发射运输系统顶层规划设计与对策建议

□朱雄峰 程洪玮 刘 阳 雍子豪 王一杉 周城宏

目前我国发射运输系统的归口单位或主责单位众多，并随着商业航天的蓬勃兴起而致研制单位众多[1]。由于缺少高效的沟通交流机制，发射运输系统目前顶层规划方面存在政出多门、型谱不统一、对话环境不一致等问题，规划与规划之间的交互往往需要进行“编码”和“解码”，大大阻碍了行业的发展进程，为此有必要统一技术发展顶层规划。本文着眼体系、规格和划代三个顶层规划急需统一的问题，提出构建全国“一张体系(发射运输系统体系构成)”“一个规格(发射运输系统规格划分)”“一种划代(发射运输系统划代标准)”，为我国发射运输系统主责单位、研制单位和使用单位提供统一对话环境，支撑发射运输系统软环境建设。

一、发射运输系统的体系构成

(一)总体考虑。发射运输系统主要用于将航天器、人员或物资投送到指定空间，通常包括运载火箭、天地往返飞行器等。综合而言，本文将发射运输系统划分为常态进入空间、快速进入空间、轨道转移部署、天地往返运输、远程跨域投送五位一体的体系。

(二)体系构成。

1.常态进入空间。是指主要利用中大型固体或液体运载火箭，按照既定的发射计划，以陆基大型固定发射为主要样式，其他发射样式为补充，常态化地将各类航天器投送至指定轨道。按照系统分类，可进一步分为中大型固体运载火箭和中大型液体运载火箭。

2.快速进入空间。是指主要利用小型固体或液体运载火箭，按照快速制定的发射方案，以公路机动发射为主要样式，海基、空基发射等其他发射等其他样式为补充，及时高效将小型航天器送入轨道。按照系统分类，可进一步分为小型陆基发射运载火箭、空基发射运载火箭和海基发射运载火箭等。

3.轨道转移部署。是指主要利用运载火箭上面级或轨道转移飞行器，以多星发射轨道转移部署为主要样式，快速机动变轨样式为补充，完成航天器从地面至空间或空间至空间的轨道机动和部署。按照系统分类，可进一步分为运载火箭上面级和轨道转移飞行器等。

4.天地往返运输。是指主要利用重复使用运载火箭或组合动力飞行器，以垂直发射垂直返回、垂直发射水平返回、水平发射水平返回为主要样式，将各类航天器投送到指定轨道，同时可将指定轨道的航天器离轨返回地面。按照系统分类，可进一步分为火箭动力天地往返运输系统和组合动力天地往返运输系统等。

5.远程跨域投送。是指主要利用亚轨道飞行器，以垂直发射垂直返回、垂直发射水平返回、水平发射水平返回为主要样式，将各类物资从地面投送空间或从地面投送至地面。按照系统分类，可进一步分为火箭动力远程跨域投送系统和组合动力远程跨域投送系统等。

二、发射运输系统的规格划分

(一)总体考虑。根据近年来运载火箭的研制进展，中型主力火箭的运载能力有增加趋势(如作为主力火箭的Falcon 9运载能力LEO 22.8t)，同时国际上对重型火箭的运载能力认识趋于统一(LEO≥100t)，对新出现Falcon 9H火箭(LEO 63.8t)等既不能归类于重型火箭，也不合适归类于大型火箭，因此本文新设超大型火箭。综合而言，本文将运载火箭规格划分为小型、中型、大型、超大型和重型火箭，同时由于其他运输系统，如天地往返运输系统、远程跨域投送系统等目前型号研制尚在起步过程，现阶段规格划分参照运载火箭的规格划分。

(二)规格划分。

1.小型运载火箭。是指近地轨道运载能力4t以下的运载火箭，具有集成度高、快速发射能力强等特点，通常以固体运载火箭为主。国外主要型号包括Minotaur(LEO 0.34t)、Pegasus(LEO 0.44t)、Rokot、Kosmos(LEO 0.3t)、Vega(LEO2.3t)；我国主要型号包括CZ-11、KZ-1A等(LEO<1t)。

2.中型运载火箭。是指近地轨道运载能力4～25t，具有综合性能和综合效费比高、通用适配能力强等优点，发射数量占比高，因此往往也称为中型主力运载火箭，通常以液体运载火箭为主、固体运载火箭为辅。国外主要型号包括Delta Ⅳ(LEO 9～22t)、Atlas V(LEO 9～19t)、Falcon 9(LEO 22.8t)、Antares(LEO 5.5t)、Soyuz(LEO 7.2～8.2t)、Proton(LEO 19.76～23.0t)、Zenit(LEO～13.92t)；我国主要型号包括CZ-2/3/4/7/8等，运载能力(LEO<14t)。

3.大型运载火箭。是指近地轨道运载能力25～50t，具有单次投送能力强、整流罩包络大，可用于发射大型异构载荷，也可用于一箭多星批量发射，通常以液体运载火箭为主。国外主要型号包括Delta ⅣH(LEO28.3t)；我国主要型号包括CZ-5系列火箭，运载能力(LEO25t)。

