运载火箭演进及智能技术展望

2021-07-21刘鲁江梁建国吴佳林盛英华

上海航天 2021年3期

关键词：猎鹰火箭发动机

刘鲁江，梁建国，吴佳林，盛英华

（上海宇航系统工程研究所，上海 201109）

0 引言

运载火箭是进入空间的主要工具［1-2］，决定着一个国家进入空间、利用空间和控制空间的能力，是航天能力建设的核心基础，也是国家现代科技发展水平和综合国力的重要标志。

运载火箭作为过去70 年飞行器界最惹人瞩目的新物种，一直在不断演变进化：单芯级火箭→捆绑火箭→新单芯级火箭→通用芯级捆绑火箭［3-4］，一次性火箭［5］→垂直发射水平回收火箭→新一次性火箭→垂直发射垂直回收火箭［6-7］，新形态层出不穷。

运载火箭的演进外部由任务需求驱动，内部由国家基础所决定。其中，发动机和箭体直径两个核心要素，犹如生物DNA 的双螺旋决定了火箭的演化进程；模型与算法［8-9］则是引领火箭智能化和重复使用的新引擎，正在反向重塑运载火箭全生命周期的各个环节。

本文从历史和产品两个维度分析运载火箭的演进历程，寻找影响运载火箭演进方向的内在关键指标，并在此基础之上给出我国运载火箭的优化方向。最后，结合未来航天运输发展的新格局，提出运载智能技术发展的建议。

1 国外运载火箭的演进

1.1 演进历史

1.1.1 空间载荷发射需求

截至2019 年底，全球共成功发射了8 916 个空间飞行器，俄罗斯和美国的数量最多，两国发射数量占全球发射总数的77.19%。在轨运行的空间飞行器共计2 498 个，其中美国数量最多（1 162 个，占比46.52%），中国首次超越欧洲，以384 个的数量位列第2。

这些空间飞行器主要包含通信、导航、遥感、科学试验卫星及飞船，其中，高轨通信卫星质量集中分布在5～7 t；中轨导航卫星的质量分布在0.7～1.7 t；低轨遥感卫星的质量主要分布在小型（0.5～1.0 t）、中型（3～5 t）和大型（13～17 t）3 个区间。飞船和空间站舱段质量分布在8～20 t。统计分析全球已部署的空间载荷情况，可知对近地轨道10 t 和20 t 运载能力的火箭需求较大。

1.1.2 发展阶段划分

人类在1957 年实施首次航天发射以来，世界运载火箭经历了“争夺太空霸权”“确保技术领先”“实现高效可靠”等发展阶段，如图1 所示。2015 年12 月美国SpaceX 商业航天公司成功垂直回收火箭一子级，2017 年3 月首次实现回收火箭重复使用，引领运载火箭进入以可重复使用为核心特征的“创新发展模式”阶段。

图1 运载火箭演进历史Fig.1 Evolution history of launch vehicles

第1 阶段：1957—1981 年，全力争夺太空霸权。以政治、军事需求为核心，从1957 年卫星号首次发射，1961 年联盟号实现首次载人，1969 年Saturn Ⅴ首次载人登月，实现运载火箭“从无到有”。

第2阶段：1981—2002年，确保技术领先。20世纪70年代美、苏在航天运输领域转向发展重复使用技术，1981 年美国部分重复使用航天飞机首飞，1987 年能源号火箭首飞［10］。同期美、苏、欧洲运载火箭“从有到全”快速完善型谱，实现任务需求的能力全覆盖，并启动了“模块化、系列化”的新运载火箭研制。

第3阶段：2002—2015年，Atlas Ⅴ、Delta Ⅳ、Ariane Ⅴ系列火箭［11-12］逐步成为进入空间主力，实现高可靠、高任务适应进入空间，完成了“从全到优”的跨越，未能按研制要求大幅降低发射费用。

第4 阶段：2015 年至今，空间探索公司创新运载火箭发展模式，以第一性原理重塑运载火箭设计制造理念，创新变革产品配套方式，实现了火箭一子级垂直回收并重复使用［13-14］，实现了“从优到卓越”。

1.2 演进规律

运载火箭发展始终追求“高可靠、高任务适应性和高经济性”，故其演进的显性评判指标是发动机和箭体直径。发动机性能提升50%或者箭体直径增大50%以上，两者满足其一即标志着运载火箭走过了一个产品周期，而重复使用则是运载火箭实现卓越的主要评判指标。

