重复使用运载火箭技术进展与展望

鲁 宇，汪小卫，高朝辉，申 麟，庄方方

（1. 中国运载火箭技术研究院，北京，100076；2. 中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京，100076）

重复使用运载火箭技术进展与展望

鲁 宇1，汪小卫2，高朝辉2，申 麟2，庄方方2

（1. 中国运载火箭技术研究院，北京，100076；2. 中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京，100076）

首先从伞降回收、垂直返回、带翼飞回和升力体式等类型分析了国外典型重复使用运载器的发展现状；然后从技术难度、对总体设计体系的影响、运载能力损失、对主发动机的技术要求、回收过程复杂性等方面对各技术途径进行全面的对比分析，并概述了重复使用运载火箭的关键技术，开展了重复使用运载火箭经济性分析；最后对未来重复使用运载火箭技术发展进行展望。重复使用是运载火箭发展的必然途径，中国还需大力发展重复使用运载火箭技术，未来还将走向天地往返+重复使用空间运输的模式。

运载火箭；重复使用；子级回收

0 引 言

随着国际航天发展，运载火箭技术已从解决“如何进入空间”转到“如何低成本进入空间”，如何降低航天发射费用是整个航天工业界面临的主要挑战之一，而实现运载火箭的重复使用是降低成本的重要措施。自20世纪50、60年代开始，世界各航天大国就持续开展可重复使用航天运输系统的研究，从早期美国研制的X系列验证机、70年代研制成功的航天飞机到近年来私营公司SpaceX研制的重复使用法尔肯-9火箭，重复使用运载技术一直是国际航天领域发展的热点之一。

在中国，重复使用运载技术的研究已开展了 20年[1～7]，对基于传统火箭构型的重复使用运载火箭和升力体式重复使用运载器两种类型都开展了大量的研究，正处于关键技术攻关阶段。另外，中国拥有3个内陆发射场，运载火箭的子级落区安全问题亟需解决，而重复使用首先需要回收火箭子级，对子级落点实施精确控制。因此，中国开展重复使用技术的研究还具有有效解决运载火箭发射落区安全问题的作用。

1 运载火箭子级回收技术分类及国外研究现状

对于运载火箭的重复使用，实现箭体回收是第 1步，也是最为关键的步骤。目前运载火箭箭体回收方法有伞降回收、垂直返回和带翼飞回3种回收方式，表1给出了各国运载火箭回收技术分类情况。

表1 运载火箭子级回收技术分类情况

1.1 伞降回收

1.1.1 航天飞机助推器伞降海上回收

航天飞机固体助推器（Solid Rocket Booster，SRB）回收采用的降落伞最大，被降落伞回收的载荷质量也最大，是唯一回收再重复使用的实用型火箭。该助推器单元集成了上升、再入和回收的子系统。集成的助推器子系统包括：推力矢量控制、辅助动力单元、航电、烟火信号、射程安全系统、降落伞、热防护、水上回收系统等。该助推器的技术难点包括子系统集成、热环境和严重的载荷（包括着水冲击）。很多子系统都配合可重复使用要求进行了改进。每个助推器使用3个主伞进行减速，最终降落在海上[8]。航天飞机助推器回收过程如图1所示。

1.1.2 K-1火箭伞降陆上回收

美国基斯特勒公司的K-1火箭计划始于1993年，期望通过重复使用降低运载器的发射费用，用于商业发射。K-1火箭为两级完全可重复使用运载器，一子级分离体采用降落伞+缓冲气囊的回收方案。有效载荷释放后，二子级再入大气层并向发射场返回，同样采用“降落伞+缓冲气囊”的回收方案[9～11]。

由于两级完全重复使用运载器的研制难度较大，项目经费无法得到保障，因此K-1火箭的研制计划出现起伏，进行了一定的试验验证后，没有最终投入实际应用。对于K-1火箭的子级回收技术，由于项目下马未能得到飞行验证，但回收着陆系统的绝大部分研制试验已经完成，通过飞机搭载演示验证试验，验证了“群伞+气囊”回收技术途径的可行性。K-1火箭回收过程如图2所示。

1.1.3 火神火箭伞降空中回收

2015年 4月，美国联合发射同盟（United States Launch Alliance，ULA）对外公布大型火箭火神号火箭方案。火神号火箭将采用敏感模块自主返回技术（Sensible Modular Atuonomous Return Technology,SMART）实现一子级发动机回收及重复使用。SMART技术如图3所示。

