长征五号火箭技术突破与中国运载火箭未来发展综述

李东，李平岐

1. 中国运载火箭技术研究院，北京 100076 2. 北京宇航系统工程研究所，北京 100076

20世纪90年代中期，随着世界各国航天活动的蓬勃开展和国际商业发射市场竞争的日趋激烈，运载火箭在技术发展的推动和需求牵引下，进入一个新的发展阶段。为满足新世纪航天发射的需求，美国、俄罗斯和欧洲等主要航天国家和地区以市场需求为导向，广泛遵循高可靠、低成本、模块化的设计思路，采用无毒无污染推进技术，开展了新一代一次性运载火箭的研制，其主要目标是降低火箭发射成本、提高可靠性、灵活性和市场竞争力。其中美国于1994年由美国国防部实施了改进型一次性运载火箭(EELV)发展计划，研制了宇宙神V系列、德尔塔IV系列运载火箭；俄罗斯、欧洲分别于1994年、1988年启动了安加拉系列、阿里安5运载火箭的研制。进入21世纪，上述火箭逐步实现首飞并投入工程应用，进入空间能力普遍达到近地轨道20吨级、地球同步转移轨道10吨级[1-3]。

2010年，SpaceX公司的猎鹰9火箭成功发射；2012年，猎鹰9火箭在执行其首次国际空间站任务中，在1台发动机推力下降的情况下，通过故障诊断及在线重规划技术顺利完成发射任务；2015年12月23日，猎鹰9火箭首次实现了芯一级陆上垂直回收。猎鹰9系列火箭凭借其火箭子级和整流罩的回收与复用技术、故障诊断及在线重规划等技术，对运载火箭的技术发展带来了巨大冲击。其中，在降低发射成本方面，技术途径由此前的“通用化、模块化”向“重复使用”的技术转变；在提高可靠性方面，技术途径由“基于偏差设计”向“基于故障设计”的技术转变。

猎鹰9火箭在重复使用领域取得了巨大成功，使得重复使用技术成为当今世界火箭技术发展的重要方向，但一次性火箭在未来相当长一段时间内仍将是进入空间的重要力量。目前世界各航天大国均在实施各自下一代主力火箭更新计划，包括美国联合发射联盟(ULA)的火神(Vulcan)火箭、俄罗斯的联盟5火箭、欧洲的阿里安6火箭和日本的H3火箭等，在提升性能指标的同时，这些火箭均把降低发射成本，提升任务的灵活性、适应性作为主要研制目标[4-6]。同时，各国也在积极推进重型运载火箭研制，美国在深空探测需求牵引下，基于航天飞机的发动机、大直径箭体结构、固体助推器等大量成熟技术，开展了重型运载火箭太空发射系统(SLS)的研制工作；俄罗斯以载人登月为需求和目标，2016年宣布研制其重型运载火箭“叶尼塞”，该火箭充分利用 RD-171 和RD-180 等成熟发动机，以联盟5/6(Soyuz 5/6)火箭为基础，通过捆绑来构成，但受经费等因素限制，其研制工作在2021年已停止；SpaceX公司利用其猎鹰9的模块并联捆绑技术，研发成功了猎鹰9重型火箭，同时，其两级可完全重复使用的“超重+星舰”也即将首飞。

长征五号(CZ-5)系列火箭是以大幅提升我国自主进入空间的能力，满足我国航天中长远战略发展需求而研制的系列化大型运载火箭。以CZ-5火箭为代表的新一代运载火箭的成功研制及应用，大幅提升了我国火箭的运载能力和整体技术水平，但对比我国未来航天发展对运载火箭的需求，以及国外运载火箭的先进水平，我国运载火箭在进入空间的最大能力、运载效率、经济性等重要性能参数方面仍有差距；而在先进技术方面，火箭的重复使用性、轻质化结构设计与制造、高性能火箭动力等方面差距也很明显。未来，还需立足我国国情，以满足我国航天总体发展战略的需求为指引，按照建设航天强国和世界一流的航天运输系统的总目标，不断地创新发展，以支撑我国航天强国建设，更好地服务于国民经济建设和国防建设。

