運載火箭高適應(yīng)性發(fā)展研究

◎中國航天科技集團公司 羅恒 戴屹梅 梁唐

運載火箭高適應(yīng)性發(fā)展研究

◎中國航天科技集團公司 羅恒 戴屹梅 梁唐

空間是維護國家安全和國家利益的制高點，進入空間進而利用并控制空間是世界航天大國不懈追求的目標(biāo)。運載火箭的技術(shù)水平代表著一個國家自主進入空間的能力，是開展空間活動的前提。運載火箭在航天技術(shù)領(lǐng)域始終處于基礎(chǔ)地位，世界各國都非常重視運載技術(shù)的發(fā)展。

筆者將世界運載火箭發(fā)展歷史歸納總結(jié)為發(fā)展型階段、實用型階段、適應(yīng)性階段和高適應(yīng)性階段，并提煉出不同階段火箭的發(fā)展背景、技術(shù)特點和研制規(guī)律，最后對我國運載火箭未來高適應(yīng)性發(fā)展進行了展望。

一、世界運載火箭發(fā)展特點分析

自從1942年運載火箭的開山鼻祖V-2導(dǎo)彈第一次飛行至今，運載火箭發(fā)展已達70余年，縱觀世界各國運載火箭發(fā)展歷史，深入分析各型運載火箭的產(chǎn)生背景、使用目的、綜合性能，基本上可將運載火箭劃分為發(fā)展型、實用型、適應(yīng)性、高適應(yīng)性4種類型，各自定義如下。

發(fā)展型運載火箭：掌握航天飛行力學(xué)基礎(chǔ)理論，突破運載火箭工程研制的基本技術(shù)，運載能力較小，且具備一定飛行成功率的火箭。

實用型火箭：全面掌握運載火箭研制理論，具備特定用途，模塊化程度較低，運載能力較強且具備較高飛行成功率的火箭。

適應(yīng)性火箭：運載能力不斷拓展，具備較高的任務(wù)適應(yīng)能力，模塊化水平較高，可靠性較高且發(fā)射成功率很高的火箭。

高適應(yīng)性火箭：采用綠色環(huán)保推進劑，具有完善的運載能力覆蓋性，模塊化程度極高，可靠性極高，具備快速響應(yīng)能力和現(xiàn)代化的測發(fā)能力的火箭。

1．發(fā)展型火箭

二戰(zhàn)結(jié)束后，布勞恩等專家投奔美國，V-2導(dǎo)彈設(shè)備和資料大部分被美、蘇俘獲。美國和前蘇聯(lián)都通過仿制V-2導(dǎo)彈創(chuàng)建了本國的運載火箭。發(fā)展型火箭的典型代表有前蘇聯(lián)的Sputnik、美國的Jupiter-C火箭和中國的CZ-1。

發(fā)展型火箭的普遍技術(shù)特點包括：突破航天飛行力學(xué)基礎(chǔ)理論；火箭總體性能較弱，運載能力較小，火箭載荷比高；研制出相對成熟的火箭發(fā)動機，但發(fā)動機推力、比沖等性能較弱；控制裝置以模擬電子線路為主，慣性器件精度較低；制導(dǎo)方式以慣性制導(dǎo)為主；可靠性較低，飛行成功率較低；幾乎未考慮模塊化設(shè)計。

發(fā)展型火箭大量借鑒了彈道導(dǎo)彈設(shè)計技術(shù)，邁出了運載火箭從基本原理向工程應(yīng)用的第一步。該階段的火箭均以驗證火箭技術(shù)為主要目的，屬于運載火箭發(fā)展起步階段，重點解決了各國火箭的有無問題，實際應(yīng)用意義較小。

2．實用型火箭

進入冷戰(zhàn)時期，美蘇在航天領(lǐng)域展開了激烈競爭，軍事需求成為運載火箭發(fā)展的主要牽引力，兩國均研制了大、中、小各型運載火箭。歐洲則將注意力轉(zhuǎn)向了國際商業(yè)發(fā)射服務(wù)市場，Ariane系列火箭登上歷史舞臺。實用型火箭的典型代表有歐洲的Ariane 1、前蘇聯(lián)的SL-8、美國的Saturn V和中國的CZ-2C。

實用型火箭的普遍技術(shù)特點包括：全面掌握運載火箭研制理論；總體性能較強，箭載荷比較低；以基于慣性測量（平臺或慣組）+計算機+推力矢量的控制方案成為主流，計算機控制技術(shù)替代電子模擬線路控制；可靠性較高，逐步采用了冗余設(shè)計和多數(shù)表決法；發(fā)動機研制水平高（F-1，J-2發(fā)動機推力、比沖等性能強）；模塊化程度較弱；投入巨大。

