下一代航天運輸系統發展思考

王小軍

（中國運載火箭技術研究院，北京，100076）

0 引 言

2016年4月24日，首個“中國航天日”之際，習近平總書記做出重要指示：“探索浩瀚宇宙，發展航天事業，建設航天強國，是我們不懈追求的航天夢”。當前科技飛速發展，世界航天已進入以互聯網星座建設、空間資源開發、深空探測、載人月球探測和點對點全球極速運輸等為代表的新階段[1～4]，呈現出任務領域更多樣、能力規模更大、技術應用更深入、商業驅動力更強的新態勢，與社會、經濟和民生深度融合，大航天時代正在拉開帷幕[1,2,4～8]。

航天運輸系統作為一個國家航天活動的支撐和基礎，是其綜合國力的重要標志[3,9]。世界航天發展的新態勢對航天運輸系統提出了新要求，進出空間規模需求越來越大，可靠性、經濟性要求越來越高，同時人工智能、先進材料、新型動力等創新技術的快速進步，不斷推動航天運輸領域產品和技術的迅速拓展升級。

當前，中國新一代長征系列運載火箭陸續投入工程應用，各類新型航天運輸飛行器技術持續攻關，并取得突破成果；面向建設航天強國和領域發展的使命要求，科學系統謀劃下一代航天運輸系統的發展具有重要意義。

1 發展態勢

美國、俄羅斯、歐洲等主要航天國家和地區，加速構建以高可靠、低成本為特征的下一代運載火箭，加快重型運載火箭研制和重復使用技術研發，通過技術創新持續提升進出空間的能力和經濟性，進一步支撐本國空間科學、空間技術、空間應用等航天活動向更大規模、更高頻次、更遠距離發展。

a）大力研發重型運載火箭，確保航天運輸的領先優勢。

為開展大規模月球探測和載人火星探測任務，搶占太空制高點，美國同時發展兩型重型運載火箭（SLS和超重-星艦）。美國實施阿爾忒彌斯（Artemis）計劃，重返月球，開發地月空間，研制重型火箭（SLS），計劃2022年實現首飛，SLS 1型近地軌道能力為70 t，SLS 1B型和SLS 2型的近地軌道能力分別達到105 t和130 t。超重-星艦采用兩級重復使用和在軌加注技術，其上下行能力能夠達到100噸級和50噸級，成功中標阿爾忒彌斯（Artemis）計劃的月球著陸與上升飛行器，同時具備載人火星探測等能力，并計劃在20年內實現載人火星探測[10,11]。超重-星艦同時具備低軌大規模星座快速部署的能力。美國SpaceX公司星艦運輸系統見圖1。

圖1 美國SpaceX公司“星艦”運輸系統 Fig.1 SpaceX Starship Transportation System

b）加速重復使用技術工程應用，推進運載火箭更新換代，實現更低成本、更高頻次進入空間。

世界航天大國在下一代運載火箭研制中均推行模塊化和組合化的設計原則，加快航天運輸裝備的產業化發展，以期通過大規模批產大幅提升生產效率和降低成本，提高市場競爭力，例如：歐洲的阿里安6、日本的H3和美國的火神火箭。與此同時，重復使用技術正在加速工程化應用，SpaceX的獵鷹9火箭一子級已實現單模塊14次使用，大幅降低了進入空間的成本；俄羅斯研制的阿穆爾火箭、歐洲的阿里安6NEXT等均具備重復使用能力。

面對以互聯網星座為代表的日益增加的多主體、大規模、快速進入空間的需求，運載火箭發射頻次不斷變高。高密度任務背景下，重復使用可提高火箭產品的履約效率，降低對產能的需求。以美國獵鷹9中大型運載火箭為例，通過多工位布局、采用先進測發模式等措施，測發周期僅需12天，同一工位最小發射間隔7天。圖2為重復使用運載火箭。

