载人运载火箭技术回顾与展望

张 智

(中国运载火箭技术研究院，北京 100076)

0 引言

运载火箭是一种航天运输工具，它负责把卫星、载人飞船、空间站、空间探测器等有效载荷送入预定轨道。载人运载火箭是发射载人飞行器的运载火箭，是运载火箭家族中的重要成员之一，是一种特殊的火箭。载人飞行器包括一次性使用的载人飞船、可重复使用的航天飞机等。

如果将东方号运载火箭将尤里·加加林送入太空的1961年作为载人航天元年，那么载人运载火箭已经有57年的历史。在这57年中，人类进入了地球近地轨道，登上了月球，建立了地球轨道空间站，并在为进入太阳系的其他行星(火星)做着不懈的努力。在这57年中，载人运载火箭也随着载人航天的不断发展壮大，逐渐地从一般的运载火箭中独立出来，成为一种特殊的运载火箭。载人运载火箭在载人航天的历史中曾发生令人扼腕叹息的航天事故，也建立了一个又一个的丰功伟绩。

本文试图从载人运载火箭发展的历史中，分析载人运载火箭的特点，梳理对载人运载火箭的需求，展望载人运载火箭的未来发展，为载人航天未来发展提供参考借鉴。

1 载人运载火箭回顾

1.1 俄罗斯/苏联载人运载火箭

东方号(Vostok)运载火箭是世界上第一型载人运载火箭，由月球号火箭(发射了第一颗月球探测器)改进而来。该火箭采用二级捆绑式构型，使用液氧/煤油推进剂。其整流罩除了提供航天员进出舱口外，与发射卫星的整流罩基本相同。月球号火箭是由卫星号火箭改进而来，而卫星号火箭则是由液体战略导弹P-7改进而来。因此，可以说世界上第一型载人运载火箭来源于战略导弹。由于是在冷战背景下研制出的载人运载火箭，东方号运载火箭没有专门设计逃逸救生系统，在一些资料上看到的弹射座椅是在返回着陆时使用[1]。

东方号运载火箭运载能力有限，只能乘坐一名航天员。通过挖掘一子级潜力、二子级采用推力更大性能更优的发动机，增加推进剂加注量，形成了上升号(Voshod)载人运载火箭，能够发射乘坐两人的上升号飞船。同样，上升号也为航天员设计了逃逸救生系统。

联盟号(Soyuz)载人运载火箭是由上升号运载火箭改进而来的。为提升航天员的安全性，对箭体结构进行了必要的加强，关键部件和线路进行了冗余设计或降额设计，设计了逃逸救生系统，加强了全面质量管理。应当说，联盟号才是真正意义上的载人运载火箭。值得注意的是，其整流罩除具备发射卫星时整流罩的功能，其前半部是逃逸飞行器结构的一部分，逃逸飞行时起着传递逃逸发动机推力的作用。联盟号运载火箭在后续不断改进和完善中，运载能力不断增强，可靠性、安全性不断提高，衍生出联盟T、联盟TM、联盟U等，至今仍在服役，发射成功率很高。

N1载人运载火箭是苏联在冷战时期建造的一种旨在载人登月的火箭，其构型类似于美国的土星V火箭，为航天员配备了逃逸救生系统。该火箭一子级采用了30台发动机，能够在两台发动机故障情况下依旧完成任务。然而，总共4次飞行均告失败，苏联在美国登月成功成为事实的情况下终止了登月计划。N1火箭4次飞行失利中有两次与动力系统有关。

能源号(Enegya)载人运载火箭是苏联研制的一种可重复使用的载人运载火箭，与暴风雪号轨道器配合使用。这是一种专为重复使用载人航天器发射全新研制的火箭。与航天飞机不同的是,能源号助推器使用了液氧/煤油推进剂，芯级使用了液氢/液氧推进剂，且芯级发动机并未布置在暴风雪轨道器上。在暴风雪轨道器上为航天员配备了逃逸救生系统。

1.2 美国载人运载火箭

美国在水星计划中使用了两种载人运载火箭，即红石(Redstone)和宇宙神D(Atlas D)[2-3]。在用最简单、最可靠的方法完成计划的思想指引下，两种火箭都是由液体战略导弹改进而来的。宇宙神D火箭是一种单级火箭(一套推进剂贮箱，发动机分为助推和芯级，助推发动机关闭后分离)，使用液氧/煤油推进剂。除了适应性的改进外，为确保航天员的安全性，增加了故障检测与逃逸系统[4]。由于飞船采用无整流罩构型，逃逸系统结构比较简单。宇宙神D火箭还加强了氧箱前后底厚度等，提高结构可靠性[3]。这两种火箭，包括后文介绍的大力神2、土星系列载人火箭均没有为飞船配置传统意义上的整流罩，可以说是由于飞船构型不同引起的，也可以说是简化构型设计的结果。

