王 玨，蔡巧言，王 飛，聞 悅

（中國運載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

0 引 言

重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)是指基于天地往返運輸技術(shù)發(fā)展起來的，可實現(xiàn)運送有效載荷快速廉價進(jìn)入空間、駐留空間實施在軌服務(wù)，以及攜帶空間載荷按需返回地面等功能的航天運載器系統(tǒng)，其目標(biāo)是發(fā)展“廉價、快速、可靠”的航天運輸工具，既是航天運輸技術(shù)的重要發(fā)展方向，也是實現(xiàn)快速進(jìn)出、有效利用空間的重要手段。

為了貫徹重復(fù)使用設(shè)計理念和簡易發(fā)射方式，有效縮短發(fā)射周期、提高發(fā)射靈活性，與一次性航天器相比，重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)對發(fā)射運行維護(hù)提出了新的需求。本文深入分析了重復(fù)使用運載器的研制特點及難點，從運維中心、快速發(fā)射、檢測與評估等方面梳理了重復(fù)使用對發(fā)射運維的需求，有力支撐重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)的發(fā)展，最終實現(xiàn)自由進(jìn)出空間、高效利用空間、和平開發(fā)空間。

1 國外重復(fù)使用技術(shù)發(fā)展概述

1.1 美國

美國高度重視重復(fù)使用技術(shù)，持續(xù)開展了重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、飛行試驗與應(yīng)用，其發(fā)展歷程如圖1 所示。

圖1 美國重復(fù)使用技術(shù)發(fā)展歷程Fig.1 Development of Reusable Launch Vehicles in the U.S.

當(dāng)前，美國通過政府層面和私營公司層面多途徑并行發(fā)展重復(fù)使用技術(shù)。政府層面，首要目標(biāo)是降低成本，發(fā)展火箭動力多級入軌運輸系統(tǒng)。重復(fù)使用運載器作為運輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)級或助推器首先實現(xiàn)工程應(yīng)用；開展空間運載器技術(shù)驗證飛行試驗，積累空間運載器的使用經(jīng)驗；同時，瞄準(zhǔn)未來發(fā)展，積極開展組合動力關(guān)鍵技術(shù)研究，為實現(xiàn)單級入軌奠定技術(shù)基礎(chǔ)。私營公司方面，積極開展垂直起降火箭、亞軌道運載器等重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)應(yīng)用研究。

1.2 歐洲

歐洲重復(fù)使用技術(shù)的發(fā)展由早期的一味追求先進(jìn)性轉(zhuǎn)而發(fā)展成漸進(jìn)式研究，當(dāng)前強(qiáng)調(diào)技術(shù)推動并滿足商業(yè)需求，但尚未形成國家級計劃，其發(fā)展歷程如圖2所示。

圖2 歐洲重復(fù)使用技術(shù)發(fā)展歷程Fig.2 Development of Reusable Launch Vehicles in Europe

1.3 俄羅斯

俄羅斯/蘇聯(lián)早期為了同美國競爭，研制了暴風(fēng)雪號航天飛機(jī)，因其操作費用過高而未獲得實際應(yīng)用。當(dāng)前在超燃沖壓發(fā)動機(jī)、飛回式助推器技術(shù)取得重要突破，其發(fā)展歷程如圖3 所示。

圖3 俄羅斯重復(fù)使用技術(shù)發(fā)展歷程Fig.3 Development of Reusable Launch Vehicles in Russia

2 重復(fù)使用運載器研制特點及難點

2.1 任務(wù)特點

重復(fù)使用運載器兼具“星、箭、船、彈、飛機(jī)”特點，飛行任務(wù)跨越多個空域，速度范圍涵蓋多個速域，是一種全新的航天器。與一次性使用航天器相比，重復(fù)使用運載器的任務(wù)特點包括：天地往返、重復(fù)使用，承載靈活、服務(wù)多樣，自主返航、水平著陸，維護(hù)方便、成本低廉等。

