李國強(qiáng) 郭凱 徐巖

關(guān)鍵詞：運(yùn)載火箭，通用化，系列化，組合化

0 引言

“三化”是通用化、系列化、組合化的簡稱。其中，通用化是最大限度地擴(kuò)大同一單元使用范圍的標(biāo)準(zhǔn)化形式，即通過選定或研制具有結(jié)構(gòu)和功能互換性的通用單元并將其應(yīng)用于互相獨(dú)立的新研系統(tǒng)以滿足其需求；系列化是根據(jù)同一類產(chǎn)品的發(fā)展規(guī)律和使用需求，將其主要參數(shù)按一定數(shù)列合理安排或規(guī)劃，并對其型式和結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)定或統(tǒng)一，從而有目的地指導(dǎo)同類產(chǎn)品有序發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)化形式；組合化是重復(fù)利用通用單元（通用模塊）并補(bǔ)充研制部分專用單元（專用模塊），拼合成滿足不同需求的新功能產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化形式。實踐表明，“三化”是降低產(chǎn)品研制費(fèi)用和研制風(fēng)險的重要選擇，是縮短研制周期、延長產(chǎn)品有效壽命的重要措施，是提高產(chǎn)品質(zhì)量和使用效能的有效途徑[1-2]。

運(yùn)載火箭是確保人類進(jìn)入空間，利用空間，開展航天活動的重要前提和基礎(chǔ)。采用“三化”設(shè)計思想和應(yīng)用方法，系統(tǒng)提升運(yùn)載火箭的可靠性和適應(yīng)性，是運(yùn)載火箭實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的有效方式和必然選擇。運(yùn)載火箭通用化中“通用單元”可以指分系統(tǒng)、設(shè)備、組件、零部件、元器件、原材料甚至軟件。運(yùn)載火箭系列化工作內(nèi)容包括運(yùn)載火箭參數(shù)系列化、運(yùn)載火箭系列型譜及開展運(yùn)載火箭系列設(shè)計等。運(yùn)載火箭的組合化（模塊化）是以運(yùn)載火箭系列化為目的，規(guī)劃模塊的系列化，通過開發(fā)系列化的通用模塊，以不同的組合方式來滿足不同的市場需求；同時，利用先進(jìn)技術(shù)成果優(yōu)化設(shè)計模塊，應(yīng)用于現(xiàn)有運(yùn)載火箭的改進(jìn)，提高性能和可靠性[3]。

1 國外運(yùn)載火箭“三化”調(diào)研分析

從1957年前蘇聯(lián)使用東方號運(yùn)載火箭發(fā)射人類第一顆人造衛(wèi)星至今，世界運(yùn)載技術(shù)已走過了60多年的發(fā)展歷程。美國、俄羅斯、歐洲、日本等國家和地區(qū)先后研制了宇宙神系列、德爾它系列、土星系列、質(zhì)子號系列、阿里安系列、H系列等數(shù)十種運(yùn)載火箭，運(yùn)載能力逐步增強(qiáng)，發(fā)射成本不斷降低，可靠性大大提高。各國為適應(yīng)新的發(fā)射市場的需求對運(yùn)載火箭不斷推陳出新、優(yōu)化組合，努力以最少的型號品種系列規(guī)格滿足多種發(fā)射任務(wù)的需求，提高運(yùn)載火箭對多種有效載荷的適應(yīng)性，從而占領(lǐng)世界運(yùn)載發(fā)射服務(wù)市場，這些都體現(xiàn)著“三化”思想的具體應(yīng)用。

1.1 技術(shù)特點(diǎn)梳理

通過梳理國外運(yùn)載火箭研發(fā)過程，主要體現(xiàn)如下特點(diǎn)：

（1）繼承性和拓展性是國外研制運(yùn)載火箭的重要原則。美國宇宙神5系列火箭的研制充分繼承了宇宙神1、宇宙神2和宇宙神3的優(yōu)點(diǎn)，盡量使用經(jīng)過飛行驗證的硬件，如芯級發(fā)動機(jī)、半人馬座上面級、衛(wèi)星支架以及有效載荷整流罩。德爾它4系列火箭大量使用通用部件和經(jīng)過德爾它2、德爾它3飛行驗證的技術(shù)，RS-68發(fā)動機(jī)充分繼承RS-25D發(fā)動機(jī)成熟技術(shù)和工藝。歐洲、日本、俄羅斯的運(yùn)載火箭研制也充分繼承了前期取得的成熟技術(shù)和經(jīng)過飛行考核的部件。在此基礎(chǔ)上的拓展主要通過三種模式：捆綁不同數(shù)量整體式固體發(fā)動機(jī)/大型分段式固體發(fā)動機(jī)、芯級增加發(fā)動機(jī)、與不同上面級配合。