1 长征五号火箭研制

1.1 研制背景及意义

中国航天经过半个多世纪独立自主、自力更生的发展，形成了具有独立自主知识产权的“长征”系列火箭(见图1)，近地轨道(LEO)运载能力达到8.6 t、太阳同步轨道(SSO)运载能力达到6.2 t、地球同步转移轨道(GTO)运载能力达到5.5 t，支撑了中国航天五十余年的发展[7]。

进入21世纪后，随着我国社会主义强国建设的不断推进，国民经济建设和国防建设对航天的需求不断增强。月球采样返回、火星探测以及载人空间站工程等新时期国家重大航天工程对运载火箭能力提出了成倍提高的要求。同时我国上一代火箭基础级普遍采用四氧化二氮/偏二甲肼的有毒推进剂，且发射场均在内陆，箭体残骸航落区安全问题突出。火箭的可靠性、安全性、适应性、环境友好性等亟待提升。

而同期，世界主要航天强国均推出了各自的新一代运载火箭，如美国宇宙神5系列、德尔塔4系列、欧洲阿里安5等。与之相比，我国仅有中型运载火箭，大型火箭领域空白，火箭的运载能力和整体技术水平与国外先进水平的差距进一步拉大[7]。研制无毒无污染的大型运载火箭，大幅提升我国自主进入空间能力，带动我国运载火箭技术跨越，支撑国家重大航天工程任务实施和中国航天事业可持续发展，已成为当时最迫切的需求。

正是在此背景下，我国启动了CZ-5火箭的研制工作。此时，猎鹰9火箭尚未开展研制，重复使用、故障诊断及容错重构等创新技术尚在探索中。CZ-5火箭肩负的最重要的历史使命是要填补我国大型火箭的空白，大幅提高进入空间的能力，同时解决长征火箭急待解决的推进剂毒、航落区安全性差等问题。CZ-5火箭按照一次性使用运载火箭研制思路及准则，瞄准国家战略发展需求开展论证和研制。从1986年的首届“863计划”起，经过了长达20年的论证、预研及关键技术攻关，于2006年型号工程立项，再经10年工程研制，2016年首飞圆满成功[8]。

通过CZ-5火箭的研制，突破并掌握一大批具有完全自主知识产权的全新技术，大幅提升我国运载火箭整体技术水平，促进我国新一代运载火箭系列化和型谱化发展(见图2)；构建我国新一代运载火箭的研制体系；建成天津新一代运载火箭产业基地、亚洲规模最大的全箭振动塔等大型地面设施，带动了海南文昌航天发射场建设，使我国运载火箭的设计、制造、检测及试验等研制基础能力跨上了一个新台阶。同时带动了新材料体系、深低温工程、大型装备制造、先进检测与试验技术等基础领域技术进步，实现了我国运载火箭整体技术水平的跨越发展。

截至2021年5月，CZ-5系列运载火箭已经进行了7次发射。取得“天问一号”火星探测器、“嫦娥五号”月球采样返回探测器、载人空间站工程“天和”核心舱、新一代载人飞船试验船以及新一代大型静止轨道卫星平台等重大航天发射任务的圆满成功。后续CZ-5火箭还将在空间站建设、深空探测、大型地球同步转移轨道卫星等国家重大航天工程任务中发挥核心作用。

1.2 主要技术创新

CZ-5火箭是我国运载火箭升级换代的重大标志性工程，在研制过程中，攻克了以全新构型火箭的总体优化设计、5 m大直径箭体结构、无毒无污染低温动力等为代表的12类240余项核心关键技术，形成了5大技术创新点，实现了我国火箭运载能力和技术水平的重大跨越。