a）天地往返，重復(fù)使用。

重復(fù)使用運載器在任務(wù)剖面、使用環(huán)境、設(shè)計理念上與傳統(tǒng)一次性航天器很不相同，設(shè)計上更加復(fù)雜，除了考慮任務(wù)剖面內(nèi)各飛行階段的環(huán)境外，高可靠性、重復(fù)使用性、可維修保障等必須在運載器設(shè)計之初即通盤考慮。

b）承載靈活，服務(wù)多樣。

重復(fù)使用運載器可根據(jù)不同任務(wù)需求靈活承載不同載荷，既可實現(xiàn)規(guī)?；l(fā)射、應(yīng)急發(fā)射等高密度發(fā)射活動，快速廉價執(zhí)行低成本發(fā)射民用任務(wù)；也可執(zhí)行快速進(jìn)出空間操作，有效執(zhí)行空間支援等軍事任務(wù)，以及攜帶空間載荷按需返回地面等。

c）自主返航，水平著陸。

重復(fù)使用運載器完成空間任務(wù)結(jié)束后，離軌再入大氣層，自主飛行控制返回，水平著陸于指定著陸場跑道。這是運載器實現(xiàn)天地往返、重復(fù)使用的基礎(chǔ)能力。

d）維護(hù)方便，成本低廉。

重復(fù)使用運載器可以像常規(guī)飛機(jī)一樣進(jìn)行快速維修維護(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)10 天10 次發(fā)射甚至更高的重復(fù)飛行目標(biāo)，可以滿足運載器再次發(fā)射的快速維護(hù)保障需求，維護(hù)成本低廉。

重復(fù)使用運載器與一次性航天器對比如表1所示。

表1 重復(fù)使用運載器與一次性航天器對比Tab.1 Comparison Between Reusable Launch Vehicle and Expensable Spacecraft

2.2 研制特點

與一次性航天器相比，重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)研制的關(guān)鍵在于如何解決由一次性使用向有限次重復(fù)使用轉(zhuǎn)變的問題，并兼顧技術(shù)可實現(xiàn)性和經(jīng)濟(jì)可承受性。從總體頂層權(quán)衡性能和經(jīng)濟(jì)性，構(gòu)建重復(fù)使用技術(shù)指標(biāo)體系，具備全壽命周期自主保障能力和健康管理能力，確保實現(xiàn)高可靠、長壽命、低成本。同時面向運載器的重復(fù)使用，解決總體設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱防護(hù)設(shè)計、機(jī)構(gòu)與起落架設(shè)計、動力設(shè)計、控制設(shè)計、試驗、產(chǎn)品制造等方面的問題。

a）總體設(shè)計方面。

重復(fù)使用運載器飛行任務(wù)剖面涵蓋類似運載火箭的發(fā)射上升段，也涵蓋類似衛(wèi)星的在軌運行段，同時還涵蓋類似飛船的再入返回段及飛機(jī)的進(jìn)場著陸與滑跑停機(jī)等階段，設(shè)計上需綜合考慮各個階段涉及的熱環(huán)境、力學(xué)環(huán)境、電磁環(huán)境、空間環(huán)境等。

重復(fù)使用總體技術(shù)指標(biāo)體系如圖4 所示。從避免發(fā)生故障角度確保運載器重復(fù)使用能力，需要考慮冗余裕度設(shè)計等，涉及壽命指標(biāo)和可靠性指標(biāo)。從提前發(fā)現(xiàn)故障角度確保運載器重復(fù)使用能力，涉及預(yù)測與健康管理指標(biāo)。從解決故障的角度確保運載器重復(fù)使用能力，涉及維護(hù)維修指標(biāo)。運載器可靠性設(shè)計需重點關(guān)注任務(wù)可靠性、基本可靠性（平均故障間隔時間）和壽命指標(biāo)。

圖4 重復(fù)使用總體技術(shù)指標(biāo)體系Fig.4 Indicator System of Reusable Launch Vehicle General Design

此外，總體頂層設(shè)計還需要提出重復(fù)使用次數(shù)（經(jīng)濟(jì)性）、使用壽命、測試性指標(biāo)、健康狀態(tài)評估指標(biāo)等指標(biāo)要求。