在一、二级分离后，火箭一子级发动机将脱离一子级，并在充气式热防护罩的保护下再入大气层，然后依靠降落伞减速，最后由直升机在空中回收。ULA公司表示推进系统成本占整个一子级成本的 65%，一子级发动机的回收利用将会使一子级推进系统成本降低90%。ULA公司声称SMART回收项目只是该公司火箭回收计划的一个开始，未来ULA公司还将回收其它火箭组件，以进一步降低发射成本。

1.2 垂直返回

最早采用垂直返回式回收的是 20世纪 90年代麦·道公司提出的德尔它快帆方案，计划采用垂直起降方式实现单级入轨，并重复使用（见图4）。德尔它快帆共进行了12次飞行试验，最大飞行高度3 155 m，验证了垂直起降、快速飞回和简化地面保障等技术。

2011年9月，SpaceX公司对外宣布了重复使用法尔肯-9火箭方案。重复使用法尔肯-9火箭方案包括重复使用的一子级和二子级，第一级由亚轨道垂直返回发射场，第二级在轨道分离后，也是垂直返回发射场（见图5）。为了研发重复使用法尔肯-9火箭，SpaceX公司制定了多元、渐进式发展的重复使用技术验证计划。法尔肯-9火箭一子级的回收开展了大量试验验证，并成功进行了10余次的海上平台和陆上回收，实现了两次重复使用（截至2017年8月）。

另外，美国蓝源公司也提出了一子级垂直返回回收的新格伦号系列运载火箭（见图6）。

新格伦号火箭具有两级和三级两种构型，火箭的直径约为7 m，一子级由7台BE-4液氧甲烷发动机提供17 000 kN的推力，其一子级在上升段分离后，垂直返回着陆于海上平台实施回收，与法尔肯-9火箭采用栅格翼不同，其回收过程采用气动舵面实施气动控制。

1.3 带翼飞回

带翼飞回回收的典型代表是俄罗斯提出的贝加尔号有翼助推器方案，俄罗斯针对新型运载火箭安加拉号推出了两种助推器回收方案，其中一种是贝加尔号有翼助推器方案；另一种是伞降+直升机空中回收方案。

贝加尔计划始于1998年底，贝加尔号为第一级带翼飞回式助推器，可飞回发射场以自动方式像飞机一样着陆，可重复使用100次。贝加尔号在通用芯级助推器中的某些结构部件和推进部件采用了现成技术，设计可展开式机翼以及全动式尾翼和一台辅助涡轮喷气发动机[12,13]，其外观模型如图7所示。

1.4 升力体式

1.4.1 航天飞机轨道器

全升力体式构型的典型代表是美国的航天飞机轨道器（见图8），1981年首飞，2011年退役。按设计要求每架轨道器可重复使用100次，每次最多可将29.5 t的有效载荷送入近地轨道，将14.5 t的有效载荷带回地面。轨道器可载3～7人，在轨道上停留7～30天，进行交会、对接、停靠、执行人员和货物运送、空间试验、卫星发射、检修和回收等任务。迄今为止，NASA共生产过6架航天飞机轨道器，执行任务135次。

1.4.2 云霄塔

云霄塔是英国喷气发动机有限公司联合欧洲其他研究机构正在研制的新一代单级入轨空天飞行器，其构型如图9所示。

首架云霄塔（Skylon C1）的总体设计已经完成，总起飞重量约 275 t，采用细长机身设计，机体长约85 m，翼展25 m，内置推进剂储存舱、载荷舱等，机身中段的翼尖位置对称安装2台佩刀（SABRE）发动机，具备将长12 m、直径4.6 m、重约12 t的有效载荷送入300 km轨道的能力，计划2019年开展验证飞行器的地面静态试验和飞行试验。

2 运载火箭子级回收技术分类对比分析

2.1 技术难度

对于伞降回收方式，国外已有成功回收经验，其主要难度在于降落伞和着陆缓冲装置的设计上，中国在降落伞技术和气囊着陆缓冲装置设计方面具有较好的基础，技术难度较小。对于垂直返回式回收，具有法尔肯-9运载火箭的成功先例，但其涉及到高精度控制等关键技术相对较多，对于中国当前基础来说，尚待攻关。若考虑二子级回收，无论是伞降回收还是垂直返回式回收，技术难点将集中体现在二子级的再入热防护和控制等技术上。