圖2 重復使用運載火箭 Fig.2 Reusable Launch Vehicle

c）發展故障診斷與容錯重構等智能飛行技術，本質提升可靠性。

故障診斷與容錯重構、動力冗余等技術應用，從本質上提升了運載火箭飛行可靠性。土星五號等國外運載火箭在設計之初就開展了針對不同故障模式的任務級重構技術研究，使其具備在飛行中出現故障時仍盡可能改變飛行策略，利用全箭剩余能力去完成飛行任務。2012年10月8日，美國獵鷹9火箭在DragonCRS-1任務中，一級飛行過程關閉了1臺故障發動機，憑借故障診斷與容錯重構技術成功處置了上升段發動機故障，主任務仍獲得成功，實現了連續百次發射成功。

d）航天運輸功能更加多樣、內涵更加豐富，太空經濟快速發展。

隨著航天運輸技術的發展，使得進入空間的成本不斷下降，便捷性不斷增加，產品流轉周期不斷縮短，催生火箭貨運、太空旅游、太空資源開發等新產業，促進太空經濟的快速發展。在日益豐富的航天任務需求下，航天運輸系統的內涵更加豐富。德國宇航局（DLR）也在開展全球極速運輸系統的研發[12]，DLR提出的SpaceLiner空天飛機將使得歐洲到澳大利亞的飛行時間縮短為90 min（見圖3）。ULA公司持續開展先進半人馬座上面級的改進設計，實現單次使用在軌數周的能力，并結合在軌加注重復使用，滿足大規?？臻g轉移運輸需求，并計劃將其拓展為月球著陸與上升器，支撐地月空間經濟圈建設[6～8]，美國ULA公司先進半人馬座及在軌加注示意見圖4。藍色起源采用新謝潑德、維珍銀河采用太空船二號（見圖5）、

圖3 德國DLR提出的SpaceLiner Fig.3 SpaceLiner, DLR of Germany

圖4 美國ULA公司先進半人馬座及在軌加注示意 Fig.4 Advanced Centaur Refueling in Orbit, ULA

圖5 太空船二號 Fig.5 Spaceship Two

SpaceX公司采用獵鷹9火箭開展多次亞軌道及入軌級太空旅游，拓展太空應用模式。

2 發展需求

2.1 戰略發展需求

航天科技工業是國家戰略性高技術產業，是綜合國力、大國地位的重要體現和標志，是國家科技創新體系的重要組成部分。《2021中國的航天》白皮書中提出：“中國航天將立足新發展階段，貫徹新發展理念，構建新發展格局，按照高質量發展要求，推動空間科學、空間技術、空間應用全面發展，開啟全面建設航天強國新征程，為服務國家發展大局、在外空領域推動構建人類命運共同體、促進人類文明進步作出更大貢獻”。發展下一代航天運輸系統是航天強國建設的關鍵，是深入貫徹落實創新驅動發展戰略的體現，是構建太空領域人類命運共同體的基礎，是實現航天科技高水平自立自強的戰略要求。

2.2 任務實施需求

為實現大規?？臻g探索與開發，中國航天需具備世界一流的自由進出太空、高效利用太空和科學認知太空能力，中國空間站即將完成在軌建設，后續將持續開展空間站的維護運營和技術應用[13]，還規劃了互聯網星座、載人月球探測、月球科研站、行星探測和太陽系邊際探測任務[14～16]，并提出了建設覆蓋臨空、近地、地月、行星際空間的太空經濟圈等方案[1,2]。航天運輸還將成為太空產業的重要組成和支柱之一，催生諸多新興產業的發展，大力推動太空經濟蓬勃發展?？傊教爝\輸系統的發展需滿足近地空間運輸高效經濟、地月空間運輸可靠安全、星際空間運輸自主可達等要求。

