(shè)計(jì)中還需考慮全壽命周期的系統(tǒng)融合設(shè)計(jì)，采用智能技術(shù)，提高火箭的智能化水平，有利于重復(fù)使用運(yùn)載火箭性能提升。

3.2 子級(jí)回收技術(shù)

運(yùn)載火箭的重復(fù)使用首先需要解決運(yùn)載火箭發(fā)射后子級(jí)的回收問題，確保運(yùn)載火箭子級(jí)的安全回收。子級(jí)回收技術(shù)也是重復(fù)使用運(yùn)載火箭首先需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)不同的子級(jí)回收方式，其具體涉及到相關(guān)子技術(shù)不同。傘降回收涉及到群傘系統(tǒng)及大型緩沖裝置設(shè)計(jì)技術(shù)；垂直返回式回收涉及到高精度控制、著陸支撐和發(fā)動(dòng)機(jī)大范圍推力調(diào)節(jié)等技術(shù)；帶翼飛回式回收和全升力體式涉及到外形優(yōu)化設(shè)計(jì)、返回控制、著陸緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)、防熱等技術(shù)。相對(duì)于一子級(jí)的回收，二子級(jí)由于從軌道再入，其環(huán)境更為惡劣，回收過程面臨防熱、控制等更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

3.3 重復(fù)使用設(shè)計(jì)技術(shù)

從一次性使用到重復(fù)使用，一次性運(yùn)載火箭的考慮范圍和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則已不再完全適用，需要開展相關(guān)重復(fù)使用設(shè)計(jì)技術(shù)研究，包括：發(fā)動(dòng)機(jī)、結(jié)構(gòu)、伺服等?？芍貜?fù)使用設(shè)計(jì)方案較現(xiàn)有一次性使用設(shè)計(jì)方案有較大不同，需要在設(shè)計(jì)初期就把操作、維護(hù)、壽命周期和成本等作為主要考慮因素，并重點(diǎn)對(duì)影響重復(fù)使用的因素進(jìn)行分析。針對(duì)不同回收方式和工作過程環(huán)境，對(duì)關(guān)鍵部位采取合理的改進(jìn)措施，提高其可靠性及重復(fù)使用性能，降低發(fā)射成本。

3.4 監(jiān)測(cè)、維護(hù)和評(píng)估技術(shù)

由于重復(fù)使用運(yùn)載火箭需要具備重復(fù)執(zhí)行多次飛行任務(wù)的條件，在全壽命周期內(nèi)需要進(jìn)行相關(guān)重復(fù)使用箭體和關(guān)鍵部件的健康監(jiān)測(cè)，返回期間需要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)，對(duì)關(guān)鍵易損部件要進(jìn)行維護(hù)、維修或更換。另外對(duì)其是否可以進(jìn)行再次使用要進(jìn)行有效的評(píng)估。因此需要對(duì)箭體回收后的檢測(cè)內(nèi)容、檢測(cè)方法、檢測(cè)流程和維修方法以及重復(fù)使用評(píng)估手段進(jìn)行研究。

4 重復(fù)使用運(yùn)載火箭經(jīng)濟(jì)性分析

重復(fù)使用運(yùn)載火箭成本由研制費(fèi)、制造費(fèi)、發(fā)射場(chǎng)費(fèi)用、回收費(fèi)、維護(hù)維修費(fèi)和其他費(fèi)用構(gòu)成[14,15]。研制費(fèi)是從方案階段到生產(chǎn)研制階段所花費(fèi)的各類研制費(fèi)用的總和；制造費(fèi)是指制造火箭所需要的硬件產(chǎn)品的費(fèi)用；發(fā)射場(chǎng)費(fèi)用主要由推進(jìn)劑費(fèi)用、發(fā)射前操作、發(fā)射場(chǎng)管理和地面技術(shù)支持等費(fèi)用構(gòu)成；回收費(fèi)主要包括每次發(fā)射后箭體結(jié)構(gòu)的回收、運(yùn)輸和檢查等費(fèi)用；維護(hù)維修費(fèi)包括每次發(fā)射后火箭主要部件的維護(hù)費(fèi)用、修復(fù)更換費(fèi)用以及維修的人工成本等；其他費(fèi)用為其他不可預(yù)測(cè)的費(fèi)用。