带翼飞回式回收的难点在于复杂气动外形总体优化设计、高速再入过程控制技术、热防护系统设计以及二次动力系统设计等，机翼往往在上升段折叠，在回收段展开，其控制技术多采用反作用控制系统（Reaction Control System，RCS）与舵面联合控制，控制系统复杂，若添加二次动力系统，整体系统复杂，技术难度相对更大。在传统火箭构型上尚未有成功应用经验。

因此，一子级或助推器伞降回收和垂直返回技术难度相对较小，而二子级再入返回技术难度较大，带翼飞回式技术难度较大。

2.2 对总体设计体系的影响

采用伞降回收方式，运载火箭子级只需要提供降落伞系统、缓冲气囊的安装布局空间。降落伞系统一般布置在级间段位置，缓冲气囊一般采用前后布局方案，可布置在级间段、箱间段、后过渡段等位置。为便于着陆，降落过程中子级姿态将由垂直姿态转换为水平姿态，降落伞需要进行转换吊挂，箭体结构需要提供吊挂点，并预埋吊线。这些对火箭总体设计的影响较小。

对于垂直返回式回收，首先需要在火箭尾部添加多个着陆支撑机构，总体设计布局方面需要提供着陆支撑机构的安装空间，上升过程中着陆支撑机构为折叠状态，返回过程展开；同时还需要增加用于返回过程的控制系统和气动舵设计，贮箱内部增加推进剂管理系统。总之，这些都是在传统火箭设计基础上的改进，对构型调整较小，对整体设计影响不大。

对于带翼飞回式回收，助推器整体构型发生了较大变化，改进设计需要综合翼面、舵面和着陆缓冲系统等，对火箭的设计、试验和加工制造体系都带来较大的影响，还需在特定的机场实施降落；若考虑采用吸气式发动机，这样就进一步增加了系统的复杂性和设计难度。

因此，伞降回收和垂直返回式回收对于运载火箭总体设计都有一定影响，但影响较小；带翼飞回式回收对总体设计影响较大。

2.3 运载能力损失

对于伞降回收方式，运载火箭子级需要增加降落伞系统、缓冲气囊系统，同时，地面着陆回收对于一子级的落区有要求，使得一子级飞行弹道不一定能够按照最优飞行弹道设计，造成一定的运载能力损失，初步分析表明伞降回收对运载能力损失一般不超过10%。

对于垂直返回式回收，运载火箭子级在分离时，贮箱中需要保留一定的推进剂，用于返回过程发动机点火减速，将造成火箭运载能力损失；对于垂直返回原场，分析表明损失幅度达到 40%以上；对于不返回原场，其损失也能达到 20%以上。此外，子级需要加装制导系统、控制系统、贮箱推进剂管理系统、着陆支撑机构等，也会对运载能力有一定影响。

对于带翼飞回式回收，结构上需要增加翼面、舵面、着陆缓冲系统，甚至增加吸气式动力系统等，还需要增加热防护系统，所增加的重量对运载能力将造成较大影响。若子级或助推采用飞回式方案，同样有返回原场与不返回原场两种形式，返回原场需要进行横向减速，运载能力损失较大；不返回原场相对损失小一些。分析表明：运载能力损失均在 30%以上，具体情况根据具体方案略有不同。

因此，各种回收都会使运载火箭的运载能力下降，采用垂直返回式回收和带翼飞回式回收，火箭运载能力下降幅度相对较大。

2.4 对主发动机的技术要求

伞降回收方式，子级在返回过程中无需再次启动发动机，只是发动机在再入与着陆过程需要具有一定的抗过载和冲击的能力，需要对发动机做适应性加强设计；垂直返回式回收，返回过程中需重启发动机2～3次，由于过载和着陆精度等约束还需主发动机具备大范围推力调节的能力；带翼飞回式回收，类似飞机滑翔降落于预定着陆场，对比异地返场，原场返回一般需重启发动机 1次，也需要一定的推力调节能力，但不需要大范围推力调节。

2.5 回收过程复杂性

对于伞降回收方式，无论是返回原场还是不返回原场，由于降落伞控制精度较低，其落区范围较大，即使采用了落点精度较好的翼伞回收，其落区范围依然较大，需要开展一定的子级降落后的搜索工作。