1)全新构型和总体优化技术

我国上一代运载火箭以3.35 m直径箭体结构、75 t推力常规发动机为基础，经过近50年的不断改进与发展，其运载潜力已挖掘殆尽。为满足进入空间能力成倍提升的需求，需要基于全新箭体结构和动力技术，创新火箭构型与总体方案。研制队伍通过对近千种不同的火箭级数、箭体直径、结构形式、动力组合的构型方案进行综合迭代优化，创新提出了5 m直径氢氧芯级捆绑3.35 m直径液氧煤油助推器的大型火箭构型方案。构型方案的确定综合考虑了运载火箭的技术发展趋势与特点、我国当时的技术条件与基础，以及对我国运载火箭技术发展的牵引带动作用3方面的因素。

在火箭技术发展特点方面，按照简化系统方案、提高可靠性的思路，采用了大直径少级数构型的方案进行设计。全新的构型方案充分利用助推器液氧煤油动力的大推力和高密度比冲，有效扩大火箭规模、快速穿越大气层；利用芯级氢氧动力的高性能比冲，提供高效速度增量，不但使火箭的地球同步转移轨道运载能力由5.5 t跃升至14 t，近地轨道运载能力由8.6 t跃升至25 t，同时还使得构型整体比上一代火箭减少了一级：两级半的CZ-5即可完成传统的三级半火箭的任务，一级半的CZ-5B即可完成传统的两级半火箭的任务，CZ-5B也是当今世界在役火箭中唯一一型可以一级半直接入轨的火箭(见图3)。级数的减少可减少级间分离、发动机高空起动等影响火箭飞行成败的关键环节，大幅降低系统复杂度、提高火箭飞行可靠性和经济性。

这种全新构型技术上最大的特点是：实现了大推力液氧煤油动力的助推器与小推力的氢氧芯级(芯一级本身的推重比小于1)的组合，利用助推器的大推力液氧煤油动力确保火箭的起飞推力和火箭运载规模，利于芯级的小推力、高比冲的氢氧动力的长时间工作来实现少级数，可以将两种动力各自的优势发挥到极致。但这种全新构型也带来了捆绑与传力设计、复杂力热环境预示、大质量柔性体分离、异种发动机点火安全控制等一系列火箭总体设计方面的难题。其技术本质在于如何在少级数的情况下，保证火箭有足够高的结构效率，从而确保火箭的整体性能。

为大幅提升火箭运载效率，型号创新提出了前捆绑传力(见图4)、悬挂贮箱(见图5)等技术方案。其中前捆绑传力技术，是我国首次突破大型火箭的这一核心技术。大型火箭助推器一般通过前后两组捆绑机构与芯级联接，传统火箭助推器的推力一般通过后捆绑点传递到芯级，称为后传力方案。而CZ-5火箭4个助推器的总推力超过千吨，推力从前捆绑点向芯级传递，可以使芯级大部分结构不承受千吨级的轴向载荷，是实现芯级结构轻量化、提高运载能力的关键。但前捆绑传力方案的核心技术国内空白。为此型号研制了多球铰自适应前捆绑装置，突破了复杂工况下结构大变形的自适应补偿技术，解决了传力路径长、变形协调困难的难题，有效提高了结构效率和火箭运载能力。

为了实现全箭气动外形最优，火箭采用了助推器斜头锥、冯·卡门外形整流罩等全新气动外形，解决了火箭气动特性高精度预示难题，消除了整流罩跨声速脉动压力，实现全箭横向载荷降低30%、零攻角阻力系数降低10%。

CZ-5火箭由2台氢氧发动机和 8台液氧煤油发动机地面同时点火，氢氧发动机起动过程排出大量氢气，同区域液氧煤油发动机起动时排出大量富氧燃气，直接扩散、掺混后，会形成爆燃爆轰边界很宽的混合介质，不同推进剂组元的两种发动机地面同时点火的安全控制技术在国内空白。为此建立了氢的两相流扩散掺混模型，获取了不同温度、风场下液氢排放和扩散规律；通过在外场预置富氧粒子点火源，并精确控制富氢、富氧燃气排放时序，解决了异类发动机地面同时点火的安全控制重大难题。

此外，在总体技术方面，还突破了系列化火箭构型设计技术、级间比兼容设计技术、簇式多喷管发动机尾焰作用下的尾段热环境预示与防护技术、大型低温火箭POGO抑制技术等核心技术。全新的火箭构型和总体技术的突破，是CZ-5火箭实现运载能力大幅提高、火箭减少级数、可靠性和经济显著提升的核心关键。

