下一代航天发射系统体系架构研究

同 江，刘 阳，刘 鹰，杨 强

（北京跟踪与通信技术研究所，北京，100094）

0 引 言

随着中国战略利益向空间的不断拓展，航天技术发展和产品研发速度明显加快。特别是进入“十三五”以来，随着“探月三期”、“全球卫星导航”等重大专项工程的全面展开实施，高密度发射问题日益突出。2018 年，中国共完成39 次航天发射任务（其中，西昌发射场 17 次，酒泉发射场16 次，太原发射场6 次），成功 38 次，失利1 次，虽然总发射数量占全球航天发射总数的34.21%，首次超越美国和俄罗斯，排名世界第一，但是与美国、俄罗斯等航天强国的航天发射系统之间还存在较大差距，如火箭在发射场的测发周期较长，流程优化程度不够高；地面设备通用化程度低；发射场发射区设施不够简化，前端操作人员多；发射经济性较差等。

目前，中国正处于新老火箭更新替代的关键时刻，亟需构建中国下一代航天发射系统体系架构，规划指导下一代航天发射系统的建设，进而更好地满足新时期航天发射任务的需求。

1 国外先进航天发射系统发展现状

航天发射场作为航天工程的重要组成部分，其建设深受世界各航天大国重视。到目前为止，世界各航天大国相继建成了各具特色的航天发射场，专供发射各种卫星、空间站、载人飞船及航天飞机等使用。随着各种高性能、多用途、大推力的运载火箭和各类商用与太空开发航天器的出现和广泛应用，各具特色的新型航天发射场系统开始出现。目前世界上主要航天发射场有15 个，除中国外，其他主要分布在美国、俄罗斯、法国、日本、印度等[1]。

1.1 美 国

美国主要的航天发射中心有3 个：卡纳维拉尔角空军基地、肯尼迪航天中心和范登堡空军基地。

卡纳维拉尔角空军基地：主要执行轨道倾角小于60°的近地轨道（Low Earth Orbit，LEO）和地球同步转移轨道（Geostationary Transfer Orbit，GTO）卫星发射任务。到目前为止，有4 个发射工位在用，其中：17 号工位用于发射德尔塔2 号；改造后的37 号和41号工位用于发射德尔塔4 号和宇宙神5 号，采用三垂测发模式，其中37 号工位年发射能力约15～18 发，41 号工位年发射能力约10～12 发；40 号工位用于发射猎鹰9 号火箭，采用三平测发模式；46 号工位将被佛罗里达州当局保留作为未来航天发射场。

肯尼迪航天中心：目前中心只有39A 发射工位正在使用，由NASA 租给SpaceX 公司进行猎鹰9 号和猎鹰重型火箭的发射任务，采用三平测发模式和远距离测发控方式。此外，肯尼迪航天中心现在还在进行39B 发射工位的重建工作，39B 未来将会用于执行NASA 的太空发射系统SLS 重型火箭的发射任务，采用三垂测发模式。

范登堡空军基地：主要发射倾角在66～145°的各种军用和极轨道卫星。目前，该发射场可满足德尔塔2 号、德尔塔4 号、宇宙神5 号、猎鹰9 号和猎鹰9

重型运载火箭的测试发射需求，具备太阳同步轨道（Sun-synchronous Orbit，SSO）和LEO 轨道卫星的发射能力，年发射能力约15～18 发。

1.2 俄罗斯

俄罗斯在用的航天发射场主要有3 个：拜科努尔航天发射场、东方航天发射场和普列谢茨克发射场，运载火箭均采用三平测发模式。

拜科努尔航天发射场：主要发射倾角在52～65°的各种不同用途的卫星、载人和不载人飞船、星际探测器和空间站。目前，该发射场可满足联盟号、质子号和天顶号火箭的测试发射需求。

东方航天发射场：该发射场是在已经关闭的斯沃博德内航天发射场的基础上改造建设而成的现代化航天发射中心。目前该发射场已经具备联盟2 运载火箭发射能力，用于承担现阶段及未来空间通信、遥感、地球基础科学飞行器的发射任务。2025 年左右具备安加拉火箭和新一代载人及载货运载火箭发射能力；2030 年左右具备一子级可重复使用运载器系统和超重型火箭发射能力[2]。