（2）近地軌道（L E O）/地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）是運(yùn)載火箭的主要目標(biāo)軌道。統(tǒng)計20世紀(jì)90年代至2019年航天發(fā)射市場，發(fā)射載荷主要集中于三個方向：用于通信、導(dǎo)航、氣象、對地觀測等的大型、功能強(qiáng)、長壽命GTO衛(wèi)星，用于小型組網(wǎng)星座的中低軌道衛(wèi)星，空間站等LEO大型空間設(shè)施。

（3）任務(wù)通用型是主體，兩級/兩級半構(gòu)型是首選。美國新一代運(yùn)載火箭以宇宙神5、德爾它4和獵鷹9三個系列火箭為主，定位中大型載荷，采用通用芯級助推器+固體助推+上面級模式。歐空局新一代運(yùn)載火箭定位大型載荷，選用兩臺大固體助推+氫氧芯一級+不同上面級模式，實現(xiàn)LEO 16～21 t、GTO 5.9～12 t運(yùn)載能力覆蓋。日本新一代運(yùn)載火箭定位中小型、中大型載荷全覆蓋，選用固體助推+氫氧芯一級+上面級模式，實現(xiàn)LEO 10～16.5 t、太陽同步軌道（SSO）4.4 t、GTO3.7～8.5 t運(yùn)載能力覆蓋。俄羅斯定位小型、中型、大型載荷全覆蓋，選用液體通用芯級助推+上面級模式，實現(xiàn)LEO 2～24.5 t，GTO 2.4～6.8 t運(yùn)載能力全覆蓋。基于現(xiàn)有動力和基礎(chǔ)工業(yè)水平，新一代運(yùn)載火箭首選兩級/兩級半構(gòu)型，美、俄以兩級構(gòu)型單芯級火箭實現(xiàn)全軌道中、小載荷發(fā)射，兩級半構(gòu)型支持中大型、重型載荷發(fā)射。

1.2 發(fā)展趨勢分析

隨著各航天大國科技水平的不斷進(jìn)步，航天應(yīng)用產(chǎn)業(yè)不斷成熟，為滿足多種航天發(fā)射需求，國外運(yùn)載火箭的發(fā)展趨勢包含以下幾個方向。

（1）一次性運(yùn)載火箭仍將占據(jù)航天運(yùn)輸系統(tǒng)的絕對主導(dǎo)地位。美、俄、歐、日等主要航天國家和地區(qū)都建立了比較完整的運(yùn)載火箭型譜和體系，基本完成更新?lián)Q代。各航天大國的新型運(yùn)載火箭一般采用大直徑芯級和無毒推進(jìn)劑，中型和大型運(yùn)載火箭多捆綁大型固體助推器，實現(xiàn)較大的推力和運(yùn)載能力，基本上可以發(fā)射各種類型、質(zhì)量的有效載荷，運(yùn)載火箭的模塊化、通用化水平大幅提高。

（2）大力發(fā)展實現(xiàn)空間系統(tǒng)快速部署的運(yùn)載工具，小型運(yùn)載火箭是主要的技術(shù)實現(xiàn)方式。提高可靠、快速、靈活進(jìn)入空間的能力，是主要航天國家追求的目標(biāo)，現(xiàn)階段主要的技術(shù)實現(xiàn)方式是研制快速發(fā)射的小型運(yùn)載火箭。目前主要集中于美、俄兩國，多是基于常規(guī)運(yùn)載火箭改裝而研制的，以液體和固液混合推進(jìn)劑為主，發(fā)射平臺以陸基和空基機(jī)動為主。目前，美國在已有“飛馬座”運(yùn)載火箭基礎(chǔ)上研制的內(nèi)置拋投式“快速抵達(dá)”火箭和俄羅斯在研的“飛行號”等均為空射型運(yùn)載火箭。

（3）重型運(yùn)載火箭和空間組裝技術(shù)得到重視和發(fā)展。為應(yīng)對載人登月，以及更遠(yuǎn)的載人深空探測等大型有效載荷的發(fā)射需求，重型運(yùn)載火箭的研究和空間組裝火箭的技術(shù)都將得到充分應(yīng)用。

（4）動力系統(tǒng)向無毒環(huán)保和低成本方向發(fā)展，液氧煤油和液氧液氫發(fā)動機(jī)組合將是運(yùn)載火箭動力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和最佳選擇。