4.超大型运载火箭。是指近地轨道运载能力50～100t，此类型运载火箭重点面向载人航天和深空探测等任务，专用型相对较强，通常以液体运载火箭为主。国外主要型号包括Falcon 9H(LEO 63.8t)；我国主要型号包括正在研制过程中的新载人火箭，运载能力(LEO>50t)。

5.重型运载火箭。是指近地轨道运载能力100t以上，此类型运载火箭重点面向载人深空探测、大规模空间开发等，专用性相对较强，通常以液体运载火箭为主。

我国中型主力运载能力LEO 14t(CZ-7)，对比美国中型主力运载能力LEO 22.8t(Falcon)；我国大型运载能力LEO 25t(CZ-5B)，美国大型运载能力LEO 28.3t(Delta ⅣH)；美国超大型运载能力LEO 63.8t(Falcon 9H)，我国在该领域尚属空白；重型运载火箭均在论证或研制过程中。运载能力是衡量一个国家进入空间能力的最重要指标，上述对比可以看出，我国与航天强国美国在各种规格的运载能力上仍有一定的差距，有待进一步发展和提升。

三、发射运输系统的划代标准

(一)总体考虑。系统划代将发射运输系统按照一定的技术指标、发展脉络和发展规律进行代际划分，可为理论和工程界提供统一的对话标准。本文[2～3]按照聚类分析方法并结合指标评分法，将我国现役运载火箭分为四代，并前瞻考虑未来第五代和第六代运载火箭。综合而言，本文考虑发射运输系统的综合性能、综合效费比、可靠性和安全性、环境适应性、使用维护性等方面进行划分，将发射运输系统分为五代。

(二)划代标准。

1.第一代发射运输系统。从战略武器型号改进而来，重点解决运载火箭有无问题，运载能力、入轨精度等总体性能较低，使用维护性差，发射场测发周期长，采用模拟控制系统，产品性能较低。国外典型型号包括美国的Juno、Thor、Titan等运载火箭；俄罗斯(含前苏联)的Sputnik、Luna、Vostok等运载火箭；我国典型型号包括CZ-1、FB-1等运载火箭。

2.第二代发射运输系统。继承了战略武器型号技术并进行了技术改进，采用了数字控制系统，在综合性能、综合效费比、可靠性等方面有较大提升。国外典型型号包括美国的Delta 2000、Delta 3000、Delta Ⅱ等运载火箭；俄罗斯(含前苏联)的Soyuz、Kosmos、Tsklon、Proton等运载火箭；我国典型型号包括CZ-2/3/4系列运载火箭。

3.第三代发射运输系统。采用全新的动力系统，通常是无毒无污染的先进动力系统，采用全箭统一总线技术和先进电气设备，运载能力和运载效率得到了大幅提升。国外典型型号包括美国的Delta Ⅳ、Atlas V、Antares、SLS等运载火箭；俄罗斯的Zenit、Angara等运载火箭；我国典型型号包括CZ-5/6/7/8系列运载火箭。

4.第四代发射运输系统。采用多次启动重复使用发动机、发动机推力深度调节、多次启动、轻质高强材料等，同时采用智能化控制技术，具备多次重复使用能力，运载能力和运载效率大幅提升，发射成本大幅降低。国外的典型型号包括美国的Falcon 9/9H、SuperHeavy-Starship(在研)、New Green(在研)等运载火箭；俄罗斯的Amur(在研)等重复使用运载火箭；我国目前尚无工程化型号。

5.第五代发射运输系统。采用吸气组合动力发动机，如RBCC、TBCC、SABRE发动机等，可在大气层、临近空间和太空多域最优适应，实现跨域飞行，通常采用水平起降方式可最终实现单级入轨，该代发射运输系统是实现航班式进入太空的有效手段。国外典型型号包括应该SKYLON(在研)等发射运输系统；国内尚无工程化型号，主要在开展组合动力发动机关键技术攻关。

美国发射运输系统已经成功跨入第四代，其4.1代系统已经完全工程化和实用化，发射成本已降到折合低轨1.51万元人民币每公斤，具有极强的综合性能和综合效费比，并且正在发展4.2代系统，具有完全重复使用能力，预期将再一次掀起发射运输领域的科技革命。相比我国发射运输系统目前仍停留在第三代，且没有相对明确的重复使用工程型号，这与美国已形成事实上的代差，需直面挑战、赶超先进、跨代发展，为经略太空提供坚实保障。

四、结语

本文着眼部分解决需求侧的顶层规划问题，借鉴航空运输领域的顶层规划方法，在体系构成上将发射运输系统分为5类、在系统规格上将发射运输系统分为5型、在系统划代上将发射运输系统分为5代，上述顶层规划考虑可供发射运输系统主责单位、研制单位和使用单位提供统一的对话环境，为我国发射运输系统尽快弥补差距、跨代发展提供支撑。