重復(fù)使用全壽命周期費用組成如圖5 所示，包括研制費用、制造費用、發(fā)射費用、操作維護(hù)費用和其他費用。

圖5 重復(fù)使用全壽命周期費用組成Fig.5 Life Cycle Cost Composition of Reusable Launch Vehicle

生產(chǎn)架次與飛行次數(shù)對應(yīng)的平均壽命周期費用如圖6 所示。生產(chǎn)制造架次越多，單架單次飛行平均全壽命周期費用越低，運載器生產(chǎn)制造架次達(dá)到3 架次以上時，單架單次飛行平均全壽命周期費用開始逐步收斂并趨平穩(wěn)。

圖6 生產(chǎn)架次與飛行次數(shù)對應(yīng)的平均壽命周期費用Fig.6 Average Life Cycle Cost Corresponding to the Number of Production for Different Numbers of Flights per Vehicle

單架飛行次數(shù)對應(yīng)的平均壽命周期費用如圖7 所示。單架飛行次數(shù)越多，單架單次飛行平均全壽命周期費用越低，飛行次數(shù)大于10 次時，單架單次飛行平均全壽命周期費用逐步收斂并趨于平穩(wěn)。

圖7 單架飛行次數(shù)對應(yīng)的平均壽命周期費用Fig.7 Average Life Cycle Cost Corresponding to the Number of Flights per Vehicle

b）結(jié)構(gòu)設(shè)計方面。

傳統(tǒng)一次性航天器注重結(jié)構(gòu)的極限承載，以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度為主要設(shè)計準(zhǔn)則，而重復(fù)使用運載器與飛機(jī)類似，更注重結(jié)構(gòu)重復(fù)使用壽命，通過設(shè)計確保使用壽命內(nèi)的結(jié)構(gòu)完整性，以結(jié)構(gòu)完整性大綱為依據(jù)，建立完善的重復(fù)使用結(jié)構(gòu)設(shè)計體系，除了最基礎(chǔ)的靜強(qiáng)度、剛度、損傷容限及耐久性設(shè)計準(zhǔn)則外，設(shè)計還需面向各種環(huán)境下的使用維護(hù)進(jìn)行評估分析。

c）熱防護(hù)設(shè)計方面。

熱防護(hù)在再入過程中面臨復(fù)雜的氣動力、熱、噪聲和振動等外界環(huán)境，尤其是氣動熱環(huán)境引起的溫度問題尤為突出。熱防護(hù)需要滿足非燒蝕特性以保證氣動外形和熱結(jié)構(gòu)的可重復(fù)使用性，這對材料體系提出了很高的要求。此外，活動部件的熱密封問題也是熱防護(hù)設(shè)計上需重點解決關(guān)鍵問題。

d）機(jī)構(gòu)與起落架設(shè)計方面。

重復(fù)使用運載器在機(jī)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和壽命設(shè)計上與飛機(jī)遵循著類似要求，同時由于使用環(huán)境不同，重復(fù)使用運載器還需要機(jī)構(gòu)和起落架系統(tǒng)適應(yīng)空間環(huán)境，這些均是傳統(tǒng)一次性航天器研制中未涉及的新需求。

e）動力設(shè)計方面。

無論主發(fā)動機(jī)，還是姿軌控發(fā)動機(jī)，重復(fù)使用運載器均對發(fā)動機(jī)的重復(fù)使用提出了迫切的需求，這需要動力系統(tǒng)按照重復(fù)使用的設(shè)計理念開展設(shè)計。

f）導(dǎo)航制導(dǎo)控制設(shè)計方面。

重復(fù)使用運載器復(fù)雜的任務(wù)剖面決定了其使用的導(dǎo)航設(shè)備多、制導(dǎo)控制模式多、執(zhí)行機(jī)構(gòu)多，控制上往往是多執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)復(fù)合控制，控制冗余重構(gòu)設(shè)計更加復(fù)雜。