2 國內(nèi)運(yùn)載火箭“三化”現(xiàn)狀

我國長征系列火箭發(fā)展成為由多種型號組成的大家族，已經(jīng)擁有退役、現(xiàn)役共計4代20余種型號。

長征火箭具備發(fā)射低、中、高不同地球軌道不同類型衛(wèi)星及載人飛船的能力，并具備無人深空探測能力。LEO運(yùn)載能力達(dá)到25 t，SSO運(yùn)載能力達(dá)到15 t，GTO運(yùn)載能力達(dá)到14 t。截至2023年7月23日，長征系列運(yùn)載火箭已發(fā)射479次，成功率達(dá)到96%以上。長征系列運(yùn)載火箭設(shè)計和后續(xù)改進(jìn)，充分貫徹運(yùn)用了“三化”思路。

（1）系列化設(shè)計理念貫徹始終。以長征三號甲系列火箭為例，其方案設(shè)計時就始終貫徹了系列化的思想，使得火箭具有良好的繼承性和通用性。其設(shè)計思路為：在長征三號火箭的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，重新研制其三子級；在火箭的一子級周圍捆綁助推器；首先研制作為芯級的長征三號甲，再研制帶4個助推器的長征三號乙，最后研制帶2個助推器的長征三號丙[4]。

（2）新型號火箭研制充分考慮模塊化設(shè)計。以長征五號、長征七號為代表的新型現(xiàn)役運(yùn)載火箭，設(shè)計貫徹了“一個系列、兩種發(fā)動機(jī)、三個模塊”的“三化”發(fā)展思路。通過5 m芯級模塊、通用3.35 m模塊和2.25 m模塊的不同組合，滿足發(fā)射不同軌道和不同有效載荷的需要[5]。

（3）通過貫徹模塊化、系列化的發(fā)展思路，運(yùn)載火箭研制周期不斷縮短。長征三號甲火箭立項研制到首飛是8年時間，長征二號F從立項到首飛是7年時間，而長征八號運(yùn)載火箭從立項研制到首飛僅用了3年時間。同時，長征三號甲等老型號系列火箭通過制定通用單機(jī)產(chǎn)品型譜及配套產(chǎn)品規(guī)范等手段，不斷提升單機(jī)產(chǎn)品通用化水平、研制管理水平、批生產(chǎn)能力和對任務(wù)調(diào)整的適應(yīng)性，運(yùn)載火箭發(fā)射效率得到顯著提高。長三甲系列的發(fā)射能力從年均8發(fā)提升到了14發(fā)的水平，單發(fā)火箭的研制周期，從原來的3年縮短至1年。

（4）新型號雖然不斷采用先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)，但通過“三化”設(shè)計確保了運(yùn)載火箭在設(shè)計過程中技術(shù)狀態(tài)的受控和設(shè)計的正確性、可靠性，保證了發(fā)射成功率。截至2023年7月末，新型在役運(yùn)載火箭共發(fā)射50余枚，發(fā)射成功率不亞于成熟型號。

面對新時期運(yùn)載火箭高質(zhì)量發(fā)展要求，目前長征系列運(yùn)載火箭還存在著運(yùn)載能力重復(fù)、構(gòu)型偏多等問題；對于作為承載功能性能實現(xiàn)基本單元的運(yùn)載火箭單機(jī)產(chǎn)品，品種繁多、規(guī)格繁雜、標(biāo)準(zhǔn)繁復(fù)的局面日益凸顯，對現(xiàn)有運(yùn)載火箭性能提升和后續(xù)新型運(yùn)載火箭研制形成了制約。

3 運(yùn)載火箭“三化”策略設(shè)計

運(yùn)載火箭“三化”工作實施推進(jìn)，要以單機(jī)產(chǎn)品型譜和統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型工作為落腳點(diǎn)。一方面開展單機(jī)型譜編制，對過去產(chǎn)品進(jìn)行整理，對后續(xù)產(chǎn)品做出規(guī)劃，以指導(dǎo)今后發(fā)展。另一方面，在單機(jī)產(chǎn)品型譜規(guī)劃和產(chǎn)品狀態(tài)梳理基礎(chǔ)上，以已具備統(tǒng)型基礎(chǔ)的單機(jī)產(chǎn)品為突破口，嚴(yán)格選標(biāo)用標(biāo)，規(guī)范依標(biāo)認(rèn)證，將“統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型”要求落實到運(yùn)載火箭科研生產(chǎn)全流程，切實提高運(yùn)載火箭“三化”水平。