对于垂直返回和飞回回收方式，由于采用多种控制设计方案，可实现着陆地点的精确控制，能够很好地控制子级回收落点位置，无需开展子级降落后的搜索。

2.6 回收方式对比

综上所述，伞降回收、垂直返回以及带翼飞回式回收3种回收技术途径的对比结果如表2所示。

表2 3种回收方式对比

各种回收方式都具有自身的特点，对于选择何种回收方式，应根据自身运载火箭的技术及发展情况，以及自身的任务需求，进行最合适的选择。

3 重复使用运载火箭关键技术

3.1 重复使用运载火箭总体优化设计技术

与一次性运载火箭相比，重复使用运载火箭不仅涉及到上升段，还涉及到返回段。返回过程涉及到总体、弹道、气动、控制、载荷、防热、结构等多个专业，且各专业之间耦合强、相互约束，设计约束更新、更多，重复使用运载火箭的总体设计流程和设计方法较一次性运载火箭更复杂，需要开展上升段与返回段联合设计，以及多专业之间的联合设计。对于带控制的子级回收过程，还需要开展控制方案设计和一子级的气动辅助装置设计，涉及到更多新的设计难点。从火箭技术的发展趋势看，总体设计中还需考虑全寿命周期的系统融合设计，采用智能技术，提高火箭的智能化水平，有利于重复使用运载火箭性能提升。

3.2 子级回收技术

运载火箭的重复使用首先需要解决运载火箭发射后子级的回收问题，确保运载火箭子级的安全回收。子级回收技术也是重复使用运载火箭首先需要解决的关键技术，根据不同的子级回收方式，其具体涉及到相关子技术不同。伞降回收涉及到群伞系统及大型缓冲装置设计技术；垂直返回式回收涉及到高精度控制、着陆支撑和发动机大范围推力调节等技术；带翼飞回式回收和全升力体式涉及到外形优化设计、返回控制、着陆缓冲系统设计、防热等技术。相对于一子级的回收，二子级由于从轨道再入，其环境更为恶劣，回收过程面临防热、控制等更严峻的挑战。

3.3 重复使用设计技术

从一次性使用到重复使用，一次性运载火箭的考虑范围和设计准则已不再完全适用，需要开展相关重复使用设计技术研究，包括：发动机、结构、伺服等。可重复使用设计方案较现有一次性使用设计方案有较大不同，需要在设计初期就把操作、维护、寿命周期和成本等作为主要考虑因素，并重点对影响重复使用的因素进行分析。针对不同回收方式和工作过程环境，对关键部位采取合理的改进措施，提高其可靠性及重复使用性能，降低发射成本。

3.4 监测、维护和评估技术

由于重复使用运载火箭需要具备重复执行多次飞行任务的条件，在全寿命周期内需要进行相关重复使用箭体和关键部件的健康监测，返回期间需要对其进行严格的检测，对关键易损部件要进行维护、维修或更换。另外对其是否可以进行再次使用要进行有效的评估。因此需要对箭体回收后的检测内容、检测方法、检测流程和维修方法以及重复使用评估手段进行研究。

4 重复使用运载火箭经济性分析

重复使用运载火箭成本由研制费、制造费、发射场费用、回收费、维护维修费和其他费用构成[14,15]。研制费是从方案阶段到生产研制阶段所花费的各类研制费用的总和；制造费是指制造火箭所需要的硬件产品的费用；发射场费用主要由推进剂费用、发射前操作、发射场管理和地面技术支持等费用构成；回收费主要包括每次发射后箭体结构的回收、运输和检查等费用；维护维修费包括每次发射后火箭主要部件的维护费用、修复更换费用以及维修的人工成本等；其他费用为其他不可预测的费用。

4.1 研制费对发射成本的影响

为了考察研制费的影响，以研制一型、中型、重复使用运载火箭为例，假设制造运载火箭枚数一定（20枚），维护维修费占制造费的 20%，研制费分别是制造费的10倍、20倍和50倍，得到一子级重复使用运载火箭的平均发射成本与制造费之比C/Cm同单枚运载火箭发射次数关系如图10所示。

由图10可知，降低研制费，有利于降低重复使用运载火箭发射成本。但是随着发射次数的增加，研制费的高低对发射成本的降低影响减小，因此，若研制费用过高，则需要足够的重复使用次数来分摊研制费用。

4.2 产品数量与发射次数对发射成本的影响

为了考察产品数量和发射次数对发射成本的影响，在研制费和维护维修费一定的条件下，制造不同枚数的运载火箭，每枚运载火箭重复使用不同次数，则一子级重复使用运载火箭的平均发射成本与制造费之比 C/Cm同单枚运载火箭发射次数关系如图11所示。

由图11可知，当运载火箭制造枚数和每枚运载火箭发射次数较少，也就是发射总次数比较少时，一子级重复使用后，单枚运载火箭的发射成本仍然很高；只有批量生产和发射次数增多，一子级重复使用才能大幅降低发射成本。

