国外运载火箭发展趋势分析及启示

◎北京宇航系统工程研究所 陈海鹏 罗恒 中国运载火箭技术研究院 刘嬿 龙威 范瑞祥

国外运载火箭发展趋势分析及启示

◎北京宇航系统工程研究所 陈海鹏 罗恒 中国运载火箭技术研究院 刘嬿 龙威 范瑞祥

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，更是开展空间活动的前提。运载技术在航天技术领域始终处于基础地位，世界航天大国都非常重视运载技术的发展。

近年来，我国在现役长征系列运载火箭的基础上，正在开展新一代运载火箭研制以及载人登月重型火箭的论证工作。但同时应该清醒地认识到，进入21世纪以来，世界各国在发展运载技术的进程中不断根据需求牵引和技术推动调整发展战略与规划，表现出新的趋势和特点。笔者针对国外运载火箭最新发展动态及趋势，分析了我国运载火箭发展现状和差距，并提出未来发展方向。

一、国外最新发展动态及趋势

1．在更新换代的基础上不断出新

世界航天大国虽然已完成运载火箭的更新换代，但仍持续改进并不断提出新的发展方向。美国SpaceX公司在Falcon 9火箭的基础上于2013年成功完成了Falcon 9 v1.1火箭研制工作，并通过Grasshopper垂直起降验证机的连续试验探索可复用技术；同时，在商业航天领域由轨道ATK公司研制的Antares火箭成功发射。在重型火箭方面，美国虽然中止了星座计划，但是随之提出的空间发射系统（SLS）计划表明其坚持重型火箭发展方向的决心。2014年8月，SLS重型火箭整体顺利通过关键决策点C评审，标志着SLS重型火箭从初步设计和技术完善阶段进入详细设计与制造阶段。2015年，联合发射联盟公司（ULA）发布下一代运载火箭Vulcan的发展规划，更是表明其不断发展运载火箭技术的决心。

欧洲利用Ariane 5、Soyuz ST、Vega火箭形成了完善的大、中、小型火箭型谱，并在此基础上着眼未来提出发展Ariane 6下一代运载火箭；日本持续改进H-2A、H-2B火箭，并于2013年提出研制H-3火箭，该火箭将增加捆绑助推器，简化H-2火箭氢氧发动机的管路和泵，在提高发动机可靠性的同时降低火箭的制造成本。

2．大幅提高快速响应和适应能力

以美国的Falcon 9、欧洲的Vega、日本的Epsilon为代表的快速响应火箭成为新的发展趋势，这些火箭研制的主要目的是能够便捷、快速、廉价地发射政府和商业卫星。

Vega火箭2012年2月首飞成功；Falcon 9火箭2012年5月成功发射Dragon飞船；日本在2013年9月14日成功发射了首枚Epsilon三级固体火箭，该火箭近地轨道运载能力1.2吨，发射成本约3900万美元，并采用高度智能化的自动检测系统和移动发射技术，从第一级起竖到完成发射的周期为6天；俄罗斯Soyuz 2-1v火箭2013年12月首飞成功，该火箭起飞质量为157～160吨，整流罩直径3米，将主要用于小型卫星的发射任务。

3．商业运营模式获得成功

国际卫星发射市场竞争日趋白热化，国外航天公司都把降低发射成本作为发展重点，通过低成本和低价格吸引客户。2013年12月4日，SpaceX公司利用改进型Falcon 9 v1.1火箭发射SES-8卫星，这是Falcon 9火箭首次执行地球静止轨道任务，也是SpaceX首次执行真正意义的国际商业发射。

Falcon 9火箭采取了一系列低成本控制措施，如电气系统采用商用设备降低火箭成本；采用CAD与CAM一体化，实现柔性制造，大大减少工装数量；在设计上尽量使用相同的材料、结构、工具、技术工艺，通过实现组批生产控制成本；发动机燃气发生器采用原理简单的开式循环模式，易于制造加工；一二级发动机组批生产，火箭两级采用相同的推进剂，易于降低成本和流水线操作。