2.3 技術提升需求

根據國際宇航科學院研究預測[4,5]，結合中國相關發展規劃，預測到21世紀中葉中國每年航天運輸總規模需求將超過萬噸，超出當前能力的1～2個量級。目前中國運載器年發射效能已不滿足該要求，需要進行跨代升級。年發射效能可由運載器的能力、效率及成本來表征。能力包括運載能力和可靠性，效率指年發射次數，成本指單位載荷發射成本。下一代航天運輸系統需具備更大規模的運載能力、更高的可靠性、更大的發射頻次和更低的成本。

通過重復使用技術，可以使發射成本不斷下降。當復用次數足夠多，一子級重復使用的發射成本可以降低超過50%，完全重復使用的發射成本可以下降1～2個數量級，且重復使用后，對運載火箭的產能需求大幅下降。針對高可靠需求，需發展故障診斷、健康管理、智能決策、任務重構等技術。產品通用是實現模塊化的前提，基于模塊化的批量生產在有效降低產品成本的同時，可壓縮產品準備周期；針對高效測發，需發展智能健康評估、無人值守、自動化加注、智能測發等技術。運載效率是確保擁有主流運載能力的前提，是航天運輸系統總體設計水平、動力系統技術水平、結構設計水平以及原材料和制造技術水平的綜合表征。因此，重復使用、智能飛行、高效測發、產品通用和性能優異等將成為下一代航天運輸系統的主要特征。

3 發展方向

瞄準航天強國建設目標，滿足大規?？臻g探索與開發需求，立足發展基礎，充分利用重復使用和智能化等技術，構建布局合理、能力完備、性能一流的下一代航天運輸系統，實現大規模、高可靠、低成本、多樣化的航天運輸服務能力。

a）研制新一代載人運載火箭和重型運載火箭，實現運載能力跨越式發展，滿足國家重大工程需求。

“運載火箭的能力有多大、航天發展的舞臺就有多大”，實施月球資源開發與利用、載人登月、深空探測等國家重大工程，是實現航天強國的關鍵支撐，對運載火箭近地軌道能力需求達到100噸級。需要研制新一代載人運載火箭和重型運載火箭（見圖6），大幅提升進入空間能力。

圖6 新一代載人火箭和重型運載火箭 Fig.6 New-generation Manned Launch Vehicle and Heavy-lift Launch Vehicle

新一代載人運載火箭是根據中國載人航天工程長遠發展規劃，為發射中國新一代載人飛船和月面著陸器而全新研制的高可靠、高安全載人火箭，將中國奔月軌道運載能力由8.2 t提升至27 t，填補中國載人登月的能力空白，具有安全可靠、性能先進、流程創新、擴展靈活等特點，并且以新一代載人運載火箭為基礎可以發展近地空間站載人和載貨等系列化衍生構型，推進中國載人運載火箭升級換代，滿足完成空間站運營任務及各種應用衛星的發射需求。通過新一代載人火箭研制，攻克發動機多機并聯、低頻彈性控制、故障診斷及容錯重構等關鍵技術，進一步提升火箭可靠性。

根據中國運載火箭型譜發展規劃，重型運載火箭是下一代運載火箭的核心標志，支撐中國奔月軌道運載能力達到50 t，填補近地軌道運載能力100噸級空白，實現跨越發展，滿足深空探測和近地空間大規模運輸等中長期發展需求。重型火箭研制具有極強的帶動性，可充分帶動先進設計、高端制造、原材料、元器件等相關基礎工業的發展，加速中國制造業轉型升級，帶動中國高端裝備發展，推進制造強國建設。通過重型火箭研制，攻克超大直徑箭體結構設計制造、大推力高性能發動機設計制造、連接器自動對接、大功率伺服機構等關鍵技術，顯著提升中國航天科技水平，有力支撐中國航天強國建設，有利于提高民族凝聚力和增強國際競爭力。

b）優化新一代運載火箭，進一步提高火箭綜合性能，服務軍民商主流載荷高頻次發射需求。

隨著中國空間探索與利用的步伐日漸加快，軍民商各領域對低成本、高效率發射的需求日益迫切，預計到2035年中國年發射次數將超過百次、發射入軌質量將達到1000 t以上，特別是中低軌組網發射任務將呈現爆發式增長，亟需提升現役運載火箭的能力、效率和可靠性。