g）健康管理設(shè)計方面。

飛機(jī)的使用環(huán)境是大氣層內(nèi)，而重復(fù)使用運載器不僅需要在大氣層內(nèi)飛行，還需要承受外空間環(huán)境的巨大溫差和惡劣的輻射環(huán)境等問題，傳感器選型、傳感器布點和信號傳輸與處理是健康管理設(shè)計的三個關(guān)鍵技術(shù)。首先，在空間環(huán)境工作的傳感器選型是一大難點。其次，由于使用環(huán)境惡劣，傳感器的布點很有局限性，極可能采集不到關(guān)鍵特征值，傳感器布點也是一大難點。再次，在巨大溫差和惡劣的輻射環(huán)境，部分傳感器采集的信號會在重復(fù)使用運載器上直接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，很多數(shù)據(jù)需要打包發(fā)送到地面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并返回重復(fù)使用運載器上，極可能使采集的信號傳遞有誤，造成虛警或者誤判斷，甚至誤操作。

h）試驗方面。

重復(fù)使用運載器的飛行任務(wù)剖面決定了其研制試驗項目既要參考傳統(tǒng)運載火箭和衛(wèi)星的研制試驗項目，設(shè)置力學(xué)試驗（包括靜力、模態(tài)等）、電功能測試、電磁兼容試驗等，同時也要參考飛機(jī)設(shè)置疲勞、伺服彈性、起落架收放、牽引滑跑等試驗。另外重復(fù)使用運載器再入面臨的嚴(yán)峻氣動加熱問題、再入熱噪聲問題、高載荷高熱流下的冷熱結(jié)構(gòu)匹配問題，是傳統(tǒng)一次性航天器和飛機(jī)所不需要考慮的新問題，這些新問題也需要采取試驗手段進(jìn)行考核和驗證，對試驗設(shè)施、試驗方案設(shè)計、試驗實施等均提出新要求。

i）產(chǎn)品制造方面。

重復(fù)使用運載器輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求需要大量采用復(fù)合材料，并廣泛采用一體化成型技術(shù)，這些需求對復(fù)合結(jié)構(gòu)研制、工藝成型、批生產(chǎn)等的能力均有很高的要求。需要深入開展復(fù)合材料成型工藝優(yōu)化與工程化研制能力研究，實現(xiàn)高精度自動化成型能力，滿足大尺寸整體輕質(zhì)化和高性能化的需要；實現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件鋪層設(shè)計、工藝設(shè)計、車間制造等全過程的仿真模擬數(shù)字流貫通，滿足批產(chǎn)要求等。此外，與一次性航天器和飛機(jī)不同，重復(fù)使用運載器非燒蝕熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計對高效防熱、低密度熱結(jié)構(gòu)、防隔熱瓦、隔熱氈等均有很高的要求，對熱防護(hù)材料的制備工藝穩(wěn)定性、批生產(chǎn)能力等也有迫切需求。

2.3 工程研制難點

重復(fù)使用運載器系統(tǒng)復(fù)雜，面臨著安全性要求與維修保障費用高的實際問題，為提高裝備的任務(wù)可靠度，滿足運載器高可靠性及安全性的需求，需要重點突破快速測試與發(fā)射、故障診斷與健康評估、重復(fù)使用無損檢測、產(chǎn)品維修與保障等方面的能力。

a）快速測試與發(fā)射。

快速測試與發(fā)射的目的是通過提高重復(fù)使用運載器地面測試系統(tǒng)和測試軟件的通用化水平，設(shè)計優(yōu)化測試項目和測試流程，在不降低測試覆蓋率和可靠性的基礎(chǔ)上提高測試效率。需要攻關(guān)的技術(shù)包括一體化測發(fā)控、測發(fā)控系統(tǒng)模塊化設(shè)計、前后端網(wǎng)絡(luò)通信一體化冗余設(shè)計、綜合檢測平臺設(shè)計、通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、通用化軟件平臺設(shè)計技術(shù)、一體式發(fā)射臺快速發(fā)射技術(shù)等。

