新型运载火箭技术发展及思考

刘秉 魏威 陈海鹏

(1 北京宇航系统工程研究所 2 中国运载火箭技术研究院研究发展中心)

运载火箭的能力有多大，一个国家航天发展的舞台就有多大。近年来，在载人航天、月球探测、行星探测等国家重大工程牵引下，新一代运载火箭、上面级等陆续首飞和投入应用，我国运载火箭综合性能显著提升，有力支撑我国迈入航天强国行列。但是，对标国际先进水平，我国运载火箭在技术水平、商业化综合竞争力等方面仍存在差距与不足。本文通过对新型运载火箭特征进行研究，提出我国新型运载火箭的主要技术发展路线及实施建议，以实现我国未来新型运载火箭的高质量、高效率和高效益发展。

1 全球运载火箭发展现状

全球科技发展日新月异，航天领域的新技术应用也层出不穷。对世界航天领域的发展动态进行分析，能够准确判断全球运载火箭的发展现状。

1）火箭发射次数明显增加。根据公开报道统计，2010-2020 年，全球运载火箭发射次数明显上升。对2011-2015 年、2016-2020 年（ 截 至2020 年9 月10 日）世界各国发射次数分别进行统计分析，从世界各国发射次数对比看，我国2016-2020 年共完成138 次发射，较前5 年增长近一倍，位居全球前列。

不同国家发射次数对比

2）火箭市场融资规模持续扩大。国际商业火箭市场持续火热，随着多型火箭成功投入商用，融资规模不断扩大。例如，太空探索技术公司（SpaceX）创立于2002 年，2008 年其猎鹰-1（Falcon-1）火箭首次成功，这期间主要依靠马斯克个人投资；2008 年至今，随着后续型号不断成功，SpaceX 发展进入快车道，政府也在政策、技术、经济上给予支持；随着火箭成功率持续增加，资本的注入也给公司注入活力[1]。

3）火箭发射成功率有所下降。对2011-2015 年、2016-2020 年全球运载火箭发射数量和成功率进行了分析，相比2011-2015 年，2016-2020 年（截至2020 年9 月10 日）全球发射次数增长的同时，失败次数也有所增加；全球发射成功率降低近1 个百分点；主要原因是部分新火箭投入使用，技术不成熟致使飞行失利相对偏多。

全球运载火箭发射数量和成功率

4）火箭多星发射任务逐步增多。随着小型卫星技术及互联网星座计划的蓬勃发展，多星发射任务逐渐增多。我国运载火箭“一箭多星”发射记录为长征六号运载火箭首飞任务，一次将20 颗卫星送入轨道。SpaceX 公司猎鹰-9（Falcon-9）运载火箭已成功完成15 批895 颗“星链”（Starlink）卫星组网发射（截至2020 年10 月24 日），一次可将约60 颗互联网卫星送入太空。

5）火箭重复使用能力提升。当前SpaceX 公司的猎鹰-9 火箭和“猎鹰重型”（Falcon Heavy）火箭具有实用化的子级重复使用能力。从回收模块种类看，猎鹰- 9 火箭已实现一级和整流罩2 种模块产品的回收，并已成功完成61 次一级回收。从回收后再次实现飞行的次数看，目前猎鹰- 9 火箭一级重复使用飞行次数为6 次（截至2020 年10 月18日），不久有望达到10 次。从回收后再次发射的时间间隔看，目前一级回收后再次发射的最短时间为51 天[2]。

猎鹰-9 火箭一级回收

对近年航天领域发展变化数据的分析可以看出，全球运载火箭领域现状呈现如下特点：①运载火箭发射次数显著增加，发射市场持续繁荣；②商业运载火箭公司逐步发展壮大，市场竞争更加激烈；③重复使用运载火箭投入应用，创新发展占得先机。

2 新型运载火箭的特征分析

本文从多种角度对新型运载火箭的特征分析如下：

1）新技术应用。随着设计、制造与发射应用方面大量新技术涌现，运载火箭以实现快速设计、批量制造、低成本、高可靠、易使用、高安全为产品特征。例如，美国电子号火箭的“卢瑟福”发动机(Rutherford engines)依靠无刷直流电机和高性能锂聚合物电池来驱动推进剂泵，省去了大量复杂的推进剂管路与阀门、燃气发生器等装置，降低了复杂度，提高了可靠性，降低了制造成本。美国相对论公司（Relativity Space）计划使用世界最大的3D 打印系统，即“星际门”（Stargate）金属3D 打印系统快速制造火箭中至少95%的零件。同时，火箭采用无人值守测试发射、智能飞行控制等新技术，火箭测发控制和飞行更可靠、更安全。具备重复使用能力，执行发射任务更经济。

