我國重復使用航天運輸系統發展現狀及展望

龍樂豪 王國慶 吳勝寶 馬婷婷 牟宇（中國運載火箭技術研究院）

龍樂豪

1 前言

重復使用航天運輸系統是可多次往返于地面與空間軌道、多次重復使用的航天運輸系統，具有“自由進出空間、按需返回地面、多次可重復使用”的典型特征，是降低航天發射成本、提高安全可靠性的理想運輸工具[1]。重復使用航天運輸系統具有廉價、快速、機動、可靠等特點，是航天運輸系統的重要發展方向[2-3]。

20世紀50～60年代以來，以美國為代表的航天大國就一直在開展重復使用航天運輸系統的概念和技術研究，研發了以航天飛機為代表的一系列重復使用運載器，取得了大量研究成果[2]。近年來，X－37B、獵鷹－9火箭的研制成功以及重復使用，再次鼓舞各航天大國研發重復使用航天運輸系統的激情，掀開了人類重復使用航天運輸系統發展歷史上的新一頁。

對于我國而言，在50多年航天運輸技術的基礎上，研制重復使用航天運輸系統，將實現我國航天運輸由一次性使用向重復使用的重大跨越，大幅提升我國進出空間的能力，為有效利用空間提供支撐；也將加速航空航天技術的深度融合，帶動超高溫輕質材料、先進空天動力等高新技術創新發展。

我國從20世紀80年代開展小型航天飛機論證以來，一直在開展重復使用航天運輸技術的研究[2]。經過幾十年的研究，逐步形成了適合我國具體國情的重復使用航天運輸系統發展路線，并在發展路線的指導下，相關技術獲得快速發展。尤其“十二五”以來，我國在火箭構型重復使用、升力式火箭動力重復使用、組合動力重復使用等三種技術途徑上，均取得了重要技術進展，為后續的工程研制及應用奠定了良好的技術基礎。

2 發展路線

發展目標

我國重復使用航天運輸系統的發展總目標是形成廉價、快速、安全、可靠的進出空間運輸工具，支撐未來大規模利用空間任務的實施，推動空間應用產業快速發展。

技術途徑及特點分析

經過幾十年發展，重復使用航天運輸系統形成了火箭構型重復使用、升力式火箭動力重復使用、組合動力重復使用三種典型的技術路徑[1]。

火箭構型重復使用運載器的特點是軸對稱構型，使用火箭發動機，通過降落傘、垂直返回等方式回收。火箭構型重復使用的技術基礎相對較好；垂直返回會損失運載能力。

升力式火箭動力重復使用運載器的特點是采用面對稱翼身組合體升力式構型，使用火箭發動機，兼具航空器和航天器的特點，能夠垂直起飛、水平著陸，具有大空域（0～200km）、寬速域（馬赫數0～28）飛行能力。

組合動力重復使用運載器是指基于組合動力發動機（RBCC、TBCC、ATR、Trijet）的運載器，技術特點是組合動力技術難度大，起降靈活，高比沖，高效率，適應大空域飛行。

我國重復使用航天運輸系統發展思路圖

發展思路及步驟

縱觀重復使用航天運輸技術的國內外發展情況，并基于對各類技術發展的分析研判，提出適合我國具體國情的重復使用航天運輸系統戰略發展思路：從部分重復使用到完全重復使用、從火箭動力到組合動力、從兩級入軌到單級入軌。

第一階段，實現火箭動力部分重復使用工程應用，主要依托火箭構型重復使用一級、升力式重復使用運載器一級。這一階段主要是以解決運載火箭航/落區安全問題、初步實現低成本綠色航天為目標，以火箭構型重復使用為切入點，推動現有型號更新換代。

第二階段，實現火箭動力完全重復使用工程應用，主要依托完全重復使用運載火箭、升力式兩級重復使用運載器。這一階段以提升快速、廉價、安全進出空間能力，實現航天運輸系統完全重復使用和航班化運行為目標，以火箭動力、兩級入軌、水平著陸的完全重復使用航天運輸系統為發展重點，推動航天運輸由一次性使用向重復使用的創新與跨越。

第三階段，組合動力重復使用具備應用能力。這一階段以實現不依托發射場的更加便捷、快速、重復進出空間能力為目標，以組合動力、水平起飛、水平著陸的重復使用航天運輸系統為發展重點，推動自由進出空間能力的形成，使我國站在該領域的世界前列。

