运载火箭高适应性发展研究

◎中国航天科技集团公司 罗恒 戴屹梅 梁唐

运载火箭高适应性发展研究

◎中国航天科技集团公司 罗恒 戴屹梅 梁唐

空间是维护国家安全和国家利益的制高点，进入空间进而利用并控制空间是世界航天大国不懈追求的目标。运载火箭的技术水平代表着一个国家自主进入空间的能力，是开展空间活动的前提。运载火箭在航天技术领域始终处于基础地位，世界各国都非常重视运载技术的发展。

笔者将世界运载火箭发展历史归纳总结为发展型阶段、实用型阶段、适应性阶段和高适应性阶段，并提炼出不同阶段火箭的发展背景、技术特点和研制规律，最后对我国运载火箭未来高适应性发展进行了展望。

一、世界运载火箭发展特点分析

自从1942年运载火箭的开山鼻祖V-2导弹第一次飞行至今，运载火箭发展已达70余年，纵观世界各国运载火箭发展历史，深入分析各型运载火箭的产生背景、使用目的、综合性能，基本上可将运载火箭划分为发展型、实用型、适应性、高适应性4种类型，各自定义如下。

发展型运载火箭：掌握航天飞行力学基础理论，突破运载火箭工程研制的基本技术，运载能力较小，且具备一定飞行成功率的火箭。

实用型火箭：全面掌握运载火箭研制理论，具备特定用途，模块化程度较低，运载能力较强且具备较高飞行成功率的火箭。

适应性火箭：运载能力不断拓展，具备较高的任务适应能力，模块化水平较高，可靠性较高且发射成功率很高的火箭。

高适应性火箭：采用绿色环保推进剂，具有完善的运载能力覆盖性，模块化程度极高，可靠性极高，具备快速响应能力和现代化的测发能力的火箭。

1．发展型火箭

二战结束后，布劳恩等专家投奔美国，V-2导弹设备和资料大部分被美、苏俘获。美国和前苏联都通过仿制V-2导弹创建了本国的运载火箭。发展型火箭的典型代表有前苏联的Sputnik、美国的Jupiter-C火箭和中国的CZ-1。

发展型火箭的普遍技术特点包括：突破航天飞行力学基础理论；火箭总体性能较弱，运载能力较小，火箭载荷比高；研制出相对成熟的火箭发动机，但发动机推力、比冲等性能较弱；控制装置以模拟电子线路为主，惯性器件精度较低；制导方式以惯性制导为主；可靠性较低，飞行成功率较低；几乎未考虑模块化设计。

发展型火箭大量借鉴了弹道导弹设计技术，迈出了运载火箭从基本原理向工程应用的第一步。该阶段的火箭均以验证火箭技术为主要目的，属于运载火箭发展起步阶段，重点解决了各国火箭的有无问题，实际应用意义较小。

2．实用型火箭

进入冷战时期，美苏在航天领域展开了激烈竞争，军事需求成为运载火箭发展的主要牵引力，两国均研制了大、中、小各型运载火箭。欧洲则将注意力转向了国际商业发射服务市场，Ariane系列火箭登上历史舞台。实用型火箭的典型代表有欧洲的Ariane 1、前苏联的SL-8、美国的Saturn V和中国的CZ-2C。

实用型火箭的普遍技术特点包括：全面掌握运载火箭研制理论；总体性能较强，箭载荷比较低；以基于惯性测量（平台或惯组）+计算机+推力矢量的控制方案成为主流，计算机控制技术替代电子模拟线路控制；可靠性较高，逐步采用了冗余设计和多数表决法；发动机研制水平高（F-1，J-2发动机推力、比冲等性能强）；模块化程度较弱；投入巨大。

在冷战背景下，政治需求和军事需求是牵引实用型火箭发展的源动力。实用型火箭轨道适应能力较差，应用范围较为单一，可扩展性较差。该阶段火箭的成功率已大大提高，而这背后离不开美苏等国的巨额投入。

3．适应性火箭

冷战结束后，世界航天发展进入新时期，如何提高运载火箭的任务适应性，为有效载荷提供较好的发射服务，力争扩大国际商业发射份额，成为适应性火箭的发展趋势。适应性火箭典型代表有欧洲的Ariane 5、俄罗斯Proton M和Soyuz、美国的Delta IV和Atlas 5、中国的CZ-2F和CZ-3A系列火箭。

适应性火箭的普遍技术特点为：总体性能不断拓展。采用高性能多次启动末级或者上面级拓展总体性能，可适应一箭多星发射模式，为有效载荷提供丰富的机械接口，提供舒适的星箭力学环境；数字控制技术成为主流，控制系统实现了系统级冗余；复合制导技术成为主流；可靠性高，多采用成熟技术和继承性设计；复合材料及新型金属材料的应用成为趋势；使用维护性较强，测试发射流程在20天左右；模块化水平较高。

适应性火箭日益重视用户需求，不断提高火箭的适应性和总体性能。为了提高可靠性，缩短研制周期，降低研制成本，大量采用了成熟技术及产品，开拓商业发射服务市场成为世界各国的共同追求。

4．高适应性火箭

2010年后，随着科技的不断进步，航天运输系统正在由“解决如何进入空间”问题转向“解决如何高效、可靠、低成本进入空间”问题。降低发射成本、采用绿色环保推进剂、提高商业发射市场竞争力成为高适应性火箭的发展趋势。高适应性火箭的典型代表有欧洲的Ariane 6、俄罗斯的Angara、美国的Falcon 9和SLS、中国的新一代运载火箭。