3.1 運(yùn)載火箭產(chǎn)品型譜化

（1）產(chǎn)品型譜體系建設(shè)

產(chǎn)品型譜制定就是對某一類產(chǎn)品，依據(jù)型號需求和專業(yè)技術(shù)發(fā)展，研究并充分協(xié)調(diào)，提出科學(xué)合理的產(chǎn)品規(guī)格設(shè)置，形成該類產(chǎn)品型譜。產(chǎn)品型譜體系建設(shè)通過建立系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機(jī)、部組件型譜協(xié)同制定機(jī)制，逐步建立并完善涵蓋不同產(chǎn)品層級、產(chǎn)品規(guī)格間隔合理的產(chǎn)品型譜體系。具體是首先開展運(yùn)載火箭基本型型譜研究工作；并根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，開展分系統(tǒng)的通用化研究；制定單機(jī)/部組件產(chǎn)品清單編制指南，梳理運(yùn)載火箭所有單機(jī)/部組件產(chǎn)品，篩選出通用單機(jī)/部組件產(chǎn)品，建立型譜工作對象產(chǎn)品清單。

（2）產(chǎn)品成熟度提升與評價

研究慣性測量產(chǎn)品、火工品、地面設(shè)備等運(yùn)載火箭產(chǎn)品成熟度模型，建立包括系統(tǒng)、單機(jī)、部組件、軟件產(chǎn)品成熟度的模型體系。開展型譜單機(jī)產(chǎn)品成熟度提升工作，強(qiáng)化產(chǎn)品各配套層級和生產(chǎn)過程的合格率分析，并將分析結(jié)果應(yīng)用于產(chǎn)品的改進(jìn)升級。

（3）產(chǎn)品貨架建設(shè)與貨架產(chǎn)品管理

產(chǎn)品貨架建設(shè)指研究形成統(tǒng)一的運(yùn)載火箭貨架體系和產(chǎn)品進(jìn)出貨架準(zhǔn)則；在完成型譜產(chǎn)品研制、成熟度提升與評價等工作基礎(chǔ)上，經(jīng)過評審后符合要求的產(chǎn)品納入貨架產(chǎn)品目錄，并編制產(chǎn)品應(yīng)用手冊，對進(jìn)入貨架的產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格控制。貨架產(chǎn)品管理指依據(jù)產(chǎn)品進(jìn)出貨架準(zhǔn)則，定期對貨架產(chǎn)品目錄進(jìn)行更新升級，對技術(shù)落后、后續(xù)沒有需求以及發(fā)生重大質(zhì)量問題的產(chǎn)品進(jìn)行淘汰，對滿足標(biāo)準(zhǔn)的新產(chǎn)品及時納入貨架產(chǎn)品目錄；并對貨架產(chǎn)品開展組織級驗收。

（4）型譜產(chǎn)品與貨架產(chǎn)品選用

型譜產(chǎn)品與貨架產(chǎn)品選用指在新型運(yùn)載火箭立項時提出型譜產(chǎn)品與貨架產(chǎn)品選用方案，編制產(chǎn)品選用報告，在方案評審時同步進(jìn)行產(chǎn)品選用評審。選用應(yīng)堅持以下原則：優(yōu)先選用成熟度較高的貨架產(chǎn)品；貨架產(chǎn)品無法滿足需求的，優(yōu)先選擇型譜內(nèi)產(chǎn)品；嚴(yán)格控制型譜外產(chǎn)品選用。具體而言應(yīng)首先開展型譜產(chǎn)品與貨架產(chǎn)品選用策劃，制定并發(fā)布產(chǎn)品選用管理和控制要求；然后選取典型產(chǎn)品和典型型號，按照選用管理和控制要求，組織開展產(chǎn)品選用試點(diǎn)工作。

（5）先進(jìn)產(chǎn)品型譜化開發(fā)與產(chǎn)品升級換代

先進(jìn)產(chǎn)品型譜化開發(fā)與產(chǎn)品升級換代是指在現(xiàn)有產(chǎn)品基礎(chǔ)上，為滿足更高的應(yīng)用需求和先進(jìn)性要求，采用或者部分采用新體制、新原理、新方法、新技術(shù)、新材料、新工藝等以型譜化的思路研制性能、功能有顯著提高的新產(chǎn)品。先進(jìn)產(chǎn)品型譜化開發(fā)與產(chǎn)品升級換代項目要以產(chǎn)品型譜為主要依據(jù)，開展關(guān)鍵技術(shù)規(guī)劃和攻關(guān)，形成可供選用的通用產(chǎn)品。