电子号火箭的“卢瑟福”发动机

相对论公司的大型3D 打印机和3D 打印的缩比贮箱样机

2）市场竞争力。运载能力指标不再是火箭市场竞争力的唯一指标。在海量卫星星座部署等新需求催生下，运载火箭进化形成以产业化、低成本生产为代表的新能力，进一步向更经济、更灵活、更便捷发展。新型运载火箭的竞争力体现在综合指标方面，包括可靠性、经济性、快速履约能力、安全性等。火箭的用户体验也尤为重要，需能为用户提供进入空间的整体解决方案，让飞天旅途更加高效。具体包括：有效载荷力热环境条件好、接口适应性强、可灵活搭配不同有效载荷，多样化专车、拼车搭载服务等。

基于模型的系统工程（MBSE）方法

3）系统工程。传统的系统工程需要在前期设计中暴露尽可能多的风险，以降低错误成本。这使得很多大型项目在前期设计上大量地耗费时间和精力，无法快速进入工程实践。新型运载火箭在研制流程上，需要针对顶层需求提前进行迭代，加快迭代速度。通过采用基于模型的系统工程（MBSE）方法，完成顶层需求分解与指标的闭环验证，形成科学的管理模式，面向技术、面向产品、面向过程、面向管理，从设计-生产-操作等不同维度化解风险。

4）设计生产。运载火箭设计试验方面逐步实现数字化，充分发挥仿真试验在研制过程中的预示作用；生产方面推进“智慧工厂”建设，优化总装、测试流程，构建流水化“脉动式”生产线，提升火箭生产效率。

5）高性能动力。运载火箭发动机的推力、大面积比可延伸喷管、深度节流、高能/无毒推进剂等技术或指标方面获得突破，发动机的比冲、推质比等关键指标技术水平实现升级，火箭运载效率、使用维护性能、智能化水平和上面级轨道转移效率等顶层指标大幅提升。

综上，新型运载火箭的特征具体体现在以下几个方面：①重复使用是新型运载火箭的显著特征；②快捷生产制造提升新型运载火箭的市场竞争力；③智慧化是新型运载火箭的发展方向；④高性能动力为新型运载火箭提供有力支撑。

航天分布式协同生产制造

3 我国新型运载火箭发展的技术路线

依照新型运载火箭的总体特征，我国新型运载火箭可按如下技术路线发展：

1）重复使用技术路线。子级模块或重要部段采用重复使用技术是提升火箭市场竞争力的有力手段。我国运载火箭将根据重复使用运载火箭技术特点，按照逐步验证、重点突破的发展策略，通过演示验证飞行，突破落回GNC 技术、主发动机多次点火启动技术、主发动机推力调节技术、落回着陆机构技术、栅格舵控制技术等多项关键技术，最终实现运载火箭的低成本重复使用。

2）智慧化技术路线。人工智能的迅速发展已经深刻改变世界，在图像识别、自动驾驶、工业控制、医疗健康等领域均已有成熟应用。推动航天技术与人工智能深度融合，围绕设计与验证、生产与制造、测试与发射、飞行与评估4 个顶层需求能够推进运载火箭智慧化发展；重点针对智能飞行与评估，通过顶层故障适应性设计，实现故障检测、隔离和处置，最大程度消除和降低单个产品失效对飞行任务的影响，实现飞行故障情况下的正常入轨或者进入救援轨道，确保由基于偏差设计向基于故障设计的研制模式跨越。

3）快捷生产制造技术路线。加强运载火箭生产制造过程中的单元化、自动化、数字化、信息化建设，打造多类型优化组合的航天产品生产线，提升组批能力；通过建设分布式协同生产模式，构建全三维数字化制造能力以及新材料的加工能力，实现敏捷制造、精益生产；同时建立总装脉动生产线，从设计信息、装配指令、物流管理等方面实现无纸化管理，物流系统实现大批量、多站位、高联动。

4）高性能动力技术路线。发展高性能动力技术，未来运载火箭发动机应具备深度节流和故障自我诊断功能，以适应多种工况的需求；发动机需具备多次启动能力，为可重复使用火箭奠定基础。目前，大推力发动机、大面积比可延伸喷管、深度节流、高能/无毒推进剂等先进技术已经取得突破，发动机的比冲、推质比等关键指标技术水平的升级，将大幅提升我国运载火箭的任务能力。