4．重型火箭仍是重要选择

2010年星座计划中止后，美国并没有停止载人深空探测的步伐。2013年7月，SLS重型火箭完成初步设计评审，与此同时，70吨、105吨和130吨构型火箭的分系统研制与试验也在稳步推进：2015年1月9日，SLS重型火箭所使用的RS-25发动机在斯坦尼斯航天中心完成500秒的点火试验；固体助推器于2015年3月11日在轨道ATK公司的试验场内成功进行点火试验。

从美国重型火箭的发展现状可以看出，为满足载人登月和未来深空探测任务需求，近地轨道运载能力在100吨级以上的重型火箭是各国发展的共同目标。

5．可复用技术是发展目标

航天飞机退役之后，各国对可复用运载器的追求仍在进行中。Falcon 9火箭第一级利用海上平台进行回收试验，但由于各种因素限制，多次尝试后尚未取得成功；X-37B可复用轨道试验飞行器已完成了多次飞行试验；欧洲Ariane 5火箭固体助推器回收方案已实施，正在开展可复用运载器（RLV）方案论证，在其备选方案中已经将单级入轨和利用吸气式推进系统的方案排除在外，重点发展以火箭发动机为动力的两级入轨方案。

各国在发展可复用运载器过程中非常重视飞行试验验证，通过飞行试验验证总体方案的可行性和关键技术积累设计数据，针对暴露出的问题进一步完善设计，以降低技术和投资风险。

6．上面级功能转变

随着空间技术的发展，在轨服务越来越受到各航天大国的重视。美国的轨道快车计划、欧洲的赫尔默斯计划、日本的ETSVII飞行演示验证项目等已取得较大的进展。上面级具有多次启动、长时间在轨、自主飞行等技术特征，以此为基础发展轨道转移飞行器，可具备轨道机动、离轨、再入等功能，其任务模式更加机动、灵活，不仅可机动部署卫星，还能提供在轨服务和维修。美国空军提出部署轨道转移飞行器的主要作用是通过对美国空间资源进行在轨服务，显著提高空间资源的灵活性和作战能力。可以说，未来轨道转移飞行器的发展已由实现单纯的轨道运输转向轨道服务。

二、差距分析及发展建议

经过50多年的努力，我国运载火箭取得了骄人的成绩，但与世界先进水平相比，笔者分析总结了以下几个方面的差距，并提出发展建议。

1．进一步提升火箭运载能力

近20年来，国际运载火箭发展迅猛，基本实现了运载能力升级和型谱完善，但我国火箭运载能力与国际主流水平尚存在一定差距。

一是需要进一步提升大、中型火箭运载能力。目前，国际运载火箭近地轨道运载能力达20吨级，地球静止轨道运载能力达10吨级；我国现役火箭近地轨道运载能力最大8.6吨，地球静止轨道运载能力最大5.5吨，与国际主流水平存在较大差距。

二是需要规划具备执行载人登月等大型任务的能力。美、俄纷纷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；日本、印度等国家以无人和载人深空探测为目标大力发展航天技术。

“临难抱佛脚”也好，常年烧香拜供也罢，神灵救不了贪官，菩萨更不会为他显灵，这是毫无疑问的——刘志军刘部长办公室里，天天供着一块辟邪避险的偌大“靠山石”，结果怎么样呢？！

2．进一步完善运载能力布局

近年来，CZ-5、CZ-6、CZ-7等新一代运载火箭的立项研制拉开了我国运载火箭能力升级和型谱完善的序幕，但对标国际以及后续任务需求，当前的运载能力布局仍存在一定差距。

一是需要进一步提高太阳同步轨道发射能力。

二是需要进一步提高地球静止轨道发射能力。CZ-3B火箭的运载能力达到5.5吨，虽然CZ-5火箭的运载能力可达14吨，但考虑未来国际商业发射服务6吨左右载荷不断增多，新研火箭的运载能力无法覆盖5.5～7吨任务需求，将对长征系列火箭国际竞争能力造成一定影响。