b）故障診斷與健康評估。

通過測量設(shè)備完成狀態(tài)信息和機(jī)上診斷信息的交互，將關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳送到地面，以地面高性能計算機(jī)為基礎(chǔ)，結(jié)合歷次測試和飛行的歷史數(shù)據(jù)，以及各分系統(tǒng)診斷模型，對診斷數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，分析飛行過程中運載器的健康狀態(tài)，根據(jù)故障性質(zhì)、嚴(yán)重程度和影響進(jìn)行綜合決策，并將信息提供給指揮決策人員。指揮人員的決策信息通過器地通信鏈路，上傳到運載器執(zhí)行。同時，在運載器返回地面后，對完整的器上狀態(tài)監(jiān)測信息進(jìn)行全面分析，進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)上健康管理系統(tǒng)。需要攻關(guān)的技術(shù)包括地面預(yù)測與健康管理體系架構(gòu)、健康表征及影響評估、預(yù)測與健康管理測試性驗證、智能故障檢測、故障診斷與自主重構(gòu)、壽命預(yù)測與健康評估及基于大數(shù)據(jù)挖掘的健康診斷技術(shù)等。

c）重復(fù)使用無損檢測。

重復(fù)使用運載器返回著陸后需要通過快速、準(zhǔn)確的檢測檢查運載器熱防護(hù)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)件的粘結(jié)脫粘、結(jié)構(gòu)損傷、運載器三維外形匹配性等內(nèi)容，確保重復(fù)使用運載器的質(zhì)量與安全，為快速復(fù)飛提供技術(shù)支撐。需要攻關(guān)的技術(shù)包括典型熱防護(hù)材料與部件無損檢測準(zhǔn)則及損傷容限評估準(zhǔn)則、結(jié)構(gòu)部件與關(guān)鍵支撐件無損檢測準(zhǔn)則及損傷容限評估準(zhǔn)則、復(fù)雜氣動外形重構(gòu)技術(shù)、復(fù)雜曲率三維異形熱防護(hù)系統(tǒng)無損檢測技術(shù)、典型結(jié)構(gòu)件無損檢測技術(shù)等。

d）產(chǎn)品維修與保障。

建立重復(fù)使用運載器的三級維護(hù)維修方法，明確各級狀態(tài)下運載器的重要部位維護(hù)維修需求和指標(biāo)要求：一級維護(hù)核心是例行維護(hù)；二級維護(hù)核心是執(zhí)行可更換組件的修復(fù)；三級維護(hù)將執(zhí)行大規(guī)模的返修、修復(fù)和特殊工藝設(shè)備的整修，并提供操作現(xiàn)場所不具備設(shè)備和設(shè)施。需要攻關(guān)的技術(shù)包括全壽命周期自主保障體系、運載器壽命管理技術(shù)、健康狀態(tài)輔助決策技術(shù)、故障重演及三維顯示定位技術(shù)、運行維修方法與流程、各分系統(tǒng)維護(hù)及后處理技術(shù)等。

3 重復(fù)使用運載器發(fā)射運維需求

對于重復(fù)使用運載器，其發(fā)射成本包括運載器研制成本和運行維護(hù)成本。相比于一次性航天器，重復(fù)使用運載器除要求實現(xiàn)運載器快速組裝、簡化發(fā)射、快速測試、無人值守測試發(fā)射外，同時要求對返回后的運載器進(jìn)行多次檢測維護(hù)，維護(hù)成本要低，效率要高，以滿足重復(fù)使用運載器在全壽命周期內(nèi)具備良好的運行使用性。

重復(fù)使用運載器發(fā)射運維設(shè)想如圖8 所示。

圖8 重復(fù)使用運載器發(fā)射運維設(shè)想Fig.8 Concept of Reusable Launch Vehicle Operation and Maintenance

現(xiàn)階段，重復(fù)使用運載器發(fā)射及運行維護(hù)需考慮的關(guān)鍵技術(shù)或問題包括：a）建立一套重復(fù)使用運載器運行維護(hù)中心，中心設(shè)置管理系統(tǒng)進(jìn)行日常管理與檢修工作；b）通過簡化發(fā)射平臺、并行高效的測試流程、無人值守發(fā)射技術(shù)實現(xiàn)快速發(fā)射；c）通過全運載器無損檢測、全運載器故障診斷、自動化綜合預(yù)測與健康管理系統(tǒng)，實現(xiàn)運載器重復(fù)使用檢測與評估。