研制通用氫氧末級，采用YF-75D發動機，適配大尺寸整流罩，優化升級新一代中型火箭，提升SSO軌道和GTO軌道運載能力。實施運載火箭性能提升基礎專項，通過總體參數精細化設計、結構減重優化設計、動力性能提升、電氣一體化等技術，提升結構效率、運載系數等核心性能。推進靶場測發流程優化專題，通過操作自動化、測發智能化等措施，逐步推進氫氧大噴管隨箭運輸、鋰電池應用等措施，精簡靶場測試項目，提高測發效率，實現大型火箭4周、中型火箭2周的測發周期。通過飛行搭載，攻克故障診斷與容錯重構技術，并推進工程應用，從本質上提升運載火箭可靠性。

c）布局重復使用運載器，大幅降低進出空間成本，支撐未來航班化運輸。

著眼未來更大規模和更高頻次的航天活動，構建體系完整、分布合理、性能卓越的天地往返航班化航天運輸系統，主要分為以下3步：

第1步，研制基于垂直起降的重復使用運載火箭。為大幅降低進出空間的成本，提高產品周轉效率，支撐軍民商主流載荷高頻次發射和全球極速運輸服務，在新一代運載火箭基礎上，發展一子級垂直起降運載火箭，運載能力覆蓋新一代運載火箭。一子級重復使用火箭主要包括考慮上升段和返回段等多約束條件的級間比等總體參數優化設計技術、氣動舵選型及返回段氣動特性預示、返回段高精度GNC技術、返回段箱壓保障及推進劑管理技術、發動機多次點火及推力調節技術、氣動舵與RCS聯合控制技術、高速再入熱設計及防護技術、重復使用結構機構技術、重復使用快速維護檢修等多項關鍵技術。重復使用火箭采用多臺發動機并聯配置，攻克并應用動力冗余技術是解決多臺發動機并聯可靠性的有效途徑。

第2步，研制升力式飛回重復使用運載器。升力式火箭動力運載器采用垂直起飛/水平著陸方式，以液氧烴類發動機作為主動力，經過飛行驗證，技術較成熟，具備短期內實現工程應用的條件，重復使用次數不少于50次。升力式重復使用運載器與垂直起降重復使用一子級火箭組合使用，實現兩級完全重復使用，初步具備天地往返運輸的工程應用能力。升力式飛回重復使用運載器主要考慮包括跨域高速飛行氣動彈性嚴重、結構疲勞問題突出、軌跡在線規劃難收斂求解效率低、低頻密頻氣彈耦合、全流程氣動預示等多項關鍵技術。

第3步，研制組合動力飛行器。利用組合動力不同空域、速域的特性和具備快速、便捷進出空間的優勢，在總體優化、水平再入GNC技術、組合動力模式切換等技術領域進行探索與驗證，預計21世紀中葉具備工程應用條件。為提高推進系統綜合性能，將不同的推進系統有機組合在一起，使飛行器在整個飛行范圍內均具有較優的工作性能。寬包線飛行、大尺度機身和復雜氣動布局是組合動力空天飛行器的典型特征。因此，除了動力系統設計之外，為了實現組合動力空天飛行器的工程化研制，還必須突破氣動布局、機體/推進一體化、熱防護與熱管理、制導、控制、地面測控等一系列關鍵技術。

d）發展高性能空間轉移運輸系統，拓展航天運輸系統軌道部署能力，滿足大規?？臻g轉移運輸和大規模深空探測需求。

瞄準未來空間運輸、空間在軌服務多樣化的任務需求，進一步提升現役上面級性能。發展長期在軌平臺，拓展在軌時間和空間目標交會能力，滿足更遠的深空探測、更靈活的軌道部署、更多樣化的空間應用需求。實現空間運輸動力系統從有毒向無毒的發展，為執行軌道間/星際間擺渡運輸、多載荷發射、天基組裝發射，提供高效、低成本、多樣化的空間運輸途徑。探索發展基于核熱推進、大功率電推進等新型動力的空間運輸系統，支撐大規模深空探測任務。