4.1 研制費(fèi)對(duì)發(fā)射成本的影響

為了考察研制費(fèi)的影響，以研制一型、中型、重復(fù)使用運(yùn)載火箭為例，假設(shè)制造運(yùn)載火箭枚數(shù)一定（20枚），維護(hù)維修費(fèi)占制造費(fèi)的 20%，研制費(fèi)分別是制造費(fèi)的10倍、20倍和50倍，得到一子級(jí)重復(fù)使用運(yùn)載火箭的平均發(fā)射成本與制造費(fèi)之比C/Cm同單枚運(yùn)載火箭發(fā)射次數(shù)關(guān)系如圖10所示。

由圖10可知，降低研制費(fèi)，有利于降低重復(fù)使用運(yùn)載火箭發(fā)射成本。但是隨著發(fā)射次數(shù)的增加，研制費(fèi)的高低對(duì)發(fā)射成本的降低影響減小，因此，若研制費(fèi)用過高，則需要足夠的重復(fù)使用次數(shù)來分?jǐn)傃兄瀑M(fèi)用。

4.2 產(chǎn)品數(shù)量與發(fā)射次數(shù)對(duì)發(fā)射成本的影響

為了考察產(chǎn)品數(shù)量和發(fā)射次數(shù)對(duì)發(fā)射成本的影響，在研制費(fèi)和維護(hù)維修費(fèi)一定的條件下，制造不同枚數(shù)的運(yùn)載火箭，每枚運(yùn)載火箭重復(fù)使用不同次數(shù)，則一子級(jí)重復(fù)使用運(yùn)載火箭的平均發(fā)射成本與制造費(fèi)之比 C/Cm同單枚運(yùn)載火箭發(fā)射次數(shù)關(guān)系如圖11所示。

由圖11可知，當(dāng)運(yùn)載火箭制造枚數(shù)和每枚運(yùn)載火箭發(fā)射次數(shù)較少，也就是發(fā)射總次數(shù)比較少時(shí)，一子級(jí)重復(fù)使用后，單枚運(yùn)載火箭的發(fā)射成本仍然很高；只有批量生產(chǎn)和發(fā)射次數(shù)增多，一子級(jí)重復(fù)使用才能大幅降低發(fā)射成本。

4.3 維護(hù)維修費(fèi)對(duì)發(fā)射成本影響

假設(shè)制造運(yùn)載火箭枚數(shù)為20枚，維護(hù)維修費(fèi)分別占制造費(fèi)的 20%、30%、40%和 50%時(shí)，得到一子級(jí)重復(fù)使用運(yùn)載火箭的平均發(fā)射成本與制造費(fèi)之比C/Cm同單枚運(yùn)載火箭發(fā)射次數(shù)關(guān)系如圖12所示，

由圖12可知，降低維修費(fèi)，有利于降低重復(fù)使用運(yùn)載火箭發(fā)射成本。另外，隨著重復(fù)使用次數(shù)增多，其維護(hù)維修費(fèi)往往會(huì)增加，導(dǎo)致后續(xù)發(fā)射成本增加，如圖13所示（重復(fù)使用次數(shù)每增加一次，維護(hù)維修費(fèi)增加 1%），因此，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)重復(fù)使用次數(shù)。未來隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，特別是智能技術(shù)的應(yīng)用，維護(hù)維修費(fèi)有望不斷降低。

綜上所述，重復(fù)使用可以降低運(yùn)載火箭的發(fā)射成本，但其對(duì)成本的降低需要滿足相關(guān)的條件。

5 未來重復(fù)使用運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展展望

重復(fù)使用是運(yùn)載火箭的必然發(fā)展趨勢(shì)，通過對(duì)重復(fù)使用運(yùn)載火箭技術(shù)的深入分析，結(jié)合中國(guó)發(fā)展情況，同時(shí)參考國(guó)外發(fā)展態(tài)勢(shì)，中國(guó)還將繼續(xù)深入開展運(yùn)載火箭子級(jí)回收和重復(fù)使用設(shè)計(jì)等各項(xiàng)技術(shù)研究，并適時(shí)開展飛行演示驗(yàn)證，全面突破相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，并向在研和在役運(yùn)載火箭型號(hào)推廣應(yīng)用，如 CZ-7、CZ-8運(yùn)載火箭等型號(hào)在后續(xù)發(fā)展中可考慮子級(jí)的回收和重復(fù)使用，包括解決內(nèi)陸發(fā)射場(chǎng)的運(yùn)載火箭子級(jí)落區(qū)安全控制問題。