在冷戰(zhàn)背景下，政治需求和軍事需求是牽引實用型火箭發(fā)展的源動力。實用型火箭軌道適應(yīng)能力較差，應(yīng)用范圍較為單一，可擴展性較差。該階段火箭的成功率已大大提高，而這背后離不開美蘇等國的巨額投入。

3．適應(yīng)性火箭

冷戰(zhàn)結(jié)束后，世界航天發(fā)展進入新時期，如何提高運載火箭的任務(wù)適應(yīng)性，為有效載荷提供較好的發(fā)射服務(wù)，力爭擴大國際商業(yè)發(fā)射份額，成為適應(yīng)性火箭的發(fā)展趨勢。適應(yīng)性火箭典型代表有歐洲的Ariane 5、俄羅斯Proton M和Soyuz、美國的Delta IV和Atlas 5、中國的CZ-2F和CZ-3A系列火箭。

適應(yīng)性火箭的普遍技術(shù)特點為：總體性能不斷拓展。采用高性能多次啟動末級或者上面級拓展總體性能，可適應(yīng)一箭多星發(fā)射模式，為有效載荷提供豐富的機械接口，提供舒適的星箭力學(xué)環(huán)境；數(shù)字控制技術(shù)成為主流，控制系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)級冗余；復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)成為主流；可靠性高，多采用成熟技術(shù)和繼承性設(shè)計；復(fù)合材料及新型金屬材料的應(yīng)用成為趨勢；使用維護性較強，測試發(fā)射流程在20天左右；模塊化水平較高。

適應(yīng)性火箭日益重視用戶需求，不斷提高火箭的適應(yīng)性和總體性能。為了提高可靠性，縮短研制周期，降低研制成本，大量采用了成熟技術(shù)及產(chǎn)品，開拓商業(yè)發(fā)射服務(wù)市場成為世界各國的共同追求。

4．高適應(yīng)性火箭

2010年后，隨著科技的不斷進步，航天運輸系統(tǒng)正在由“解決如何進入空間”問題轉(zhuǎn)向“解決如何高效、可靠、低成本進入空間”問題。降低發(fā)射成本、采用綠色環(huán)保推進劑、提高商業(yè)發(fā)射市場競爭力成為高適應(yīng)性火箭的發(fā)展趨勢。高適應(yīng)性火箭的典型代表有歐洲的Ariane 6、俄羅斯的Angara、美國的Falcon 9和SLS、中國的新一代運載火箭。

高適應(yīng)性火箭的普遍技術(shù)特點為：總體性能不斷完善，定位合理；采用了型譜化設(shè)計，具有很高的通用化、模塊化和組合化設(shè)計水平；具有良好的價格競爭力；不刻意追求產(chǎn)品性能最優(yōu)；均采用了綠色無污染環(huán)保推進劑；具備快速響應(yīng)能力和現(xiàn)代化的測發(fā)能力；積極探索可重復(fù)使用技術(shù)；可靠性很高，產(chǎn)品簡單可靠；故障診斷與健康檢測、重構(gòu)控制技術(shù)成為關(guān)注重點。

高適應(yīng)性火箭注重經(jīng)濟性、實用性、技術(shù)先進性的平衡，運載能力不是新型火箭追求的最高目標(biāo)，但運載能力必須緊密結(jié)合未來主流需求。一次性運載火箭仍然是航天運輸系統(tǒng)的主要組成部分，但可重復(fù)使用技術(shù)再次成為世界各國研究的熱點。為了降低進入空間的成本，以美國為代表的航天強國正探索引入商業(yè)和市場化競爭，已經(jīng)取得了良好的效果。

二、高適應(yīng)性發(fā)展展望

通過與國外高適應(yīng)性運載火箭進行對比分析，我國運載火箭仍存在一定的差距，尤其是在重型運載火箭、完善型譜衍生構(gòu)型、快速響應(yīng)運載火箭、重復(fù)使用運載器以及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和共性技術(shù)攻關(guān)研究等方面，這也為未來我國運載火箭高適應(yīng)性發(fā)展指明了方向。

1．開展重型火箭論證與研制

目前，美、俄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、印則以無人和載人深空探測為目標(biāo)；我國載人登月需要近地軌道140噸、奔月軌道50噸以上運載能力，目前現(xiàn)役及在研火箭均無法滿足。因此，后續(xù)應(yīng)盡快開展重型火箭論證和研制，同時開展大推力液氧煤油發(fā)動機、環(huán)境預(yù)示技術(shù)、大直徑箭體及分離系統(tǒng)設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)的研究。

2．完善運載能力布局

Falcon 9、Ariane 6、H-III火箭運載能力均瞄準了未來國際商業(yè)發(fā)射服務(wù)市場主要需求，同時還具備高可靠、經(jīng)濟性好的鮮明特點。通過梳理我國火箭型譜可知，仍有部分運載能力區(qū)間不夠完善，這對未來有效載荷發(fā)展形成了較為顯著的制約，也對我國積極搶占國際商業(yè)發(fā)射服務(wù)衛(wèi)星市場不利，對CZ火箭國際競爭能力造成一定影響，后續(xù)應(yīng)基于成熟技術(shù)和模塊，加快新一代火箭衍生構(gòu)型研制，完善運載能力布局，同時，研制過程中應(yīng)注重經(jīng)濟性、實用性，技術(shù)先進性的平衡。

