下一代航天發射系統體系架構研究

同 江，劉 陽，劉 鷹，楊 強

（北京跟蹤與通信技術研究所，北京，100094）

0 引 言

隨著中國戰略利益向空間的不斷拓展，航天技術發展和產品研發速度明顯加快。特別是進入“十三五”以來，隨著“探月三期”、“全球衛星導航”等重大專項工程的全面展開實施，高密度發射問題日益突出。2018 年，中國共完成39 次航天發射任務（其中，西昌發射場 17 次，酒泉發射場16 次，太原發射場6 次），成功 38 次，失利1 次，雖然總發射數量占全球航天發射總數的34.21%，首次超越美國和俄羅斯，排名世界第一，但是與美國、俄羅斯等航天強國的航天發射系統之間還存在較大差距，如火箭在發射場的測發周期較長，流程優化程度不夠高；地面設備通用化程度低；發射場發射區設施不夠簡化，前端操作人員多；發射經濟性較差等。

目前，中國正處于新老火箭更新替代的關鍵時刻，亟需構建中國下一代航天發射系統體系架構，規劃指導下一代航天發射系統的建設，進而更好地滿足新時期航天發射任務的需求。

1 國外先進航天發射系統發展現狀

航天發射場作為航天工程的重要組成部分，其建設深受世界各航天大國重視。到目前為止，世界各航天大國相繼建成了各具特色的航天發射場，專供發射各種衛星、空間站、載人飛船及航天飛機等使用。隨著各種高性能、多用途、大推力的運載火箭和各類商用與太空開發航天器的出現和廣泛應用，各具特色的新型航天發射場系統開始出現。目前世界上主要航天發射場有15 個，除中國外，其他主要分布在美國、俄羅斯、法國、日本、印度等[1]。

1.1 美 國

美國主要的航天發射中心有3 個：卡納維拉爾角空軍基地、肯尼迪航天中心和范登堡空軍基地。

卡納維拉爾角空軍基地：主要執行軌道傾角小于60°的近地軌道（Low Earth Orbit，LEO）和地球同步轉移軌道（Geostationary Transfer Orbit，GTO）衛星發射任務。到目前為止，有4 個發射工位在用，其中：17 號工位用于發射德爾塔2 號；改造后的37 號和41號工位用于發射德爾塔4 號和宇宙神5 號，采用三垂測發模式，其中37 號工位年發射能力約15～18 發，41 號工位年發射能力約10～12 發；40 號工位用于發射獵鷹9 號火箭，采用三平測發模式；46 號工位將被佛羅里達州當局保留作為未來航天發射場。

肯尼迪航天中心：目前中心只有39A 發射工位正在使用，由NASA 租給SpaceX 公司進行獵鷹9 號和獵鷹重型火箭的發射任務，采用三平測發模式和遠距離測發控方式。此外，肯尼迪航天中心現在還在進行39B 發射工位的重建工作，39B 未來將會用于執行NASA 的太空發射系統SLS 重型火箭的發射任務，采用三垂測發模式。

范登堡空軍基地：主要發射傾角在66～145°的各種軍用和極軌道衛星。目前，該發射場可滿足德爾塔2 號、德爾塔4 號、宇宙神5 號、獵鷹9 號和獵鷹9

重型運載火箭的測試發射需求，具備太陽同步軌道（Sun-synchronous Orbit，SSO）和LEO 軌道衛星的發射能力，年發射能力約15～18 發。

1.2 俄羅斯

俄羅斯在用的航天發射場主要有3 個：拜科努爾航天發射場、東方航天發射場和普列謝茨克發射場，運載火箭均采用三平測發模式。

拜科努爾航天發射場：主要發射傾角在52～65°的各種不同用途的衛星、載人和不載人飛船、星際探測器和空間站。目前，該發射場可滿足聯盟號、質子號和天頂號火箭的測試發射需求。

東方航天發射場：該發射場是在已經關閉的斯沃博德內航天發射場的基礎上改造建設而成的現代化航天發射中心。目前該發射場已經具備聯盟2 運載火箭發射能力，用于承擔現階段及未來空間通信、遙感、地球基礎科學飛行器的發射任務。2025 年左右具備安加拉火箭和新一代載人及載貨運載火箭發射能力；2030 年左右具備一子級可重復使用運載器系統和超重型火箭發射能力[2]。