基于戰略發展思路及步驟，我國重復使用航天運輸系統的發展路線將按照火箭構型重復使用、升力式火箭動力重復使用、組合動力重復使用三條技術途徑同步開展研究，梯次形成能力。

重復使用航天運輸系統的三條技術途徑發展路線圖

3 發展現狀

技術基礎

我國運載火箭起步于20世紀60年代，經過50多年的發展，我國“長征”（CZ）系列運載火箭型譜比較完備，具備發射低、中、高不同軌道，搭載不同有效載荷的能力。目前，我國有長征二號C、長征二號D、長征二號F、長征三號A、長征三號B、長征三號C、長征四號B、長征四號C等8型在役運載火箭，有長征五號、長征六號、長征七號、長征十一號等4型新一代運載火箭，有遠征一號（YZ－1）、遠征一號A、遠征一號S、遠征二號、遠征三號等5型液體動力上面級火箭。此外，我國正在開展長征九號重型火箭等5型運載火箭的研制工作，研制成功后將進一步增強我國進入空間能力。

我國8型在役運載火箭

4型新一代運載火箭相繼于2015、2016年成功首飛，將我國近地軌道運載能力由8.6t提升至25t，使我國火箭的運載能力進入世界前列；5型液體動力上面級火箭具備長時間在軌、多次起動、自主控制能力，提升了軌道轉移運輸、軌道部署等任務的適應性。

我國已經首飛成功的4型新一代運載火箭

我國5型液體動力上面級火箭

盡管與美國、俄羅斯的火箭發射總次數相比，我國的運載火箭發射總次數仍有很大差距，但近年來我國的火箭發射次數已經和美國、俄羅斯在同一個水平。2018年，中國運載火箭發射39次（其中包含“長征”37次），位居世界第一。

“長征”系列火箭是我國進入空間的主體力量，截至2019年6月5日，我國“長征”系列運載火箭發射306次，發射成功率96%?！伴L征”系列運載火箭第一個百次發射用時37年，年均2.7次；第二個百次發射用時7.5年，年均13.3次；第三個百次發射用時4.25年，年均23.5次。進入“十二五”以來，“長征”系列火箭高密度發射實現常態化，2016－2018年平均發射26.3次/年。

2019年4月20日，長征三號甲系列火箭實現100次發射，成為我國首個發射次數超百次的火箭型號。

我國運載火箭技術的發展為航天技術提供了廣闊的舞臺，推動了衛星及其應用以及載人航天技術的發展，有力支撐了以“載人航天工程”和“月球探測工程”為代表的國家重大工程的成功實施，也為我國重復使用航天運輸系統的發展奠定了良好的技術基礎。

“長征”系列火箭發射次數統計圖

研究進展

（1）火箭構型重復使用

火箭構型重復使用方面，我國已經開展了三方面的研究工作：①對于在役有毒推進劑的運載火箭，無法重復使用。通過傘降、柵格舵等回收技術，實現火箭助推器、芯一級以及整流罩的落區精確控制，解決航/落區安全問題，同時為新一代火箭重復使用提供技術支撐。②對于新一代運載火箭，主要通過垂直起降技術實現火箭子級安全回收，進而重復使用。③開展了液氧/甲烷動力重復使用火箭的探索研究。

1）在役火箭子級落區控制，主要包括助推器及整流罩傘降回收和芯一級柵格舵回收。

助推器及整流罩傘降回收。在役火箭助推器/整流罩與火箭分離后慣性飛行，再下落至預定狀態時，啟動安全回收系統，彈出穩定傘和減速傘進行減速，展開翼傘，通過翼傘控制助推器/整流罩機動飛行，將其導引至安全區域降落，縮小落區范圍80%以上。已完成助推器及整流罩傘降回收方案設計、翼傘系統縮比空投試驗。在此基礎上，結合長征三號B發射任務，搭載助推器傘降測控終端；對傘降回收系統進行了初步的飛行搭載試驗驗證；與此同時，搭載長征二號C發射任務，開展整流罩姿態測量試驗，即將開展飛行搭載試驗，驗證關鍵技術。

芯一級柵格舵回收。火箭級間分離后，芯一級進行無動力飛行。安裝在級間段上的柵格舵按預定指令展開。隨著高度下降，動壓增加，箭體姿態進入自穩定階段，將剩余推進劑進行排放處理，導航制導控制系統開始工作，導引一子級向目標落區飛行，可將落區范圍縮小80%。已完成柵格舵回收方案設計，即將開展飛行演示驗證試驗。