在双子星计划中使用了大力神2(Titan 2)运载火箭发射双子星飞船。该火箭是军用大力神2火箭的改进版[5]，是二级串联式构型，使用四氧化二氮/混肼50推进剂。改进的目的是增加可靠性和航天员的安全性[6]。在最大动压区域一旦控制系统失效，很短时间内结构将被破坏，无法实施应急救生，因此导航与控制系统进行了冗余设计。冗余设计虽然提高了可靠性，但并未根本消除此危险。

在阿波罗计划中使用了3种运载火箭，即土星Ⅰ(Saturn Ⅰ)、土星ⅠB(Saturn ⅠB)和土星Ⅴ(SaturnⅤ)[7]。土星Ⅰ和土星ⅠB都是串联式二级火箭，一级使用液氧/煤油推进剂，二级使用液氢/液氧推进剂，二者都是土星Ⅴ火箭的技术验证型火箭。土星I共飞行了10次，其中SA-6、SA-7飞行中验证了发动机冗余能力，即8台发动机的一台发生失效关闭后，其余7台发动机仍然可以完成任务[8]。土星ⅠB也在此方面进行了深入的分析和尝试[9]。土星Ⅴ是一种串联式三级火箭，一级使用液氧/煤油推进剂，二、三级使用液氢/液氧推进剂。然而，在土星V火箭上，并未采用经过土星I验证的动力系统冗余技术，一级采用了5台大推力的F1液氧/煤油发动机。虽然没有采用动力冗余的设计，依然对一台发动机推力丧失的影响进行了深入的研究[10]。对土星Ⅴ火箭实施了结构改进，确保发生此类情况下，有足够的故障诊断和实施应急处理的时间。在土星Ⅴ火箭上，为载人航天采用了提高可靠性的技术，配置了故障检测系统和逃逸救生系统。

航天飞机(Space Shuttle)是NASA开发的一种部分重复使用、多任务、人货混运、低成本、往返地球轨道空间的航天运输系统。这是一个全新概念、全新研制的系统，没有像以往一样在已有火箭的基础上开展研制。最初的航天飞机设计是两级全部重复使用概念，全部采用液氢/液氧推进剂，后来考虑到技术难度和成本因素，才最终发展成捆绑两个固体助推器、部分重复使用的航天飞机。该系统的可靠性设计指标是0.97，安全性指标是0.999。出于对非航天员的普通乘员乘坐的考虑，特别提出上升段乘员承受的过载不超过3g。其设计思想是故障-工作、故障-安全。通过设计、生产、试验和过程控制等手段将灾难性(任务失败、航天员伤亡)故障模式的发生可能性降至最低。由于通过中止飞行(轨道器返回)的方式可以使安全性指标达到0.999，因而未采用逃逸救生的方式[11]。但挑战者号和哥伦比亚号航天飞机的事故证明这种设计存在重大缺陷。

在航天飞机退役后，NASA试图建造一次性使用的载人运载火箭，包括阿瑞斯火箭(Ares)[12]和空间发射系统(Space launch system，SLS)[13]。Ares火箭由于重返月球计划终止而停止研制，目前正在研制的SLS运载火箭为捆绑式二级构型，芯一级使用液氢/液氧推进剂，首飞构型使用固体助推器。由于研制经费的限制，SLS研制采用了递进式的发展路线，首先是应用现有技术构造近地轨道运载能力70t的火箭，通过技术改进，逐步实现近地轨道运载能力105t和130t的火箭。SLS火箭的载人构型均采用了故障检测与逃逸救生系统。

1.3 中国载人运载火箭

长征二号F运载火箭是中国目前唯一一型载人运载火箭，是在长征二号E火箭基础上，通过提高可靠性、安全性的设计而来的。该火箭是捆绑式二级火箭，使用四氧化二氮/偏二甲肼推进剂。如大多数载人运载火箭一样，火箭配备了故障检测系统和逃逸系统[14]。

长征二号F运载火箭的设计秉持一度故障工作、二度故障安全的设计理念，在系统可靠性、安全性提高方面开展了大量的工作。

在可靠性方面，箭体结构系统采用了1.1的强度剩余系数；控制系统采用了全面冗余设计；遥测系统对测量参数进行了分类，关键参数(I类)进行了冗余设计；动力系统(发动机和增压输送系统)也进行了旨在提高可靠性的改进；火工装置全面采用钝感火工品。