4.3 维护维修费对发射成本影响

假设制造运载火箭枚数为20枚，维护维修费分别占制造费的 20%、30%、40%和 50%时，得到一子级重复使用运载火箭的平均发射成本与制造费之比C/Cm同单枚运载火箭发射次数关系如图12所示，

由图12可知，降低维修费，有利于降低重复使用运载火箭发射成本。另外，随着重复使用次数增多，其维护维修费往往会增加，导致后续发射成本增加，如图13所示（重复使用次数每增加一次，维护维修费增加 1%），因此，需要优化设计重复使用次数。未来随着技术的进一步成熟，特别是智能技术的应用，维护维修费有望不断降低。

综上所述，重复使用可以降低运载火箭的发射成本，但其对成本的降低需要满足相关的条件。

5 未来重复使用运载火箭技术发展展望

重复使用是运载火箭的必然发展趋势，通过对重复使用运载火箭技术的深入分析，结合中国发展情况，同时参考国外发展态势，中国还将继续深入开展运载火箭子级回收和重复使用设计等各项技术研究，并适时开展飞行演示验证，全面突破相关关键技术，并向在研和在役运载火箭型号推广应用，如 CZ-7、CZ-8运载火箭等型号在后续发展中可考虑子级的回收和重复使用，包括解决内陆发射场的运载火箭子级落区安全控制问题。

另外，升力体式也是重复使用运载技术的重要发展方向，对于升力体重复使用运载器，通过对国内外发展情况的分析，结合中国重复使用运载器的技术研究现状及技术基础，提出中国发展升力体式重复使用运载器“三步走”的技术发展思路。第一步：火箭动力部分重复使用实现工程应用；第二步：火箭动力的两级入轨重复使用实现工程应用；第三步：水平起降组合动力重复使用运载器实现工程应用。

火箭动力方面：首先可以选择现有液氧/煤油或液氢/液氧动力实现飞行试验和形成初步的重复使用天地往返能力，同时大力发展液氧/甲烷动力，实现技术及经济性择优的火箭动力选择，完善重复使用运载火箭型谱；组合动力方面：同时开展关键技术攻关和集成演示验证；智能技术应用方面：开展智慧型重复使用火箭的技术攻关，并加强智能技术在重复使用运载火箭的研制、试验、制造、维护、评估中的应用，进一步降低成本和提高可靠性。

在形成天地往返重复使用运输能力的同时，结合在轨加注开展轨道间的重复使用运载器的研究，形成天地往返+轨道间重复使用运输的格局。

随着进出空间需求的不断增加，天地往返将变得越来越频繁和廉价，组合动力单级入轨或天梯等新型运输方式也将变成现实。

6 结 论

重复使用是运载火箭发展的必然途径，备受国际航天界重视，中国还需大力发展重复使用运载火箭技术。

子级回收是实现重复使用首先需要解决的关键技术，子级回收的各类方式有其基本适应性，需要因地制宜，结合国情和自身情况，选择适当的方式。

开展重复使用运载火箭的研制，需要平衡好可靠性与低成本之间的关系，重复使用运载火箭的批产数量、重复使用次数和维护维修费等都将严重影响发射成本。

重复使用未来将走向天地往返+重复使用空间运输，支撑中国空间资产的维护、空间资源的开发和大规模深空探测等任务。

本文特献给中国运载火箭技术研究院建院60周年纪念

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Progress and Prospect of Reusable Launch Vehicle Technology

Lu Yu1, Wang Xiao-wei2, Gao Chao-hui2, Shen Lin2, Zhuang Fang-fang2
(1. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076;2. R&D Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, 100076, Beijing)

The development status of reusable launch vehicle technology is described firstly from parachute-landing,vertical-landing, winged-landing and lift-body types. And different types of launch vehicle recovery technology are compared with each other from several aspects, including technology difficulty, impact of design system, loss of performance, requirement of main engine and accuracy of landing. The four main key technologies are analyzed, and the launch cost analysis is conducted. In the end, the future development roadmap of reusable launch vehicle technology is concluded. The reusable is a promising technology of launch vehicle, and will be developed continuously in China. The reusable technology may become reusable access space system + reusable orbit transportation system.

Launch vehicle; Reusable; Substage recovery

V475.1

A

1004-7182(2017)05-0001-07

10.7654/j.issn.1004-7182.20170501

2017-09-15

鲁 宇（1958-），男，研究员，现任中国运载火箭技术研究院科技委主任，主要研究方向为运载火箭总体设计