2）新一代在研火箭回收及重復使用。以在研的某型火箭為例，采用助推器與芯一級捆綁整體集束垂直回收、重復使用，芯二級一次性使用的方案。在級間分離后，采用整體垂直降落的返回方式，實現減速和著陸，保證捆綁火箭整體可控回收。根據不同任務需求，助推器與芯一級整體可返回原發射場或其他預定區域。垂直起降技術突破后，可推廣應用到其他新一代運載火箭型號。已完成助推器與芯一級捆綁整體集束垂直回收總體方案設計，泵壓式發動機大范圍變推、著陸支撐機構、垂直起降高精度控制等關鍵技術攻關取得重要進展。2018年，設計搭建可重復使用的小型垂直起降驗證平臺，開展了垂直起降控制技術驗證，驗證了在線軌跡規劃、高精度相對導航與制導控制等技術。

3）液氧/甲烷重復使用火箭探索研究。液氧/甲烷重復使用火箭為兩級全液氧/甲烷動力的液體火箭，一子級回收并重復使用，二子級一次使用。一子級回收方式可采用傘降回收或垂直返回。液氧/甲烷重復使用火箭已完成總體方案論證、傘降回收系統縮比投放試驗；火箭子級傘降回收、垂直返回、重復使用箭體結構、重復使用液氧/甲烷發動機等關鍵技術取得重要進展。

（2）升力式火箭動力重復使用

根據我國重復使用航天運輸系統發展路線，在升力式火箭動力重復使用方面，目前我國主要聚焦于升力式火箭動力重復使用運載器一級的研制工作。

升力式火箭動力重復使用運載器一級以重復使用液氧/甲烷發動機作為主動力，翼身組合體構型，能夠多次重復使用，地面垂直起飛、在機場跑道水平著陸。背馱一次性運載火箭二級形成快速、低成本入軌能力。主要涉及氣動力熱、飛行控制、重復使用結構、重復使用評估等技術難題。

升力式火箭動力重復使用運載器一級已完成以液氧/甲烷發動機為代表的關鍵技術攻關。

（3）組合動力重復使用

組合動力重復使用方面，開展了組合動力兩級入軌重復使用運載器的方案研究。運載器采用兩級構型，一級以組合循環發動機作為主動力，水平起降；二級是一次性運載火箭，或升力式火箭動力重復使用運載器。主要涉及總體/推進一體化設計、不同動力之間的協調匹配、大范圍進排氣、材料/結構與熱防護等技術難題。

組合動力重復使用已完成組合循環發動機原理考核試驗，以機體/推進一體化為代表的關鍵技術具備一定的成熟度[1]。

組合動力兩級入軌重復使用運載器示意圖

4 未來展望

火箭構型重復使用

在役有毒推進劑運載火箭需要盡快解決航/落區安全問題。在傘降回收/柵格舵回收技術飛行試驗后，固化技術狀態，回收系統產品實現裝備化。

對于新一代運載火箭，首先實現在研新型重復使用運載火箭的研制和工程應用，待垂直起降技術成熟后，向其他新一代運載火箭推廣應用。針對重復使用的需求，液氧/煤油發動機需具備重復使用、深度變推能力。遠期，重復使用運載火箭需要應用人工智能技術，實現運載火箭故障可預測、系統可智能重構、任務可自主規劃、狀態可智能診斷，以增強自主性、便捷性和多任務適應性。

開展兩級完全重復使用運載火箭研究，按照新的設計理念、設計準則，貫徹落實重復使用的總要求，進一步提升運載火箭的重復使用性能指標，降低我國進出空間成本。

升力式火箭動力重復使用

近期，升力式火箭動力重復使用運載器一級研制成功，突破氣動力熱、飛行控制、重復使用結構、重復使用評估等主要核心技術，實現廉價、快速、便捷進出空間。

中期，升力式火箭動力兩級重復使用運載器研制成功，具備完全重復使用能力，進一步降低我國進出空間成本，實現航天運輸模式跨越發展。

遠期，升力式火箭動力兩級重復使用運載器投入商業應用，服務于軌道旅游、洲際人員/貨物運輸等商業任務，實現航班化運行。

組合動力重復使用

近期，組合動力發動機確定主攻方向，突破核心關鍵技術。

中遠期，組合動力兩級入軌運載器研制成功，航天運輸系統實現水平起降，運輸工具更加多樣化、智能化、高可靠、低成本，進出空間更加便捷和高效。

遠期，組合動力單級入軌運載器研制成功，形成自由進出空間能力。