3．構(gòu)建快速響應(yīng)發(fā)射能力

國際上已有多種快速響應(yīng)發(fā)射的小運載，如美國的Pegasus、Taurus、Falcon 9， 歐 洲 的Vega，俄羅斯的START，日本的Epsilon等，發(fā)射方式涵蓋地基簡易塔架發(fā)射、公路機動發(fā)射、空中發(fā)射和潛艇發(fā)射等多種方式；Falcon 9火箭發(fā)射場測試和發(fā)射周期目前僅需16天，固體小火箭時間更短，我國目前傳統(tǒng)運載火箭發(fā)射準備時間仍需20天以上。后續(xù)針對在飛火箭，可進一步優(yōu)化測試發(fā)射流程、簡化發(fā)射場測試項目，開展產(chǎn)品運輸環(huán)境等試驗,解決影響測試發(fā)射的亟需問題；針對在研火箭，首飛及經(jīng)過一定任務(wù)的考核后，進一步壓縮流程；針對未來火箭，從火箭總體設(shè)計到產(chǎn)品實現(xiàn)、操作維護、應(yīng)用發(fā)射均按照快速響應(yīng)思路開展。

4．解決重復(fù)使用運載器關(guān)鍵技術(shù)

可重復(fù)使用是降低航天運輸系統(tǒng)成本的重要途徑，同時也是保障國家戰(zhàn)略安全的關(guān)鍵領(lǐng)域。近年來，世界各國掀起了一股可重復(fù)使用技術(shù)研究熱潮，包括美國的XS-1、Xaero B、Spaceship Two、New Shepard、Dream Chaser等一系列可重復(fù)使用飛行器，歐洲的IXV、Skylon等項目已經(jīng)進入飛行驗證階段。我國尚需進一步開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和驗證，后續(xù)我國應(yīng)密切跟蹤重復(fù)使用發(fā)展動態(tài)，逐步解決重復(fù)使用運載器關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)完全重復(fù)使用的終極目標(biāo)。

5．全面提升運載火箭綜合水平

共性技術(shù)代表了運載火箭未來的技術(shù)發(fā)展方向，共性技術(shù)的落后直接制約了運載火箭綜合性能和高適應(yīng)性，共性技術(shù)可分為總體集成與優(yōu)化技術(shù)和系統(tǒng)先進技術(shù)。總體集成與優(yōu)化技術(shù)代表了運載火箭總體技術(shù)的發(fā)展方向，包括環(huán)境預(yù)示及優(yōu)化、全箭動特性獲取和頻率預(yù)示、變推力彈道優(yōu)化、動力冗余總體設(shè)計、故障診斷與健康檢測、重構(gòu)控制技術(shù)等。系統(tǒng)先進技術(shù)代表了運載火箭系統(tǒng)級技術(shù)的發(fā)展方向，包括輕質(zhì)多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)、高性能動力技術(shù)、高可靠強魯棒制導(dǎo)與控制技術(shù)、先進測量與通信技術(shù)、快速測試及發(fā)射技術(shù)等。后續(xù)我國應(yīng)盡快開展共性技術(shù)攻關(guān)研究，全面提升運載火箭綜合水平。

運載火箭是牽動航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展和科技進步的龍頭，運載火箭技術(shù)的發(fā)展直接促進了衛(wèi)星應(yīng)用、載人航天和空間安全等技術(shù)的發(fā)展，給國民經(jīng)濟帶來直接的經(jīng)濟效益和巨大的間接效益。因此運載火箭技術(shù)水平不僅代表著一個國家自主進入空間的能力，也體現(xiàn)著一個國家最終利用空間和發(fā)展空間技術(shù)的能力，維護國家的空間安全和空間利益是一個國家航天能力的基礎(chǔ)，也是綜合國力的象征。

我國運載火箭正處于快速全面發(fā)展的時期，在持續(xù)跟蹤、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)上應(yīng)大力發(fā)展高適應(yīng)性運載火箭，完善運載能力布局。結(jié)合深空探測等任務(wù)需求，開展重型運載火箭論證及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。密切跟蹤重復(fù)使用運載器發(fā)展動態(tài)，積極探索可重復(fù)使用技術(shù)。針對共性技術(shù)開展攻關(guān)研究，全面提升運載火箭綜合水平。這對我國運載火箭技術(shù)的發(fā)展，確保我國運載火箭發(fā)展的高適應(yīng)性，乃至提升我國綜合國力具有重要意義。▲