基于聚类分析的运载火箭划代研究

◎北京宇航系统工程研究所 王雪梅 秦旭东 王小军

经过50多年的艰苦奋斗，我国航天事业取得了骄人的成绩，实现了人造地球卫星、载人航天、深空探测三个里程碑成就，完成了包括成功发射“东方红”一号人造地球卫星的CZ-1以及“神舟”系列载人飞船的CZ-2F等在内的众多运载火箭型号的研制任务，同时也正在进行CZ-5、CZ-7等新型运载火箭的研制。随着运载火箭型号的不断增加，技术水平也已发生了巨大变化，进行火箭划代研究将对探索和分析我国运载火箭技术演进规律、指导我国火箭的型谱化建设以及未来新型号研制具有重要的借鉴和参考意义。

目前，国内外还没有对运载火箭的划代开展专题研究。对战斗机和航空母舰的划代一般基于技术指标，对导弹的划代也较为复杂，而运载火箭的产品生命周期较长且性能指标受任务需求影响较大，单纯以研制时间或技术先进性进行划代都不尽合理，需要通过综合考虑技术、性能、经济等多种因素对其进行评判和归类。因此，笔者根据运载火箭的综合特征，采用聚类分析方法对我国运载火箭型号进行了代际划分，以期为开展我国运载火箭的型谱化建设及未来新型号研制提供参考。

一、聚类分析方法概述

聚类分析（Cluster Analysis）是根据研究对象的性质特征对其进行分类的多元分析技术的统称。通过聚类分析可以把特征相近的个体归为一类，使得分在同类中的个体具有高度的同质性，而不同类的个体具有高度的异质性。聚类分析方法为人口学、营销学、医学等众多领域所采用，是目前应用最为广泛的分类技术。

聚类分析一般通过相关性、距离或关联度等测度研究对象的相似性，进而对其进行分类，最为常用的是距离测度。距离测度的计算方法大多采用欧式距离算法，也还有绝对值距离、明科夫斯基距离和马氏距离等算法。

聚类方法也有很多，研究中常用层次聚类法和迭代聚类法。前者的核心是计算类与类的距离，并通过树状图详尽的表达聚类过程，是应用最广泛的聚类方法；后者则是在预设分类数的基础上对样本进行归集，其可以克服层次聚类法需存储距离矩阵和计算量较大的问题，更适用于大样本的聚类分析。

因此，采用聚类分析方法对运载火箭进行划代研究可以综合考虑多种评价指标，避免单一因素的局限性；可根据样本特性进行计算分类，避免人为确定分类标准的主观性。同时，聚类分析方法较为成熟，结果具有较强的说服力。

二、体系模型的建立及分析

我国运载火箭的发展始于20世纪60年代中期，经过长期的艰苦探索形成了由10多种型号组成的CZ系列运载火箭群体。CZ系列火箭经历了从串联到并联，从末级一次启动到多次启动，从常温推进剂到低温推进剂，从发射一箭单星到一箭多星，直至发射载人飞船的技术跨越。CZ火箭可将有效载荷送入任意地球轨道，且具备了向深空发射航天器的能力，入轨精度也已处于国际先进水平。然而，运载火箭的研制是项系统工程，其技术指标也较为复杂，所以难以简单地对火箭类型进行划分及评价。

笔者通过梳理国内外运载火箭发展历程及技术演变过程，归纳我国CZ系列运载火箭的评价标准以及采用专家会议法讨论确定了影响运载火箭综合性能的主要指标，形成了火箭划代分析的综合评价指标体系。该评价体系包含总体性能、产品性能、可靠性和安全性、环境适应性、使用维护性和经济性六个方面，且被进一步细化为29项具体评价指标，涉及总体、控制、动力、结构、测量、地面发射支持等各个系统，旨在综合考评我国CZ系列运载火箭性能，以便梳理火箭发展脉络，探索运载技术发展的内在规律。

根据火箭性能指标的具体实现情况并广泛征求专家意见，从指标体系的六个方面分解形成了29项评价指标的评分细则，最终形成了总计150分的指标评分表（见表1）。得分越高，表示火箭型号的综合性能越先进。

表1 指标评分表

通过专家打分法对我国运载火箭发展过程中的14个已飞型号和4个在研型号的29项指标分别进行了评价打分，并根据相应的评分结果对这18个运载火箭型号进行了代际划分，具体结果见表2。

该划代结果与目前对火箭的常规认识有较高的一致性。第一代运载火箭采用模拟控制系统，是我国进入宇宙空间的探索性研究，解决了我国运载火箭的有无问题，使我国具备了独立发射卫星的能力。

表2 划代结果

第二代运载火箭带有较强的战略武器痕迹，采用了数字控制系统，总体性能比第一代有了较大提升。

第三代运载火箭在第二代的基础上持续开展可靠性增长和技术改进，任务适应能力大大提高。

第四代运载火箭采用无毒无污染推进剂，将全面提高我国运载火箭的技术水平，增强进入空间的能力，满足空间技术发展的需求和国防现代化建设要求，可使我国运载技术始终处于世界先进水平行列。

按此思路，我国运载火箭未来发展的重点方向应为构建快速响应发射能力，进一步加大火箭运载能力，研制可重复使用运载器以及发展核推进等高比冲推进系统等。