2)大直径箭体结构设计、制造及试验技术

CZ-5火箭采用的全新5 m直径轻量化箭体结构，是扩大火箭规模、提升运载能力的重要技术途径。我国上一代运载火箭箭体主结构最大直径为3.35 m，研制5 m直径大型箭体结构，意味着我国过去50年积累的3.35 m箭体结构设计、制造、试验、检测等方法与技术，有许多不再适用，是对整个结构研制体系的全新挑战。CZ-5火箭在设计方法上，发展了5 m直径大承载、弱刚度结构的工程设计理论和基于有限元技术的拓扑优化设计方法。在材料、工艺、制造上，首次采用高强铝合金新型材料，自动搅拌摩擦焊接、自动铆接等新工艺，全新研制了一整套适用于5 m直径结构的高精度制造装备。在试验能力上，充分利用液氮密度低、低温下材料性能提升的特点，发明了液氮介质内压检测法，解决了大型低温薄壁贮箱地面常规水压试验载荷远超飞行载荷的难题。突破了大集中力、千吨级高轴压、大弯矩和高内压载荷的多点协调平衡加载技术，首次实现了5 m直径薄壳结构千吨级静力加载试验能力。

CZ-5火箭芯一级液氢贮箱工作在-253 ℃的超低温区，容积是上一代火箭氢箱的8倍，贮箱容质比提升50%以上，贮箱最小厚度仅3.5 mm，为解决由于径厚比增大带来的结构过渡区附加应力大幅增加的难题，CZ-5火箭在国内首创了贮箱三心球冠底型(见图6)、三角形薄壁网格加筋圆筒壳结构，以及低二次应力过渡环与筒段连接结构，在贮箱主体结构采用了精细化双面应力均化、多级过渡和刚度匹配设计技术，关键焊缝应力水平降低30%以上。在制造环节，全面采用搅拌摩擦焊、悬空TIG(Tungsten Insert Gas welding)焊以及复杂曲面拉弯成型等先进技术，建立了航天大型铝合金构件搅拌摩擦焊工艺-质量-装备-标准技术体系。实现了我国大型低温薄壁贮箱设计、制造和检测技术的全面跨越。

由于采用了助推器前捆绑传力技术，助推器推力需通过助推器斜头锥可靠传递到芯级薄壁壳体，带来了在有限空间内偏置大集中载荷均匀扩散的技术难题。CZ-5火箭单点捆绑载荷近300 t，数倍于上一代火箭捆绑载荷，为此，型号创新提出了偏置大集中力载荷高效传递扩散方案，突破了传力与布局两级变构型拓扑优化和力与力矩定向解耦技术，实现了芯级千吨级集中载荷的可靠传递和均匀扩散。采用基于有限元技术的拓扑优化技术对承载大集中载荷的芯级捆绑接头进行了优化设计，设计了“两侧开叉、上端为树枝状”的结构形式，优化前、后，捆绑接头附近的氧箱局部结构上最高应力降低了200 MPa，应力分布更为均匀，用仅48 kg轻质结构，实现了300 t级大承载和高效力扩散(见图7)。针对助推器斜头锥承受单侧大集中力的特殊工况，设计了铝合金框桁-壁板-大梁铆焊混合结构，创造性地在头锥内部设置了弯矩平衡梁，大幅降低了局部弯曲应力，显著改进了结构传力路径，提高了结构效率。

3)高性能发动机及动力总体技术

CZ-5火箭采用全新无毒无污染动力系统。通过型号的研制，牵引了我国三型火箭发动机(YF-100液氧煤油发动机、YF-77大推力氢氧发动机、YF-75D膨胀循环氢氧发动机)的发展和相应的高可靠增压输送系统。