另外，升力體式也是重復(fù)使用運(yùn)載技術(shù)的重要發(fā)展方向，對(duì)于升力體重復(fù)使用運(yùn)載器，通過對(duì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況的分析，結(jié)合中國(guó)重復(fù)使用運(yùn)載器的技術(shù)研究現(xiàn)狀及技術(shù)基礎(chǔ)，提出中國(guó)發(fā)展升力體式重復(fù)使用運(yùn)載器“三步走”的技術(shù)發(fā)展思路。第一步：火箭動(dòng)力部分重復(fù)使用實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用；第二步：火箭動(dòng)力的兩級(jí)入軌重復(fù)使用實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用；第三步：水平起降組合動(dòng)力重復(fù)使用運(yùn)載器實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

火箭動(dòng)力方面：首先可以選擇現(xiàn)有液氧/煤油或液氫/液氧動(dòng)力實(shí)現(xiàn)飛行試驗(yàn)和形成初步的重復(fù)使用天地往返能力，同時(shí)大力發(fā)展液氧/甲烷動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性擇優(yōu)的火箭動(dòng)力選擇，完善重復(fù)使用運(yùn)載火箭型譜；組合動(dòng)力方面：同時(shí)開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和集成演示驗(yàn)證；智能技術(shù)應(yīng)用方面：開展智慧型重復(fù)使用火箭的技術(shù)攻關(guān)，并加強(qiáng)智能技術(shù)在重復(fù)使用運(yùn)載火箭的研制、試驗(yàn)、制造、維護(hù)、評(píng)估中的應(yīng)用，進(jìn)一步降低成本和提高可靠性。

在形成天地往返重復(fù)使用運(yùn)輸能力的同時(shí)，結(jié)合在軌加注開展軌道間的重復(fù)使用運(yùn)載器的研究，形成天地往返+軌道間重復(fù)使用運(yùn)輸?shù)母窬帧?/p>

隨著進(jìn)出空間需求的不斷增加，天地往返將變得越來越頻繁和廉價(jià)，組合動(dòng)力單級(jí)入軌或天梯等新型運(yùn)輸方式也將變成現(xiàn)實(shí)。

6 結(jié) 論

重復(fù)使用是運(yùn)載火箭發(fā)展的必然途徑，備受國(guó)際航天界重視，中國(guó)還需大力發(fā)展重復(fù)使用運(yùn)載火箭技術(shù)。

子級(jí)回收是實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用首先需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，子級(jí)回收的各類方式有其基本適應(yīng)性，需要因地制宜，結(jié)合國(guó)情和自身情況，選擇適當(dāng)?shù)姆绞健?/p>

開展重復(fù)使用運(yùn)載火箭的研制，需要平衡好可靠性與低成本之間的關(guān)系，重復(fù)使用運(yùn)載火箭的批產(chǎn)數(shù)量、重復(fù)使用次數(shù)和維護(hù)維修費(fèi)等都將嚴(yán)重影響發(fā)射成本。

重復(fù)使用未來將走向天地往返+重復(fù)使用空間運(yùn)輸，支撐中國(guó)空間資產(chǎn)的維護(hù)、空間資源的開發(fā)和大規(guī)模深空探測(cè)等任務(wù)。

本文特獻(xiàn)給中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院建院60周年紀(jì)念

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Progress and Prospect of Reusable Launch Vehicle Technology

Lu Yu1, Wang Xiao-wei2, Gao Chao-hui2, Shen Lin2, Zhuang Fang-fang2
(1. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076;2. R&D Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, 100076, Beijing)

The development status of reusable launch vehicle technology is described firstly from parachute-landing,vertical-landing, winged-landing and lift-body types. And different types of launch vehicle recovery technology are compared with each other from several aspects, including technology difficulty, impact of design system, loss of performance, requirement of main engine and accuracy of landing. The four main key technologies are analyzed, and the launch cost analysis is conducted. In the end, the future development roadmap of reusable launch vehicle technology is concluded. The reusable is a promising technology of launch vehicle, and will be developed continuously in China. The reusable technology may become reusable access space system + reusable orbit transportation system.

Launch vehicle; Reusable; Substage recovery

V475.1

A

1004-7182(2017)05-0001-07

10.7654/j.issn.1004-7182.20170501

2017-09-15

魯 宇（1958-），男，研究員，現(xiàn)任中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院科技委主任，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)