3.2 運(yùn)載火箭產(chǎn)品統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型

運(yùn)載火箭產(chǎn)品涉及品種規(guī)格數(shù)據(jù)龐大，研制采購管理和市場供應(yīng)體系協(xié)調(diào)難度大，相關(guān)工作需要聚焦統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型的難點(diǎn)問題，做好規(guī)劃。

（1）與型譜編制工作相結(jié)合

需要全面分析運(yùn)載火箭裝備相關(guān)產(chǎn)品采標(biāo)數(shù)據(jù)，開展基礎(chǔ)產(chǎn)品分級分類合格評定，在已經(jīng)建立的“產(chǎn)品譜系”和“產(chǎn)品優(yōu)選目錄”基礎(chǔ)上，統(tǒng)一產(chǎn)品規(guī)范和驗收標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)市場形成貨架式系列產(chǎn)品，進(jìn)行動態(tài)持續(xù)的管理監(jiān)督，優(yōu)化整個產(chǎn)品合格評定制度。

（2）完善基礎(chǔ)產(chǎn)品統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

積極編制運(yùn)載火箭統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型管理標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，在運(yùn)載火箭分類命名等基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品型譜標(biāo)準(zhǔn)、選用要求標(biāo)準(zhǔn)、采購要求和管理標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行統(tǒng)一，為統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型提供標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。

（3）開展統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型技術(shù)研究

對統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型工作中的關(guān)鍵問題，例如產(chǎn)品形狀與配合、功能、互換性等指標(biāo)的梳理優(yōu)選問題，開展相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)研究，結(jié)合運(yùn)載火箭研制過程中的各類經(jīng)驗，提出技術(shù)解決方案。

（4）形成統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型長效機(jī)制

將運(yùn)載火箭統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型相關(guān)要求納入武器裝備科研生產(chǎn)行政許可和裝備承制單位資格審查流程中，形成長效可控的統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型機(jī)制。

3.3 運(yùn)載火箭研制過程“三化”監(jiān)督

鑒于運(yùn)載火箭研制的復(fù)雜性、重要性及故障后果的嚴(yán)重性，應(yīng)開展從總體與分系統(tǒng)、設(shè)備直至原材料、元器件的多層級，從立項、方案證論、初樣、試樣、發(fā)射應(yīng)用等不同階段，在設(shè)計、試制和試驗不同環(huán)節(jié)上，有使用方直接監(jiān)督的多層次、全過程、全方位的“三化”監(jiān)督；完善形成“三化”實施監(jiān)督規(guī)章制度體系和工作隊伍體系；結(jié)合里程碑節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化審查與標(biāo)準(zhǔn)化評估，以“研制總要求——標(biāo)準(zhǔn)化大綱——‘三化方案——標(biāo)準(zhǔn)化工作——考核驗證——標(biāo)準(zhǔn)化審查——狀態(tài)鑒定——標(biāo)準(zhǔn)化專項評估——產(chǎn)品定型”為主線，在不同階段以“三化”工作檢查、“三化”工作評審，以及行政監(jiān)督檢查、貨架產(chǎn)品認(rèn)證檢查和驗收檢查等“三化”工作專項核查等多種方式開展。

3.4 運(yùn)載火箭“三化”評估

設(shè)計涵蓋“三化”規(guī)劃與保障、“三化”產(chǎn)品選用、“三化”資源開發(fā)、“三化”設(shè)計和“三化”使用評價等評估維度，包括“三化”組織與管理、型譜產(chǎn)品選用率、貨架產(chǎn)品選用率、通用產(chǎn)品規(guī)范制定、“三化”資源數(shù)據(jù)庫建設(shè)等指標(biāo)要素的運(yùn)載火箭“三化”評估指標(biāo)體系；綜合基于專家經(jīng)驗的定性方法和基于數(shù)理統(tǒng)計的定量方法，科學(xué)確定各指標(biāo)權(quán)重，建立運(yùn)載火箭“三化”評估模型與評估機(jī)制。

4 結(jié)語

本文以分析運(yùn)載火箭“三化”作用意義為切入點(diǎn)，基于國內(nèi)外運(yùn)載火箭“三化”發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，設(shè)計提出了以運(yùn)載火箭產(chǎn)品型譜體系建設(shè)和“統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型”為重點(diǎn)，涉及策劃、實施、監(jiān)督、評估的運(yùn)載火箭“三化”策略，可為后續(xù)新型運(yùn)載火箭產(chǎn)品論證與研制以及現(xiàn)有運(yùn)載火箭的改進(jìn)提供參考，以期有助于推動我國運(yùn)載火箭的系列化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。