普列谢茨克发射场：该发射场拥有可发射所有小型及中型运载火箭的阵地设施和发射系统，可发射联盟号、闪电号、天顶号、宇宙神、安加拉等系列运载火箭，主要用于发射具有大倾角的极轨卫星。

1.3 欧 洲

圭亚那航天中心具备联盟-STA/STB 号、阿里安系列、织女星号等运载火箭的测试发射能力，液体火箭以采用三平测发模式为主，LEO 最大运载能力21 t，GTO 最大运载能力12 t[3]，主要用于执行科学卫星、应用卫星和探空火箭的发射任务。

1.4 发展特点及趋势

国外先进航天发射系统具有以下几个特点：积极推进运载火箭型谱化、系列化、通用化发展；开展发射场系统新建改造，不断增强测试发射能力；注重发展改进测发流程，不断提高测试发射效率；研究应用先进技术，提高测试发射安全可靠性；加强生态环境保护与安全防护，不断推动可持续发展。

发展趋势：系统发展以满足军事航天和国家重大专项需求为主体牵引；发射方式以多样化空间进入能力为发展方向；测发模式向整体测试运输和远距离测发控发展；发射组织指挥以扁平化和一体化为发展方向；测试发射技术以智能化和信息化为发展方向；系统建设以集约化和生态化为发展方向。

2 中国航天发射系统发展历程及主要差距

2.1 中国航天发射系统发展历程

经过半个多世纪的发展，中国现已建成了符合中国国情、布局相对合理、设施基本完善、功能比较齐全的酒泉、太原、西昌、文昌4 个大型航天发射场，航天测试发射技术也取得了较好的发展，基本满足了当前军用、民用系列卫星和载人航天等发射任务需要。除去初期的导弹试验阶段，中国航天发射系统主要经历了2 个阶段：

第1 阶段：20 世纪70 年代初～90 年代末。先后组建酒泉、太原、西昌发射场，具备CZ-2/C/D/E、CZ-3A系列、CZ-4B 火箭发射能力，近地轨道和中高轨道发射能力逐渐增强。采用两平两垂测发模式和近距离测发控方式。

第2 阶段：20 世纪90 年代末～至今。先后建成酒泉载人航天发射工位、海南文昌航天发射场等，4 个发射场的新型战略格局初步形成，近地轨道和中高轨道航天发射体系显著增强；三垂测发模式及远距离测发控方式得到推广运用，三平测发模式也在小型运载火箭发射中开展了初步应用，年综合发射能力达到30 发以上。实现了CZ-6、CZ-11、CZ-5、CZ-7 等新一代运载火箭的成功首飞。

2.2 主要差距与不足

对标美国、俄罗斯、欧洲等世界一流航天发射系统，中国目前航天发射系统主要存在以下不足，突出体现在：发射信息化、自动化程度较低；测发模式与流程有待进一步优化；测发理论与技术创新程度不够；地面测发控设备布局分散，型号间不统型；工位设施庞大繁杂，前端人员多、射前工作多；加注时间长，箭地自动对接脱落、牵制释放尚未实现；超大流量低温贮运、加注还待突破，地面设施设备综合保障能力较弱，基于信息化手段的全生命运维管理还需加强。

3 下一代航天发射系统体系架构研究

下一代航天发射系统，以实现世界一流先进航天发射系统为顶层目标，准确把握继承发展与创新发展的关系，体现先进技术的发展方向，实现整个系统完整性和开放性的合理统一，以系统建设体系化、设施设备标准化、测试发射智能化、技术保障集约化和人机环境友好化为途径[5]，加快实现测试发射高效安全、技术体系先进科学、使用成本低廉合理为目标，显著提升中国进入空间的能力。

3.1 需求分析

a）从任务需求牵引向能力需求牵引转换。

以往中国航天发射任务大都是科研试验任务，发射场系统作为工程总体5 大系统之一，主要为配合火箭系统、卫星系统完成在发射场测试发射工作提供测发、测控、通信、勤务保障等条件。发射场系统的建设基本都是以任务和型号为牵引，地面测发控和发射支持设备都有着明显的型号背景，互相之间不通用，保障难度大。下一代航天发射系统规划建设要从能力需求出发，统筹规划，合理布局，地面设施设备、地面测发控和发射支持设备等都要去任务化，实现真正意义上的通用化、智能化和一体化。