針對現役上面級，進一步優化故障診斷與控制重構技術，提升可靠性；通過剩余量優化、結構優化等措施，進一步提升運載系數。研制長期在軌高性能上面級，突破間歇沉底、主動排氣降溫、推進劑蒸發量控制等關鍵技術，實現氫氧末級在軌時間從分鐘級到小時級的提升。研制重復使用軌道轉移運載器，攻克低溫推進劑在軌加注、長期在軌發動機多次起動、長期在軌能源管理、在線任務智能規劃和空間載荷自動對接等關鍵技術。

e）推進星箭地協同發展，探索航天港建設，發揮航天運輸系統的支撐作用。

主動發揮航天運輸系統的支撐作用，推動星箭地接口標準化體系建設。在多星布局、多星分離、星箭界面環境條件等方面，應用先進布局技術，開展星箭聯合優化設計，實現星箭雙方裕度分配合理、余量共享、測發流程簡化，進一步提升多星發射整流罩空間利用效率。箭地協同方面，以同一工位適應多型火箭、一型火箭適應多個工位為原則，依據火箭發展規劃，并適當前瞻，牽引發射、回收、測控等基礎設施建設，形成協調匹配的發射保障能力。持續建設并完善運載火箭遠程測試發射支持系統，推動高空風、加注、彈道諸元等數據的信息化傳遞，實現基地與地面測發控數據互聯互通，提高任務執行效率和保障能力。

為滿足商業航天發射需求，通過引入社會資本，探索建設商業航天發射設施。為滿足自由進出空間、全球極速運輸等航班化任務，研究安全起降及飛行管控技術，探索建設航天港，建設完備的發射場、著陸場、中轉站和維護保障設施，建立航班化航天運輸安全起降及飛行管控體系，形成基于航天運輸的航班化客運、貨運服務交通樞紐及交通網絡，實現航天運輸系統與經濟發展、百姓生活的深度融合。

4 發展思考

瞄準世界科技前沿，引領科技發展，發揮戰略科技力量，為打造世界一流的產品體系和技術體系，提出以下發展思考。

a）不忘航天報國初心，牢記航天強國使命，持續推進航天運輸系統跨越發展。

中國航天創建之初，科技基礎十分薄弱、研制條件非常簡陋，歷經六十余年的艱苦奮斗，航天人用拼搏和汗水鑄就了輝煌成績，實現了中國航天從無到有、從小到大的突破性進展，彰顯了熱愛祖國、無私奉獻的寶貴精神品質。面向未來，航天人心懷“國之大者”，以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，堅決落實習近平總書記關于航天強國建設重要論述和“8·26”重要批示，深入實施創新驅動發展戰略和軍民融合發展戰略；按照“高質量保證成功、高效率完成任務、高效益推動航天強國和國防建設”全面發展要求，遵循繼承和發展的原則，強化技術創新引領發展的作用，以重復使用、智能飛行、快速測發、產品通用、性能優異等為特征，積極構建具有更大能力、更高可靠性、更高效率和更低成本的下一代航天運輸系統，實現近地空間運輸便捷經濟、地月空間運輸高效可靠、星際空間運輸自主可達，有力支撐航天強國建設和世界一流軍隊建設。

b）堅持創新驅動，構建創新體系，實現航天科技高水平自立自強。

積極打造原創技術策源地，強化技術領先和技術制勝戰略，適應多學科交叉融合發展趨勢，強化原創引領導向，加大“無人區”前沿探索，集中力量研究新概念、新原理、新技術，拓展新領域，推動人工智能、量子信息等前沿顛覆性技術在航天領域的應用，培育未來新的技術增長點。建立完整的人工智能技術體系，實現系統級智能裝備應用，裝備智能化水平躋身世界領先行列。加快攻克熱防護、先進材料等“卡脖子”技術，強化核心技術自主可控；統籌做好創新全鏈條布局，強化導航制導與控制、先進動力等核心專業技術的基礎研究和應用基礎研究。