普列謝茨克發射場：該發射場擁有可發射所有小型及中型運載火箭的陣地設施和發射系統，可發射聯盟號、閃電號、天頂號、宇宙神、安加拉等系列運載火箭，主要用于發射具有大傾角的極軌衛星。

1.3 歐 洲

圭亞那航天中心具備聯盟-STA/STB 號、阿里安系列、織女星號等運載火箭的測試發射能力，液體火箭以采用三平測發模式為主，LEO 最大運載能力21 t，GTO 最大運載能力12 t[3]，主要用于執行科學衛星、應用衛星和探空火箭的發射任務。

1.4 發展特點及趨勢

國外先進航天發射系統具有以下幾個特點：積極推進運載火箭型譜化、系列化、通用化發展；開展發射場系統新建改造，不斷增強測試發射能力；注重發展改進測發流程，不斷提高測試發射效率；研究應用先進技術，提高測試發射安全可靠性；加強生態環境保護與安全防護，不斷推動可持續發展。

發展趨勢：系統發展以滿足軍事航天和國家重大專項需求為主體牽引；發射方式以多樣化空間進入能力為發展方向；測發模式向整體測試運輸和遠距離測發控發展；發射組織指揮以扁平化和一體化為發展方向；測試發射技術以智能化和信息化為發展方向；系統建設以集約化和生態化為發展方向。

2 中國航天發射系統發展歷程及主要差距

2.1 中國航天發射系統發展歷程

經過半個多世紀的發展，中國現已建成了符合中國國情、布局相對合理、設施基本完善、功能比較齊全的酒泉、太原、西昌、文昌4 個大型航天發射場，航天測試發射技術也取得了較好的發展，基本滿足了當前軍用、民用系列衛星和載人航天等發射任務需要。除去初期的導彈試驗階段，中國航天發射系統主要經歷了2 個階段：

第1 階段：20 世紀70 年代初～90 年代末。先后組建酒泉、太原、西昌發射場，具備CZ-2/C/D/E、CZ-3A系列、CZ-4B 火箭發射能力，近地軌道和中高軌道發射能力逐漸增強。采用兩平兩垂測發模式和近距離測發控方式。

第2 階段：20 世紀90 年代末～至今。先后建成酒泉載人航天發射工位、海南文昌航天發射場等，4 個發射場的新型戰略格局初步形成，近地軌道和中高軌道航天發射體系顯著增強；三垂測發模式及遠距離測發控方式得到推廣運用，三平測發模式也在小型運載火箭發射中開展了初步應用，年綜合發射能力達到30 發以上。實現了CZ-6、CZ-11、CZ-5、CZ-7 等新一代運載火箭的成功首飛。

2.2 主要差距與不足

對標美國、俄羅斯、歐洲等世界一流航天發射系統，中國目前航天發射系統主要存在以下不足，突出體現在：發射信息化、自動化程度較低；測發模式與流程有待進一步優化；測發理論與技術創新程度不夠；地面測發控設備布局分散，型號間不統型；工位設施龐大繁雜，前端人員多、射前工作多；加注時間長，箭地自動對接脫落、牽制釋放尚未實現；超大流量低溫貯運、加注還待突破，地面設施設備綜合保障能力較弱，基于信息化手段的全生命運維管理還需加強。

3 下一代航天發射系統體系架構研究

下一代航天發射系統，以實現世界一流先進航天發射系統為頂層目標，準確把握繼承發展與創新發展的關系，體現先進技術的發展方向，實現整個系統完整性和開放性的合理統一，以系統建設體系化、設施設備標準化、測試發射智能化、技術保障集約化和人機環境友好化為途徑[5]，加快實現測試發射高效安全、技術體系先進科學、使用成本低廉合理為目標，顯著提升中國進入空間的能力。

3.1 需求分析

a）從任務需求牽引向能力需求牽引轉換。

以往中國航天發射任務大都是科研試驗任務，發射場系統作為工程總體5 大系統之一，主要為配合火箭系統、衛星系統完成在發射場測試發射工作提供測發、測控、通信、勤務保障等條件。發射場系統的建設基本都是以任務和型號為牽引，地面測發控和發射支持設備都有著明顯的型號背景，互相之間不通用，保障難度大。下一代航天發射系統規劃建設要從能力需求出發，統籌規劃，合理布局，地面設施設備、地面測發控和發射支持設備等都要去任務化，實現真正意義上的通用化、智能化和一體化。