3．完善快速机动发射能力的规划与布局

各航天大国以有效提升快速进入空间能力为目标，发展多构型、多方式的运载火箭，实现快速机动发射，我国在这一方面尚有所欠缺。

一是需要进一步形成完善的快速进入空间的火箭型谱。国际上已有多种快速机动发射的火箭，发射方式涵盖地基简易塔架发射、公路机动发射、空中发射等多种方式；动力系统涵盖固体、液体或者固液混合等多种组合。我国非常重视快速进入空间火箭的研制，为进一步完善快速进入空间火箭型谱,笔者建议加大空中发射火箭关键技术攻关和演示验证力度,为后续立项研制奠定基础。

二是缩短液体火箭测试发射准备时间，提高测试发射水平。笔者建议进一步研究远程测试发射、快速测试发射等专项技术，以提高我国液体火箭测试发射水平。

国内外火箭研制均把使用性能作为重要指标，而我国火箭的使用性能尚需进一步提高。

一是可靠性水平需要进一步提高。以美国EELV计划中的火箭为例，其可靠性水平均达到了0.98；欧洲火箭可靠性水平达到了0.985；俄罗斯火箭可靠性水平达到了0.9568。我国CZ-2F火箭可靠性达到0.98，与国外相当，但我国现役火箭平均可靠性水平只能达到0.93。

二是提高火箭应对故障的能力。SpaceX公司针对Falcon 9火箭9台发动机的1台故障，采取故障重构技术成功地消除了该故障对飞行任务的影响。我国运载火箭通过软硬件的冗余基本消除了单点失效的故障模式，后续应进一步研究动力、结构等系统故障模式，开展健康管理与控制重构等重大关键技术研究。

三是进一步研究低温火箭应对发射推迟问题。我国CZ-3A系列火箭在应对推迟发射时暴露出低温连接器脱落后允许推迟时间过短、推进剂泄出后再次发射准备时间过长的问题。

5．开展复用技术攻关并加强技术储备

在可复用运载器的技术攻关方面，我国已经开始进行可复用运载器的关键技术攻关和演示验证，需要进一步加强复用运载器总体、结构、热防护、气动、控制技术攻关工作。笔者建议，针对助推器可控回收和可复用等重大领域积极开展探索与研究工作，并推动演示验证。

在加强技术储备方面应关注以下几个方面的问题：一是发动机水平。在常规发动机性能方面，除美国、俄罗斯具备超过百吨级常规发动机外，其它各国的常规发动机性能基本相当。液氧煤油发动机性能按比冲大小依次为俄罗斯、中国、美国和欧洲，而按推质比大小顺序依次为美国、欧洲、俄罗斯和中国。液氢液氧发动机性能按比冲和推质比总体来看，顺序依次为欧洲、美国、俄罗斯、日本和中国。

二是结构系数。运载火箭的结构系数是指结构质量与总质量（结构质量与加注量之和）之比。我国火箭的结构系数（0.057～0.1841）较国外火箭的结构 系 数（0.05280～0.16667） 偏大，特别在液氢液氧燃料的结构设计上，我国运载火箭的结构系数（0.1309～0.1841）偏大反映更加明显，这将导致运载能力偏低。

三是箭上遥测码速率。国外箭上遥测最高码速率已有20Mb/s的成功应用。我国在研的CZ-5、CZ-7火箭采用5Mbps或以上码率完成遥测测量，但广泛应用于现役火箭遥测系统中的最高传输码率限制在2Mb/s，已无法满足型号总体日益增多的测量需求。

四是气动与热环境设计方法。近年来随着新任务的开展、精细设计的深入，我国气动与热环境设计在稀薄流低密度效应、真实气体效应、真空羽流模拟、气动辨识、热辨识、复杂局部部位热环境分析、热环境机理分析等方面存在不足，与国外相比还有差距。

技术水平的差距将影响到火箭运载能力、飞行可靠性指标，成为影响工程任务成功实施的隐患。笔者建议后续进一步加强关键技术攻关，加大基础技术储备，提高火箭研制生产能力，从而促进我国运载火箭技术水平提升。

运载火箭技术是衡量一个国家空间活动能力的重要标志，世界各主要航天大国都十分重视运载技术的发展，运载领域也成为航天最为活跃的领域之一。我国运载火箭正处于快速全面发展的时期，在持续跟踪和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，未来我国应大力发展低成本、快响应重型运载火箭以及可复用运载器和先进上面级，并及早开展关键技术攻关。◀