4 我国新型运载火箭发展的实施建议

为研制世界一流运载火箭，支撑我国航天强国建设。我国新型运载火箭具体需在型号产品、专业技术、研制手段、组织管理等方面实现升级与突破。

型号产品

运载火箭应重点从“能力强、效益高、领域广”三个方向推进发展，逐步实现由陆基发射，向空基发射及天基组装发射等方式转变，并由一次性使用，向部分重复及天地往返可重复使用发展。

1）能力强。开展并完成新一代载人火箭研制，以发射载人飞船和月面着陆器进行载人登月关键技术的先期验证；推动重型运载火箭立项研制，支撑月球空间站、月球基地建设、火星采样及各种深空探测任务实施。

2）效益高。针对星座组网和卫星发射，基于“模块化、组合化、系列化”的理念，构建能力梯度合理、研产布局优化、适于大规模制造与发射的新一代中型运载火箭系列，通过版本演进，在满足型号发射任务的同时，开展新技术验证和应用，推动技术的更新换代，真正具备国际市场竞争力。

3）领域广。推进运载火箭快速响应发射技术体系建设，全面实现快速响应固体火箭的工程化应用，兼顾不同用户的发射需求；开展运载火箭海上发射技术研究，在海上按照“小步快跑、先固后液、先小后大”的思路，完成海上发射体系建设；由于空射运载火箭具有发射窗口灵活、射向选择范围宽、残骸落区限制小等优势，可执行快速机动等多种任务，应开展运载火箭空中发射技术研究，形成运载火箭的空射能力。

专业技术

专业技术是新型运载火箭发展的内核根本，支撑实现运载火箭朝着“更智能、更安全、更便捷、更高效、更经济”的方向发展。

1）更智能。采用智能飞行与评估技术，实现箭上在线弹道规划，故障发生时根据任务评估结果，对于仍能完成的任务可在线生成新的优化弹道；采用故障诊断和在线控制重构技术，在系统发生故障后，能够根据故障诊断结果、风险评估结果和当前飞行状态，实现控制参数在线重构和在线控制力动态分配。

2）更安全。采用落区控制技术，实现残骸落点的精确控制，大幅提升落区安全性；实施连接器自动对接等技术，实现加注和泄出无人值守，大幅提升测发安全性；用智能机器人技术在危险操作和环境恶劣岗位替代人工操作。

3）更便捷。采用状态参数远程监控等技术，利用实时信息传输，实现远程发射支持；利用高码率天基测控等技术，取消测量船，降低任务保障成本；采用电气一体化设计，基于网络化综合技术，强化箭上能源管理，箭地一体化测控，通过箭上设备自主测试实现地面测发的一键操作；应用先进无线技术，广泛使用无线传感网络、无线供电、无线测试，实现箭地、箭上测量无缆化，简化操作。

4）更高效。采用载荷精细化设计等技术，提升设计水平，释放设计余量，进一步提升运载效率；应用高强合金和复合材料技术，实现结构的轻质化设计；发展高性能动力技术，提高发动机的比冲和推质比，发动机具备深度节流和故障自我诊断功能，适应多种工况的需求；采用集成流体系统技术（IVF），降低结构重量，延长在轨时间，缩短测试周期，提升上面级使用性能。

5）更经济。采用增材制造、冲压一次成型等技术，降低产品的制造难度，实现产品化生产，降低运载火箭的生产成本；实施综合电子技术，从功能上进行优化和融合，减少设备数量和重量，降低运载火箭的产品成本；应用可重复使用技术，实现核心关键器件的重复使用，降低运载火箭使用成本。

冲压一次成型火箭贮箱结构件

研制手段

以科技创新为驱动力，统筹产品全过程、全寿命期服务保障，建设高效、智能、协调、集约的运载火箭研制体系，提升研制工作的效益、效率和效能。

组织管理

以卓越管理为核心，推动卓越绩效模式向产品管理体系和技术管理体系延伸，形成产品、技术、管理三大创新体系。质量是工作的底线，以岗位设计规范化和产品质量数据信息化为目标，建立一体化质量管理体系，推进研制生产流程精细化再造。

5 结束语

“探索浩瀚宇宙、发展航天事业、建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦。”通过不懈奋斗，我国一定能够建设能力更大、覆盖更全、方式更多样的世界一流运载火箭，满足近地轨道自由进出，月球、火星等天体的载人探测和更远的星际探索任务需求。新型运载火箭的发展必将支撑我国进入世界航天强国行列，在人类历史的长河中熠熠生辉！