对于各具备航天能力的国家，其任务需求、设计理念和基础保障能力均存在差异，导致各自的火箭发展路线也不尽相同。从产品研制期、成长期、成熟期和衰退期审视所有的运载火箭产品（至今研制了一百余种270 余种构型运载火箭）：以执行50 次以上发射任务为门限，完成1 个周期演进的运载火箭4 个系列（联盟、质子、天顶、大力神等），完成2 个周期演进的运载火箭有3 个系列（Delta、Atlas、Ariane 系列），完成3 个周期产品演进的仅有猎鹰系列火箭。对完成2 个产品演进周期运载火箭的发展模式进行分析，归纳出普适的内在演进规律，具体分为2 种模式：传统运载火箭升级模式和新研运载火箭创新模式。

1.2.1 传统运载火箭升级模式

传统运载火箭主要包括源于弹道导弹的Delta和Atlas 系列，以及源于欧洲号改的Ariane 系列。见表1、图2～图4 所示，Delta、Atlas 及后Vulcan 运载火箭以单芯级为基础，通过捆绑拓展能力；Ariane 系列的构型在Arian Ⅳ之前以单芯级为主，通过捆绑拓展能力，Ariane Ⅴ后以大固体+氢氧模式为主。虽然，以上3 个系列火箭各自发展路线不同，但内在演进规律是相同的，可划分为2 个演进周期。

图2 Delta 系列运载火箭演进Fig.2 Evolution of Delta series launch vehicles

图3 Atlas 系列运载火箭演进Fig.3 Evolution of Atlas series launch vehicles

图4 Ariane 系列运载火箭演进Fig.4 Evolution of Ariane series launch vehicles

表1 Delta、Atlas 与Ariane 系列运载火箭演进主要参数［15］Tab.1 Main parameters of Delta，Atlas，and Ariane series launch vehicles

第1 个周期由“有”到“全”，3 个系列火箭均从单芯级起步，并在任务驱动下持续通过提升发动机推力、加长子级模块、增加末子级、捆绑固体/液体助推［16-17］和选用先进子系统（结构/电气）等方式增加运载火箭任务覆盖度，在达到LEO 5.0～6.5 t、GTO 3 t 的运载能力后，3 个系列火箭演进到能力上限。

第2 个周期由“全”到“优”，以任务需求为牵引，基于新箭体和新发动机构建运载火箭型谱。Atlas Ⅴ、Delta Ⅳ单芯级构型运载能力LEO 10 t/GTO 5 t，并通过捆绑小固体/通用芯级助推和增加新型上面级来构建高可靠、高任务适应性的全新运载火箭型谱。Ariane Ⅴ基本型运载能力选择LEO 16 t/GTO 6.9 t，同样通过助推升级/更换氢氧上面级将运载能力提升到LEO 21 t/ GTO 10.5 t［18］。

第2.5 个周期由“优”到“精”，美国正研制Vulcan系列替代Atlas Ⅴ和Delta Ⅳ，发动机选用蓝源的BE-4［19-21］。欧洲则正在研制Ariane Ⅵ，芯级沿用大氢氧的思路，助推则以整体式替换大型分段，并通过捆绑2/4 个助推实现运载能力梯度覆盖。Ariane Ⅵ固体助推与织女号火箭一子级的固体发动机通用。

1.2.2 新研运载火箭创新模式

作为新研火箭，猎鹰系列运载火箭［22-24］的演进可划分为4 个周期，如表2 和图5 所示。第1 周期由“无”到“有”，以液氧煤油小火箭（1 台Merlin 1A/C+1.2 m 箭体）突破运载技术；第2 周期由“有”到“精”，以采用全液氧煤油动力的两级单芯级火箭（9 台Merlin 1C/D+Φ3.66 m 箭体）达到传统大型捆绑火箭性能；第3 周期由“精”到“卓越”，一子级多次垂直回收（2021 年3 月24 日B1051.9 模块第9 次发射并成功回收）；第4 周期由“卓越”到“产业化”，正在开展大规模进出空间和完全重复使用演示验证（28 台猛禽+9 m 箭体）。