在安全性方面，对火箭所有危险源进行了系统分析，对最严重的故障模式、爆炸特性进行了理论和试验研究，为故障检测和逃逸系统的设计提供依据；在火箭故障诊断和逃逸指令发出方面，采用了箭上自动和地面手动相结合的方式，箭上处理发生较快的故障模式，地面处理发展速度较慢的故障模式；火箭在待发段和上升段都具备了故障检测与逃逸功能；在上升段，采用了逃逸与中止飞行(应急分离)相结合的方式(火箭起飞120s之前采用逃逸方式，之后采用应急分离方式)[15]；为了使火箭发生故障时能够给故障检测和逃逸提供足够时间，火箭增加了尾翼，并对助推器后过渡段进行了加强。

1.4 小结

从载人运载火箭的发展历程可以看出：

(1)早期载人运载火箭均是在导弹或其他运载火箭的基础上发展而来的。经历了人货合运的部分重复使用探索后，又回到人货分运的一次性使用的运载火箭上。但这并不意味着重复使用的方向是错误的，只是目前的技术水平尚无法实现期望的低成本目标。

(2)高可靠性、高安全性是载人运载火箭内在要求，故障检测系统、逃逸系统的配置是载人运载火箭的外在表现。

(3)高可靠性的设计在其他火箭中同样有强烈的需求，载人火箭与其他火箭最根本的区别在于安全性。提高安全性的根本是消除灾难性的故障模式。

(4)除高可靠性、高安全性之外，载人运载火箭还应为乘员提供舒适的乘坐环境，满足除航天员之外的工程技术专家或普通人的乘坐需求。

2 载人运载火箭展望

未来的载人航天应从探索型向应用型转化，载人运载火箭也应适应这一转变，在保证满足载人航天任务要求的同时，逐步实现其商业化。

为了保证载人运载火箭的高安全性，载人运载火箭均以高可靠性为基础，为火箭配置了故障检测系统和逃逸系统(或中止飞行系统)。

本文借鉴以往载人运载火箭的设计经验，从总体设计、分系统设计角度，展望未来载人运载火箭的设计需求。

2.1 设计原则

应坚持故障-工作、故障-安全的设计原则，高可靠性和高安全性是载人运载火箭设计永远的主题。

应坚持简化设计的设计原则，载人运载火箭应是单任务的而不是多任务的。构型尽可能简洁，推进剂种类、发动机种类尽可能少。

应坚持继承性设计原则，载人运载火箭要最大程度地继承同期运载火箭的成熟技术成果。

应坚持可靠第一、安全至上的设计原则，高可靠是高安全的基础，但高可靠不能替代高安全，在任何情况下，安全性绝对优先。要消除灾难性故障模式，而不是将其控制在可接受范围内。

应坚持状态协同设计原则。状态协同是指在火箭设计中，正常飞行状态、故障飞行状态和逃逸(或中止飞行)飞行状态同时作为火箭设计的输入条件。尽可能避免无法检测到灾难性故障，或者检测到灾难性故障但无法实施逃逸的情况出现。

应坚持舒适性设计原则。舒适性是指载人运载火箭的功能、性能对乘员(含航天员、有效载荷专家或普通乘客)约束的满足程度。譬如正常飞行与逃逸飞行的过载、振动、噪声等。未来这些指标应按普通乘客的需求开展设计，而不是仅仅只考虑航天员的需求。

2.2 总体设计

2.2.1 构型设计

从系统简化的角度看，串联式构型的火箭最简单，在其他条件均满足的情况下，载人运载火箭应首选串联式构型。当然这并不排除并联式和捆绑式火箭作为载人火箭的选择。

载人火箭与载人飞船设计应是一个统一的整体，应从系统工程的角度进行构型优化。类似联盟飞船和神舟飞船的整流罩设计看似降低了飞船的设计难度，但是却增加了整流罩的设计难度和整流罩分离环节，不符合简化设计的原则。若未来飞船的规模进一步扩大，目前整流罩的设计技术远远不能满足需求。

无论选取怎样的构型，都要考虑在发生故障时，能为故障检测和逃逸救生提供必要的条件。也就是说，在故障检测出来前和逃逸执行后的一段时间内，火箭结构不能发生破坏并爆炸。特别是在跨声速和最大动压区域，火箭的质心和压心位置应很接近。这个需求可通过火箭的构型设计或增加尾翼来实现。