b）从功能上满足向技术上先进转换。

经过半个多世纪的发展，航天发射系统取得了长足进步，但是大多仍停留在满足任务要求的及格线上，先进技术的应用还比较慢，再加上受卫星和运载自身条件的限制，对发射场系统提出了较为苛刻的要求，更加制约了航天发射系统自身的发展。下一代航天发射系统建设要加快推进新型测发模式与流程、智能测发控、运载火箭发射场长储、大型发射台与牵制释放、箭地自动对接脱落、箭地一体化测试发射、超大流量低温加注和制备、射前无人值守等关键技术研究与应用，不断提升航天发射系统的技术先进性，紧跟世界一流航天发射系统步伐。

c）从各系统独立设计向星、箭、发射场一体化设计转换。

先进的航天发射系统，仅仅依靠发射场系统自身的发展是远远不够的，因为卫星、运载火箭和发射场系统是一个有机的整体，互相之间均有接口，技术要求上互相制约，因此要联合卫星、运载火箭一起协调发展，充分开展星箭地，尤其是箭地一体化设计，相互促进，相互提高，从而达到一个新的高度。

3.2 发射体系

综合近年有关研究，2030 年前及更长远一段时期中国航天发射体系将由常态发射、快速发射和重复使用发射3 部分组成[4]。

3.3 技术体系

发射场总体技术能力方面：具备多任务并行分析规划技术、基于VR 和AR 的测发流程仿真推演与优化技术、综合安全设计与分析评估技术；箭地一体化发射总体技术；星地、箭地机械接口、电气接口、信息接口和人机接口的标准化技术；人工智能技术得到逐步应用；实现火箭推进剂加注开始无人值守技术等。

测发控技术能力方面：箭地接口更加优化、规范，测发控系统设计更加先进，通用化程度不断提高，智能操作初步实现，测试发射效率得到很大提高；大数据、云计算等先进信息技术得到初步应用；具备火箭自动检测，故障快速诊断、可靠隔离和状态自主健康管理的能力。

发射支持技术能力方面：实现重、大、中型运载整体组装和转运，运输平台实现高可靠、自保障和耐使用；大吨位牵制释放技术取得突破性进展；实现连接器自动对接零秒脱落、超大流量超低温多推进剂快速并行加注、大流量导流喷水冷却降噪技术等。

3.4 设施设备体系

打破传统按照技术区、发射区划分的方式，突出设备、系统在设施设备体系中的位置，弱化厂房、设施在设施设备体系中的比重。融合迅捷的发射指控，统型智能的测试发控、无人化规范化的发射支持、物联化全寿命的运维保障。

3.5 运用方式

由以场区为基础的计划型、分散运用向以能力为基础的快响型、联合运用转变；由以设备设施功能保障为主导向以智能化、精细化、标准化服务保障为主导转变；实现航天发射能力的全维发展、平台的全域覆盖、效能的全谱增强、任务的全向支持；新老火箭发射能力更新替代基本完成；具备按需发射、确保进入能力。

测发模式进一步丰富优化，短距新“三垂”、“三平”测发模式在重型和大中型火箭成功应用；大中型火箭测发周期缩短至15 天以内。

以接口规范简化、发射无人值守为突出特点的新型发射能力广泛应用；操作无人化、测试智能化、保障通用化广泛应用，基本实现一个工位、一套系统。

发射区实现无塔或简易塔发射，连接器自动对接（零秒）脱落、超大流量加注、大流量高压实时供气和高效率氦气回收提纯等。

3.6 发展模式

按照统战略规划、统组织管理、统标准体系、统运行机制，融合需求、融合资源、融合技术、融合人才的总体思路，推进航天发射军民融合示范工程。

转变单一依靠工程任务、火箭型号牵引发射系统发展的被动模式，以先进测试、先进发射和集约规范、高效保障为关键支撑，引导运载火箭包括商业火箭的研制发展。

4 结束语

目前，中国航天事业正处在赶超国外航天强国的重大战略机遇期，又面临着新老运载火箭更新替代的重要发展阶段，本文重点从需求分析、发射体系、技术体系、设施设备体系、运用方式和发展模式6 个方面，针对中国下一代航天发射系统的体系架构开展了研究，成果将对目前正在开展的新一代中型运载火箭发射配套设施设备建设和下一步开展的新一代载人运载火箭和重型运载火箭工程发射场系统总体论证具有重要意义。