3.1 重復(fù)使用運載器運行維護(hù)中心

運行維護(hù)中心由總裝廠、發(fā)射場、著陸場三級運行維護(hù)體系組成，承擔(dān)著重復(fù)使用運載器全壽命周期的檢測、維護(hù)、評估和修理工作。總裝廠維保中心用于重復(fù)使用運載器檢測、評估、大修及大部件更換，設(shè)有備件庫。發(fā)射場維保中心是維護(hù)保障中心的核心，承擔(dān)著發(fā)射和任務(wù)階段的例行維護(hù)與任務(wù)維護(hù)工作。著陸場維保中心承擔(dān)著運載器在跑道著陸后的簡易處理和拆解轉(zhuǎn)運工作，設(shè)有簡易廠房。

重復(fù)使用運載器運行維護(hù)流程如圖9 所示。在總裝廠維保中心完成產(chǎn)品總裝及總測工作，以確定產(chǎn)品設(shè)計狀態(tài)滿足產(chǎn)品設(shè)計要求，總裝總測完成后，將部分試驗產(chǎn)品進(jìn)行拆解并分別公路運輸至發(fā)射場保障中心；在發(fā)射場保障中完成全運載器總裝和總測，運至發(fā)射塔架，完成加注燃料、起豎及射前檢測等工作。之后開展飛行試驗，飛行試驗后在跑道上進(jìn)行危險推進(jìn)劑處理后轉(zhuǎn)運至著陸場維護(hù)保障中心，進(jìn)行處理、維護(hù)、拆解，轉(zhuǎn)運至發(fā)射場維保中心，完成發(fā)射準(zhǔn)備工作后具備再次發(fā)射條件。經(jīng)檢測后，若發(fā)射場維保中心不具備維修條件，則需轉(zhuǎn)運回總裝廠房維保中心進(jìn)行大修。

圖9 重復(fù)使用運載器典型運行維護(hù)流程Fig.9 Typical Operation and Maintenance Procedure of Reusable Launch Vehicle

運行維護(hù)中心設(shè)置管理系統(tǒng)提供對整個運行維護(hù)系統(tǒng)的日常管理與檢修工作，尤其是運行維護(hù)數(shù)據(jù)中心的管理和維護(hù)。運行維護(hù)數(shù)據(jù)中心管理軟件平臺采用B/S 架構(gòu)實現(xiàn)，各系統(tǒng)工程師可通過終端登陸服務(wù)器，在任意時刻升級相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。

3.2 運載器快速發(fā)射

a）簡易發(fā)射臺。

重復(fù)使用運載器采用簡易發(fā)射、便捷測試、快速健康評估、多次使用的全新設(shè)計理念，發(fā)射準(zhǔn)備時間短，要求實現(xiàn)發(fā)射準(zhǔn)備時間小于1 天，再次發(fā)射準(zhǔn)備時間小于2 天。對于簡易發(fā)射臺的需求主要包括兩方面：a）大幅度降低對基礎(chǔ)設(shè)施的人力需求，可在更大范圍內(nèi)進(jìn)行發(fā)射；b）實現(xiàn)類似飛機(jī)的航班化發(fā)射，如圖10 所示。

圖10 航班化發(fā)射場設(shè)想Fig.10 Concept of Flight-like Launch Site

b）并行高效的測試流程。

重復(fù)使用運載器需建立快速測發(fā)控子系統(tǒng)，前端實現(xiàn)無人值守，后端通過技術(shù)專家遠(yuǎn)程支持減少測試操作人員，通過高速總線實現(xiàn)與運載器的實時通信，快速搜集運載器的自檢信息，依據(jù)專家知識系統(tǒng)自動判讀，準(zhǔn)度定位故障并給出解決方案，支持重復(fù)使用運載器快速發(fā)射。

c）無人值守發(fā)射技術(shù)。

目前中國液體運載火箭在故障診斷、自主對接、故障隔離等技術(shù)上研究較少，自動化程度不高，是造成運載火箭的測試發(fā)射周期長、成本高、危險性大的主要原因之一，不適應(yīng)火箭快速測發(fā)的發(fā)展趨勢。針對重復(fù)使用運載器24 h 內(nèi)發(fā)射、48 h 內(nèi)再次發(fā)射的要求，迫切需要開展相關(guān)的理論與方法研究，以大流量低溫加注、自動化加注、器地連接器自動對接脫落和大噸位牽制釋放為發(fā)展方向，提升火箭發(fā)射效率，保證發(fā)射可靠性和安全性。