2.2.2 弹道设计

从舒适性设计角度看，载人运载火箭正常飞行时的过载系数不宜太大，目前的要求都是不大于5，未来应该考虑不大于3。对于逃逸工况，目前的轴向过载系数要求不大于11，未来应按照普通乘员的承受能力确定一个合适的值。

目前，弹道优化设计一般以运载能力最优为目标，但这样的弹道对逃逸或中止飞行返回的弹道却未必是优化的，未来的载人运载火箭弹道设计应将逃逸或中止飞行弹道设计作为载人运载火箭弹道设计的约束条件之一。当然，这样的设计会付出一定的运载能力代价。

2.2.3 动力总体

动力系统是运载火箭主要的危险来源。从简化设计角度看，全箭最好仅使用一种推进剂。从安全性设计角度看，最好选用危险性较低的推进剂。

目前，应用在载人运载火箭的推进剂有固体和液体两大类。除美国航天飞机和SLS运载火箭采用了固体助推器外，其他火箭均采用了液体推进剂。航天飞机选用固体助推器的主要原因是其成本低，且简单、可靠。而SLS运载火箭依然采用固体助推器是出于技术继承性的考虑。

从系统复杂程度看，固体发动机要比液体发动机简单，因而前者的可靠性高。但从固体发动机的故障模式的严重度来看，其故障大多属于灾难性的。一旦发生，故障发展速度很快，在现有技术水平下，很难及时诊断，很难给后续的逃逸救生提供必要的条件。

目前常用的液体推进剂包括：四氧化二氮/肼类、液氧/烃类和液氧/液氢。对于我国一直使用的四氧化二氮/偏二甲肼液体发动机，其故障模式中灾难性故障模式主要存在于涡轮泵，但从已经发生的故障来看，从其发生到起火燃烧，都需要较长时间[16]。同样的推进剂规模，不同推进剂组合爆炸产生的冲击波危害程度不同。四氧化二氮/肼类最低，液氧/烃类中等，液氧/液氢最高。从绿色环保的发展趋势看，四氧化二氮/肼类有毒推进剂将逐渐被淘汰。

终上所述，使用液氧/烃类作为载人运载火箭的推进剂，是一种较好的选择。

2.2.4 关于动力冗余

在运载火箭中，动力系统的可靠性评估结果最低。由动力系统故障导致飞行失败的数量占全部失败总数的38.1%[17]。如何实现发动机故障后仍可保证任务圆满成功，是运载火箭总体设计一直在思考并致力于解决的工程难题。采用动力冗余技术，可解决大部分因发动机故障导致任务失败的问题，提高火箭可靠性[18]。但是如果动力系统中存在灾难性故障模式，动力冗余会提高灾难性故障发生的概率。对于载人运载火箭来说，是不能接受的。载人运载火箭不是不能采用动力冗余技术，前提是动力系统中灾难性故障模式已被消除。

2.2.5 载荷与强度

对于结构系统来说，载荷与强度设计决定了产品的可靠性。载人运载火箭与非载人运载火箭的载荷与强度设计方面的区别表现在两个方面，一是载荷设计应包括故障工况，二是应将高可靠性的要求体现在安全系数上[19]。

所谓的故障工况是指表征火箭的某些功能的参数超出规定偏差范围或功能丧失时的火箭状态，如发动机推力下降或丧失等。此状态下，箭体结构承受的载荷会发生变化，严重时甚至导致结构迅速破环，不但影响到任务完成，甚至影响到乘员的安全性。

2.2.6 故障检测与处理

故障检测与处理是载人运载火箭必不可少的一个功能。在以往的载人运载火箭上，这个功能都是专为逃逸系统设置的。未来这个功能的作用应得到拓展，既要检测运载火箭的“健康”状态，也要为系统重构，或改变任务目标提供决策。任务目标包括：继续完成既定目标、完成次要目标、中止飞行或逃逸。

未来运载火箭的“健康”监测功能可能不再是载人运载火箭所独有的功能，但对这个功能的要求一定还是最高的。对载人运载火箭的健康监测应坚持箭上和地面相互配合的方式，达到“既不漏，也不误”的目标。

在运载火箭飞行过程中，不仅仅是火箭发生故障需要逃逸或中止飞行，载人飞船也会有这样或那样的原因需要逃逸或中止飞行，因此，必须给飞船或航天员留有逃逸指令发送通道。

2.2.7 安全控制

目前，作为一种保护首区、航区地面人员和设施安全的一种手段，载人运载火箭也都配有安全控制功能。在火箭逃逸或中止飞行后，由地面指挥人员，根据残骸落点的情况决策是否将火箭空中炸毁，其执行装置是引爆器和爆炸器。这是火箭上危险性最高的装置之一，虽然可靠性和安全性设计能够使其危险概率降到极低水平，实际飞行中也未见误炸事故，但毕竟理论上存在这种可能性。而且一旦发生误炸，没有反应时间。未来的载人运载火箭设计中，应消除这个危险源，譬如采取推进剂空中排放的方式。