完善創新管理機制，增強創新活力。構建技術創新平臺和實驗室體系，推進國家級重點實驗室優化重組，積極參與國家實驗室論證。探索建設創新特區，建立適應前沿科技創新規律的新型組織模式，打造高端創新平臺，引領帶動航天運輸領域創新發展。健全創新投入、成果轉化、評價考核、資源共享等管理機制，著力推進課題制、揭榜掛帥等創新制度建設，增強科研人員創新激情和組織創新活力。持續加強產學研戰略合作，形成開放、融合、協同、高效的創新文化和創新生態。

c）推進產品化和數字化工作，提升科研生產效率，推動航天產品生產模式轉型。

產品化工作是推動科研生產模式轉型升級的重要內容和關鍵環節，是提高效率、確保質量的核心要素。通過產品化、通用化設計和規?；⑴炕a，提升產品質量、降低產品成本。要大力推進模塊級和單機級產品的產品化、批量化生產，實現產業化的發展?？傮w設計要實現高度集成化，將眾多單機產品進行有效整合，以最簡化的方式實現原有的多種功能。

通過數字化信息化手段，不斷完善航天基礎能力建設，提升科研生產效率。完善設計工具、集成設計平臺，引入并行工程方法，打造數字火箭研發支撐環境，實現設計資源統一管理，形成數字化運載火箭設計體系。建立工具齊全、系統完整、結果準確的先進仿真體系，實現虛實結合的大型化實物試驗和特殊環境下的試驗驗證能力，提高運載火箭的試驗驗證水平。加強生產制造過程單元化、自動化、數字化、信息化建設，國際一流航天產品生產線，提升組批生產能力。通過建設分布式協同生產模式，構建全三維數字化制造能力以及新材料的加工能力，達到敏捷制造，精益生產的目標。實施覆蓋型號研制全生命周期的全流程、全要素的數據協同，全面提升設計、仿真、制造、試驗、保障等環節的數字化研制能力，推動科研生產管理模式優化升級。

d）創新研發模式，發揮多方優勢，培育航天運輸系統可持續發展產業生態。

轉變研制理念，強化前瞻性、顛覆性等創新技術與工程研制的深度融合，營造允許試錯的創新氛圍，充分利用短平快的驗證性試驗和飛行搭載試驗，實現“設計、制造、試驗”的快速迭代循環，大幅縮短技術開發周期，盡快投入工程應用。探索并建立基于重復使用火箭的運營模式，促進用戶從采購產品向采購服務轉變，牽引單機、系統和總體等配套單位轉變盈利模式，從以提供產品為主轉向提供服務為主，形成重復使用研制及應用發射的內在驅動力。

隨著太空經濟時代的到來，商業航天發射市場的不斷發展，在航天運輸領域，積極引入社會資本，探索與地方政府合作新模式，充分利用地方政府管理下的、滿足使用條件的工業廠房等基礎設施，利用地方經濟發展給予的稅收等優惠政策，和地方政府建立良好的商業合作關系，牽引帶動更多的人才和資源投入到航天發展領域，構建航天運輸系統產業鏈條，形成航天運輸系統快速設計、快速生產、快速集成和快速履約的良性循環，實現航天工程運行效益的最大化。

5 結束語

未來大規模空間探索與開發對航天運輸系統的發展提出了新需求，重復使用、智能飛行、高效測發、產品通用和性能優異是下一代航天運輸系統的主要特征。面向科技強國和航天強國建設戰略需求，立足當前基礎，瞄準世界一流，還需轉變研制理念，持續增強創新能力，發展更大能力、更高可靠性、更高效率和更低成本的下一代航天運輸系統，奠定中國航天運輸邁向航班化的基礎，引領航天運輸模式變革，促進太空經濟發展。