研究重點包括建設(shè)無人值守加注和發(fā)射流程數(shù)字仿真平臺，具備流程設(shè)計和故障注入仿真等功能，設(shè)計和優(yōu)化無人值守加注測試發(fā)射總體方案。建設(shè)無人加注值守試驗平臺，驗證遠(yuǎn)程自主監(jiān)測及故障處理、連接器自主決策自動對接、二次對接低溫密封等關(guān)鍵技術(shù)。

d）簡潔高效的地面支持系統(tǒng)。

地面支持系統(tǒng)主要包括：運輸設(shè)備，加注系統(tǒng)，推進(jìn)劑泄出系統(tǒng)，供氣系統(tǒng)，發(fā)射初始段發(fā)射環(huán)境防護(hù)系統(tǒng)，快速降溫系統(tǒng)，環(huán)境保障系統(tǒng)，健康監(jiān)測系統(tǒng)，產(chǎn)品整體起豎設(shè)備，吊裝輔助設(shè)備等。

為實現(xiàn)簡潔高效的地面支持系統(tǒng)，需要針對快速與機(jī)動發(fā)射技術(shù)、低溫推進(jìn)劑快速加注技術(shù)、氣源及配氣臺快速制備及供氣技術(shù)、連接器快速對接與脫落技術(shù)、一體式發(fā)射臺快速發(fā)射技術(shù)、低溫甲烷貯存與運輸技術(shù)、整體轉(zhuǎn)運與起豎技術(shù)等開展研究。

3.3 運載器重復(fù)使用檢測與評估

a）檢測維護(hù)。

重復(fù)使用運載器的檢測維修需要圍繞全壽命周期維修信息保障、測發(fā)控、熱防護(hù)檢測及維護(hù)、復(fù)合材料維護(hù)、電氣系統(tǒng)檢測及維護(hù)、增壓輸送系統(tǒng)檢測與維護(hù)等開展研究，實現(xiàn)對重復(fù)使用運載器故障檢測與隔離、異常告警、健康診斷與評估、綜合維護(hù)輔助決策支持，建立快速測發(fā)控子系統(tǒng)，建立熱防護(hù)系統(tǒng)、復(fù)合材料構(gòu)件、電氣系統(tǒng)、增壓輸送系統(tǒng)的快速檢測及維護(hù)能力。

b）評估決策。

射前測試決策子系統(tǒng)負(fù)責(zé)重復(fù)使用運載器每次射前測試到發(fā)射過程的全器健康狀態(tài)監(jiān)測和評估，根據(jù)診斷結(jié)果提出決策信息。射前測試決策系統(tǒng)所要獲取的測試信息種類繁多，數(shù)據(jù)更新快速，通過全器健康評估軟件實現(xiàn)系統(tǒng)功能。軟件以對預(yù)測與健康管理數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)和射前測試的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行全器健康狀態(tài)評估，給出定量評估結(jié)果和是否可以進(jìn)入下一次飛行過程的建議，供指揮人員決策參考。

4 結(jié)束語

航天運輸系統(tǒng)是航天技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，重復(fù)使用是航天運輸系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。發(fā)展航班化運營的重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)，實現(xiàn)快速、高可靠、低成本、環(huán)保地進(jìn)出空間，能夠有效降低航天發(fā)射成本，有力支撐未來高密度、高頻次發(fā)射任務(wù)。發(fā)射運維作為實現(xiàn)重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)可靠、安全運行的重要基礎(chǔ)，有助于以更加經(jīng)濟(jì)有效的方式保證航天運輸系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的使用效能和保障能力。通過梳理明確重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)對于發(fā)射運維的需求，支撐重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)發(fā)展，持續(xù)推進(jìn)航天領(lǐng)域的跨越式發(fā)展，將有力帶動科技創(chuàng)新能力的大幅提高，推動基礎(chǔ)學(xué)科和工程技術(shù)水平的整體提升。