b）從功能上滿足向技術上先進轉換。

經過半個多世紀的發展，航天發射系統取得了長足進步，但是大多仍停留在滿足任務要求的及格線上，先進技術的應用還比較慢，再加上受衛星和運載自身條件的限制，對發射場系統提出了較為苛刻的要求，更加制約了航天發射系統自身的發展。下一代航天發射系統建設要加快推進新型測發模式與流程、智能測發控、運載火箭發射場長儲、大型發射臺與牽制釋放、箭地自動對接脫落、箭地一體化測試發射、超大流量低溫加注和制備、射前無人值守等關鍵技術研究與應用，不斷提升航天發射系統的技術先進性，緊跟世界一流航天發射系統步伐。

c）從各系統獨立設計向星、箭、發射場一體化設計轉換。

先進的航天發射系統，僅僅依靠發射場系統自身的發展是遠遠不夠的，因為衛星、運載火箭和發射場系統是一個有機的整體，互相之間均有接口，技術要求上互相制約，因此要聯合衛星、運載火箭一起協調發展，充分開展星箭地，尤其是箭地一體化設計，相互促進，相互提高，從而達到一個新的高度。

3.2 發射體系

綜合近年有關研究，2030 年前及更長遠一段時期中國航天發射體系將由常態發射、快速發射和重復使用發射3 部分組成[4]。

3.3 技術體系

發射場總體技術能力方面：具備多任務并行分析規劃技術、基于VR 和AR 的測發流程仿真推演與優化技術、綜合安全設計與分析評估技術；箭地一體化發射總體技術；星地、箭地機械接口、電氣接口、信息接口和人機接口的標準化技術；人工智能技術得到逐步應用；實現火箭推進劑加注開始無人值守技術等。

測發控技術能力方面：箭地接口更加優化、規范，測發控系統設計更加先進，通用化程度不斷提高，智能操作初步實現，測試發射效率得到很大提高；大數據、云計算等先進信息技術得到初步應用；具備火箭自動檢測，故障快速診斷、可靠隔離和狀態自主健康管理的能力。

發射支持技術能力方面：實現重、大、中型運載整體組裝和轉運，運輸平臺實現高可靠、自保障和耐使用；大噸位牽制釋放技術取得突破性進展；實現連接器自動對接零秒脫落、超大流量超低溫多推進劑快速并行加注、大流量導流噴水冷卻降噪技術等。

3.4 設施設備體系

打破傳統按照技術區、發射區劃分的方式，突出設備、系統在設施設備體系中的位置，弱化廠房、設施在設施設備體系中的比重。融合迅捷的發射指控，統型智能的測試發控、無人化規范化的發射支持、物聯化全壽命的運維保障。

3.5 運用方式

由以場區為基礎的計劃型、分散運用向以能力為基礎的快響型、聯合運用轉變；由以設備設施功能保障為主導向以智能化、精細化、標準化服務保障為主導轉變；實現航天發射能力的全維發展、平臺的全域覆蓋、效能的全譜增強、任務的全向支持；新老火箭發射能力更新替代基本完成；具備按需發射、確保進入能力。

測發模式進一步豐富優化，短距新“三垂”、“三平”測發模式在重型和大中型火箭成功應用；大中型火箭測發周期縮短至15 天以內。

以接口規范簡化、發射無人值守為突出特點的新型發射能力廣泛應用；操作無人化、測試智能化、保障通用化廣泛應用，基本實現一個工位、一套系統。

發射區實現無塔或簡易塔發射，連接器自動對接（零秒）脫落、超大流量加注、大流量高壓實時供氣和高效率氦氣回收提純等。

3.6 發展模式

按照統戰略規劃、統組織管理、統標準體系、統運行機制，融合需求、融合資源、融合技術、融合人才的總體思路，推進航天發射軍民融合示范工程。

轉變單一依靠工程任務、火箭型號牽引發射系統發展的被動模式，以先進測試、先進發射和集約規范、高效保障為關鍵支撐，引導運載火箭包括商業火箭的研制發展。

4 結束語

目前，中國航天事業正處在趕超國外航天強國的重大戰略機遇期，又面臨著新老運載火箭更新替代的重要發展階段，本文重點從需求分析、發射體系、技術體系、設施設備體系、運用方式和發展模式6 個方面，針對中國下一代航天發射系統的體系架構開展了研究，成果將對目前正在開展的新一代中型運載火箭發射配套設施設備建設和下一步開展的新一代載人運載火箭和重型運載火箭工程發射場系統總體論證具有重要意義。