图5 猎鹰系列运载火箭演进Fig.5 Evolution of Falcon series launch vehicles

表2 猎鹰系列运载火箭演进主要参数Tab.2 Main parameters of Falcon series launch vehicles

1.3 演进关键指标

火箭构型、运载能力、发射费用和运载效率是评判运载火箭可靠性、任务适应性、市场竞争力和技术先进性的显性指标，而捆绑助推、选用高性能末子级等是实现运载火箭型谱拓展的常规手段，选用高性能发动机、轻质化材料、先进电气等则是以系统进步提升火箭综合性能。以上这些都不是引导运载火箭演进的内在关键指标。

引领运载火箭演进的内在关键指标是面推比，其定义为起飞推力除以当量面积（kN/m2）。表征单位当量面积上的推力量级，可衡量发动机与箭体直径的匹配度。此指标能够从顶层定量评判运载火箭演进效果。如表3 和图6～图7 所示，只有实现这个指标的持续增长，运载火箭的升级换代方能提升发射效能。因此，须以此指标引领运载火箭向正确的方向演进。

图7 Atlas、猎鹰和长征系列运载火箭当量面推比变化Fig.7 Area-thrust ratios of Atlas，Falcon，and Long March series launch vehicles

表3 主流发动机与箭体匹配的面推比Tab.3 Area-thrust ratios of main engines corresponding to rocket bodies

图6 国内外主要发动机尺寸对比Fig.6 Size comparison of main engines at home and abroad

由图7 可知，Atlas、猎鹰系列火箭在产品演进过程中，一子级面推比增加。Atlas、猎鹰与长征系列火箭因推进剂密度相近，面推比具有可比性，由高到低分别为猎鹰系列、Atlas 系列、我国现役运载火箭、我国新一代运载火箭。我国现役基础模块（YF-20C+Φ3.35 m）与Atlas Ⅴ基础模块（RD-180+Φ3.81 m）面推比相近，比猎鹰九基础模块（Merlin 1D+Φ3.66 m）面推比低54.5%，比新一代基础模块（YF-100+Φ3.35 m）高24.5%，也即新一代基础模块（YF-100+Φ3.35 m）发动机与箭体匹配度较差。

2 中国长征系列运载火箭的演进

2.1 演进历史

如图8 所示，长征系列火箭在20 世纪70 年代初实现了由“无”到“有”［25-28］，而后基于YF-20 系列发动机和Φ3 350 mm 箭体持续拓展（增加高性能末子级/捆绑助推）。2015 年长征六号首飞，2016 年长征五号首飞，我国运载火箭实现了从“有”到“全”的能力覆盖，未来将从“全”向“优”、向“精”再向“卓越”迈进。

图8 长征系列运载火箭演进Fig.8 Evolution of Long March series launch vehicles

我国先研制发动机，再由任务引领运载火箭立项研制（长征五号、长征七号等）［29-31］，而后由底向上规划运载火箭型谱。

新一代火箭的新研模块面推比偏低，使得型谱效能偏低。如Φ3.35 m 模块（安装两台YF-100）面推比为269.57 kN/m2，而现役常规Φ3.35 m 模块面推比为335.67 kN/m2。

2.2 优化方向

YF-100 发动机预计是未来15 年我国新一代火箭的主动力［32-33］，基于YF-100 发动机的火箭产品优化主要2 种模式：

1）优选现有模块。如图9 所示，综合考虑面推比、通用性、任务适应性等，基础级模块优选3.35 m直径布置2 台YF-100 模块作为通用芯级；末子级模块优选3.35 m 直径布置YF-115、3.35 m 直径布置YF-75 系列，构建单芯级近地轨道5 t、通用芯级捆绑近地轨道15 t 火箭精简型谱。

图9 3 种基础模块基本能力覆盖Fig.9 Basic capabilities of three basic modules

2）新研高效能模块。以最优面推比为约束，经优化可得出的结论：3.8 m 直径4 台YF-100K 发动机、5.0 m 直径7 台YF-100K 发动机可实现我国YF-100 发动机与箭体的较优匹配。这2 种基本模块如图10 所示，其面推比约为440 kN/m2，相比3.35 m直径布置2 台YF-100 模块面推比提升65%，与新格林和猎鹰九V1.0 基础模块面推比相近，达到国外先进火箭水平。