高适应性火箭的普遍技术特点为：总体性能不断完善，定位合理；采用了型谱化设计，具有很高的通用化、模块化和组合化设计水平；具有良好的价格竞争力；不刻意追求产品性能最优；均采用了绿色无污染环保推进剂；具备快速响应能力和现代化的测发能力；积极探索可重复使用技术；可靠性很高，产品简单可靠；故障诊断与健康检测、重构控制技术成为关注重点。

高适应性火箭注重经济性、实用性、技术先进性的平衡，运载能力不是新型火箭追求的最高目标，但运载能力必须紧密结合未来主流需求。一次性运载火箭仍然是航天运输系统的主要组成部分，但可重复使用技术再次成为世界各国研究的热点。为了降低进入空间的成本，以美国为代表的航天强国正探索引入商业和市场化竞争，已经取得了良好的效果。

二、高适应性发展展望

通过与国外高适应性运载火箭进行对比分析，我国运载火箭仍存在一定的差距，尤其是在重型运载火箭、完善型谱衍生构型、快速响应运载火箭、重复使用运载器以及关键技术攻关和共性技术攻关研究等方面，这也为未来我国运载火箭高适应性发展指明了方向。

1．开展重型火箭论证与研制

目前，美、俄把载人登月及深空探测作为后续战略发展目标，开展SLS等重大项目研制；日、印则以无人和载人深空探测为目标；我国载人登月需要近地轨道140吨、奔月轨道50吨以上运载能力，目前现役及在研火箭均无法满足。因此，后续应尽快开展重型火箭论证和研制，同时开展大推力液氧煤油发动机、环境预示技术、大直径箭体及分离系统设计等关键技术的研究。

2．完善运载能力布局

Falcon 9、Ariane 6、H-III火箭运载能力均瞄准了未来国际商业发射服务市场主要需求，同时还具备高可靠、经济性好的鲜明特点。通过梳理我国火箭型谱可知，仍有部分运载能力区间不够完善，这对未来有效载荷发展形成了较为显著的制约，也对我国积极抢占国际商业发射服务卫星市场不利，对CZ火箭国际竞争能力造成一定影响，后续应基于成熟技术和模块，加快新一代火箭衍生构型研制，完善运载能力布局，同时，研制过程中应注重经济性、实用性，技术先进性的平衡。

3．构建快速响应发射能力

国际上已有多种快速响应发射的小运载，如美国的Pegasus、Taurus、Falcon 9， 欧 洲 的Vega，俄罗斯的START，日本的Epsilon等，发射方式涵盖地基简易塔架发射、公路机动发射、空中发射和潜艇发射等多种方式；Falcon 9火箭发射场测试和发射周期目前仅需16天，固体小火箭时间更短，我国目前传统运载火箭发射准备时间仍需20天以上。后续针对在飞火箭，可进一步优化测试发射流程、简化发射场测试项目，开展产品运输环境等试验,解决影响测试发射的亟需问题；针对在研火箭，首飞及经过一定任务的考核后，进一步压缩流程；针对未来火箭，从火箭总体设计到产品实现、操作维护、应用发射均按照快速响应思路开展。

4．解决重复使用运载器关键技术

可重复使用是降低航天运输系统成本的重要途径，同时也是保障国家战略安全的关键领域。近年来，世界各国掀起了一股可重复使用技术研究热潮，包括美国的XS-1、Xaero B、Spaceship Two、New Shepard、Dream Chaser等一系列可重复使用飞行器，欧洲的IXV、Skylon等项目已经进入飞行验证阶段。我国尚需进一步开展关键技术攻关和验证，后续我国应密切跟踪重复使用发展动态，逐步解决重复使用运载器关键技术，实现完全重复使用的终极目标。

5．全面提升运载火箭综合水平

共性技术代表了运载火箭未来的技术发展方向，共性技术的落后直接制约了运载火箭综合性能和高适应性，共性技术可分为总体集成与优化技术和系统先进技术。总体集成与优化技术代表了运载火箭总体技术的发展方向，包括环境预示及优化、全箭动特性获取和频率预示、变推力弹道优化、动力冗余总体设计、故障诊断与健康检测、重构控制技术等。系统先进技术代表了运载火箭系统级技术的发展方向，包括轻质多功能结构技术、高性能动力技术、高可靠强鲁棒制导与控制技术、先进测量与通信技术、快速测试及发射技术等。后续我国应尽快开展共性技术攻关研究，全面提升运载火箭综合水平。

运载火箭是牵动航天产业发展和科技进步的龙头，运载火箭技术的发展直接促进了卫星应用、载人航天和空间安全等技术的发展，给国民经济带来直接的经济效益和巨大的间接效益。因此运载火箭技术水平不仅代表着一个国家自主进入空间的能力，也体现着一个国家最终利用空间和发展空间技术的能力，维护国家的空间安全和空间利益是一个国家航天能力的基础，也是综合国力的象征。

我国运载火箭正处于快速全面发展的时期，在持续跟踪、研究国外航天发展动态，把握世界航天技术发展竞争态势的基础上应大力发展高适应性运载火箭，完善运载能力布局。结合深空探测等任务需求，开展重型运载火箭论证及关键技术攻关。密切跟踪重复使用运载器发展动态，积极探索可重复使用技术。针对共性技术开展攻关研究，全面提升运载火箭综合水平。这对我国运载火箭技术的发展，确保我国运载火箭发展的高适应性，乃至提升我国综合国力具有重要意义。▲