2.3 分系统设计

所有分系统都应按照故障-工作，故障-安全的设计原则开展设计。

2.3.1 结构系统

贮箱、壳段等结构很难采取冗余设计措施，一般都是以增加安全系数、提高可靠性为主。应具备在发生故障情况后的一段时间内，保持结构完整性的能力。对于使用了液氢/液氧推进剂的载人运载火箭，对液氢的安全性设计要引起充分的重视，防止氢的泄露和聚集。

火箭系统必须为航天员快速撤离提供条件。对于带整流罩的火箭，必须为航天员的快速撤离提供快速开启舱口。

多级火箭的子级之间一定存在分离面，分离面的连接和分离一般是由火工装置完成。火工装置的特点是一次性工作，安装后不可测试，因此应尽量减少钝感火工装置的数量，如采用线性连接解锁装置。

2.3.2 电气系统

电气系统比较容易通过冗余设计方法提高可靠性。因此，凡是影响到飞行任务可靠性的单机均采取冗余设计方法。

未来的载人运载火箭应考虑电气系统重构设计，要保证在火箭出现某些故障情况下(如发动机推力下降或者丧失、伺服机构卡死)，仍然能够完成飞行任务，但前提是该故障不至于影响安全性。

电气系统的某些单机，应具有故障-安全的能力，如利用系统故障时调节器应归到零位，伺服机构故障时应具备回归零位的能力等。

电气系统还应具备为箭上故障检测和地面故障诊断提供可靠数据的能力，以及可靠接收和执行地面发出的逃逸或中止飞行指令的能力。

2.3.3 动力系统

动力系统包括发动机和增压输送系统。发动机的潜在危险来自推力丧失或突然爆炸。应尽可能消除灾难性的故障模式。发动机应具备全过程的健康诊断能力，以便实施紧急关机或进行应急处理。

增压输送系统的危险来自高压贮气产品的爆炸或是管路气体、液体的泄漏。在系统设计中应尽可能减少危险源的数量，消除爆炸等可导致灾难性故障的模式。同时，在设计中应开展管路频率管理，防止耦合振动的发生，特别是应采取措施抑制POGO(纵向耦合振动)发生。

2.3.4 中止飞行和逃逸系统

中止飞行和逃逸系统都是保证航天员安全的有效手段。具体的应用是按照火箭的故障模式及危害性的程度决定。从未来技术发展的预测来看，灾难性故障模式难以彻底消除，因此，不建议单独使用中止飞行手段。

逃逸系统的设计应以应对火箭灾难性故障模式为目标，如火箭爆炸。应定量研究火箭的爆炸危险因素，如冲击波、碎片、火焰等。既要研究火箭在地面的爆炸行为，也要研究空中爆炸的演化行为。

逃逸系统的反应应尽可能地快速，因此，使用固体推进剂作为动力源是最佳的选择。逃逸飞行器的载荷设计应与载人火箭故障飞行载荷设计相协调，即承受能力应大于火箭故障飞行的载荷承受能力。逃逸系统的设计必须与飞船系统设计相协调。

2.4 可靠性、安全性保证

载人运载火箭的高可靠性是设计出来的，但也要通过生产、试验以及管理活动来保证。

可靠性保证要从元器件、原材料抓起。应按照最高标准选用元器件、原材料，采用下厂监制、加严筛选、进厂复验等有效措施控制产品质量，并严格执行质量问题归零和举一反三[20]。

大量的地面试验验证是可靠性、安全性设计实现的保证。通过可靠性增长试验发现薄弱环节并加以改进，通过环境余量试验摸清产品裕度，通过飞行故障仿真试验验证故障判据(包括全数字和半实物的仿真试验)，通过逃逸飞行试验验证逃逸飞行器设计的正确性等。

严格的过程控制，包括设计过程、制造过程、总装测试过程，是确保产品质量，进而保证可靠性、安全性至关重要的手段。

3 结束语

采用成熟技术构造载人运载火箭是未来载人运载火箭发展的必然途径。高可靠性是载人火箭的基础，高安全性是载人运载火箭至高无上的追求。在安全性的设计中应以消除灾难性故障模式为根本，不能以高可靠性替代高安全性。载人运载火箭研制中应充分考虑人的因素，为乘员提供安全、舒适的乘坐环境。

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