图10 2 种新研基础模块Fig.10 Two kinds of new basic modules

基于此2 种基本模块，构建的单芯级火箭近地轨道运载能力分别为10 t、20 t 级，而后通过上面级、通用芯级捆绑可以大幅提升任务覆盖效率。

3 运载火箭智能技术展望

随着以微电子、微机电、微机光电为代表的电子技术、信息技术和人工智能技术的发展及更多智能化技术应用，运载火箭正在向智能化转变。智能技术赋能运载火箭，大幅提升了运载火箭可靠性、任务适应性，实现了垂直起降和重复使用。

狭义的运载火箭智能技术发展以控制技术为主轴主线，逐步应用系统冗余、专家系统、统计模型、机器学习等新技术和硬件，实现本体与环境的在线辨识、运载能力在线评估与规划和控制在线重构等，具备个体强适应、任务快响应等特点。

广义的运载火箭智能技术发展则以物联网、大数据和人工智能为基础，通过全生命周期数据的充分利用和挖掘，实现建模、仿真、制造、试验和发射服务自主迭代和升级，具备航班化、智能化和模块化的特征。

3.1 运载火箭智能技术应用回顾

运载火箭早期运用静态点火和牵制释放技术，力争在起飞前发现并排除故障，以提升可靠性。而后通过地面和飞行试验构建故障诊断专家系统，在火箭飞行中进行快速故障诊断，以最优控制、动力冗余实现部分非致命故障下的控制重构，如图11所示。

图11 飞行故障辨识与智能控制Fig.11 Fault identification and intelligent control for flight

故障模型是动力系统故障辨识的基础，计算机则为运载火箭飞行中的轨迹在线规划提供了高端算力。20 世纪NASA 研制了用于SSME 地面试车过程监控的“异常与故障检测系统”（SAFD），统计了7 种型号发动机（MA-3、MA-5、RS-27、F-1、H-1、J-2、SSME）的85 000 次故障，并归结为16 种故障模式，而后通过故障模型在箭上应用持续提升故障准确判定能力。

1968 年阿波罗6 号任务时，土星五号二级5 台J-2 发动机中的1 台关闭，通过关闭对称1 台发动机，延长三子级工作时间保障了飞船入轨。1985 年挑战者号升空后，安全系统关闭了1 台故障发动机并完成了飞行试验。2012 年猎鹰9 火箭发射龙飞船，第1 级1 号发动机压力骤降，控制系统关闭发动机，并计算了新的上升轨迹，最终将龙飞船准确送入轨道。2017 年猎鹰9 火箭实现一子级模块首次重复使用［34-37］。

在20 世纪90 年代，我国载人运载火箭（CZ-2F）全面使用了系统级冗余技术和专家诊断系统，提高了火箭故障适应能力。2010 年以来，我国将自适应控制技术应用于远征（YZ）上面级的姿控系统中，提升了各种任务的适应能力和智能化水平。目前垂直起降重复使用方向已经验证了基于凸优化理论在线轨迹规划的可实现性和有效性，实验室状态下检验了G-FOLD 算法制导着陆精度［38］。

3.2 运载火箭智能技术发展

为推进我国运载火箭智能技术发展，可借助一次性运载火箭向精益化发展契机，系统推进的一体化精细化设计、故障自诊断及安全隔离、自主在线规划与自适应控制等核心技术如图12 所示，降低载荷和力学环境综合，准确预示环境边界条件，实现部分故障下发射任务适应性，大幅提升飞行可靠性和运载能力。

图12 运载火箭新技术发展体系Fig.12 New technology development system of launch vehicles

此外，还应聚焦垂直起降重复使用，突破发动机深度节流与多次启动、运载火箭故障诊断与重构、信息技术智能管理、高速再入精确制导等技术，提升火箭飞行智能化水平，实现重复使用的工程应用。

未来则应数字化重塑航天发射产品，以数字孪生推动航天发射产品的物理域与虚拟域全面融合，实现航天发射智能化和产业化，主要包括［39-41］：1）连接。火箭产品的全生命周期的产品互联，解决人和人、人和产品、产品和产品的连接问题。2）数据。连接后产生集成和协同，协同过程自然会产生数据。3）智能。数据经过加工和提炼，形成智能化分析应用。

最终利用数字化技术（例如云计算、大数据、人工智能、物联网和区块链等）、能力驱动火箭研制模式创新和生态系统重构，实现运载火箭研制、制造、试验、发射服务、再次使用的转型、创新和增长。