助推器的YF-100发动机，是我国首型高压补燃液氧煤油发动机，推力达120 t，是我国目前单台推力最大的液体火箭发动机。它采用高压补燃循环技术，化学点火、自身启动，发动机可以固定不摆，也可以单向或双向摆动。研制中突破了高压大流量富氧燃气发生器、高压推力室煤油冷却、大流量全进气低压比富氧涡轮、涡轮泵轴向力平衡、预压涡轮泵变螺距叶轮等一系列关键技术。使我国成为世界上继苏联后，第2个掌握高压补燃液氧煤油发动机技术的国家。

芯一级YF-77氢氧发动机是我国首个地面点火起动、推力最大、燃烧室压力最高的氢氧发动机。与我国上一代氢氧发动机相比，真空推力由8 t级跃升至70 t级、推力提高9倍，燃烧室压力提高2.5倍。这种地面点火的发动机，面临着我国传统氢氧发动机超临界起动方式不再适用的重大难题，为此在国内首次构建了针对液氢亚/超临界工况低温推进剂单相/汽液两相瞬态流动与传热、涡轮泵和燃烧室喷雾燃烧等动力学模型和数值仿真方法，提出了大推力氢氧发动机亚临界点火起动控制方案，解决了液氢亚临界工况下点火起动带来的低温流体相变流动、推力室冷却结构瞬态传热与防护、并联氢氧涡轮起旋加速匹配控制等技术难题，实现了大推力氢氧发动机在亚临界工况下的可靠安全点火起动。

CZ-5火箭芯二级YF-75D发动机是我国首型闭式膨胀循环、具有高空二次起动能力的氢氧发动机，它的成功研制，也使我国成为继美国之后，世界上第2个成功实现闭式膨胀循环氢氧发动机飞行的国家。YF-75D发动机取消了传统的燃气发生器循环的副系统，系统大幅简化，零组件数量大量减少，提高了发动机固有可靠性，比冲性能在我国火箭发动机中处于最高水平。由于采用了不依赖外能源的箱压自身起动方案，带来了初始起动能量与外界环境相关、组件间动态特性强耦合、低温流体瞬态传热影响敏感等新挑战，在国内首次构建了针对膨胀循环系统低温推进剂单相/汽液两相瞬态流动与传热、涡轮泵起旋爬升动特性、推力室喷雾燃烧等仿真分析模型，创新提出了利用推力室夹套热容作为初始起动能源的自身起动控制方案，解决了闭式膨胀循环发动机推力室混合比控制、点火工况与加速性匹配等起动技术难题，实现了膨胀循环发动机高空两次可靠点火起动和稳定工作。

CZ-5火箭共配置12台低温发动机，起动前需将发动机的相应结构预冷至液氢、液氧温区，以满足安全点火条件。传统的排放预冷方案由于存在射前预冷与补加流程嵌套，保证多台低温发动机同时满足并在各种边界条件下均能可靠维持预冷条件非常困难。CZ-5火箭首次采用了基于永磁同步电机液氢循环泵驱动和氦气引射循环的循环预冷方案(见图8)，攻克了超低汽蚀裕度的氢循环泵、常温氦气与低温推进剂多相流引射与控制、低温长输送管涌泉抑制等关键技术，通过在发动机与贮箱间建立低温推进剂循环流动的方法，实现了3种、12台低温发动机充分预冷并可靠维持，大幅提升了大型低温火箭发射适应性。

4)高可靠控制与大容量遥测技术

CZ-5火箭的全新构型，需助推器和芯级发动机联合摆动，以满足姿态控制需求，其难度在于：一是全新的助推与芯级发动机联合摇摆控制方式，是中国长征火箭的首次，传统的姿态稳定系统设计，是将箭体的弹性特性简化为三通道解耦的单纯弯曲或扭转振动，而以CZ-5火箭为代表的新一代运载火箭由于助推器长度大、质量占比大、且前后捆绑点的跨距大使得全箭动特性呈现低频模态密集、空间耦合交联严重、助推器局部模态显著的复杂特征，传统的火箭弹性特性建模方法及姿控稳定性设计和验证方法的适用性需要重新审视和研究；二是由于助推器发动机推力占总推力90%(传统火箭占比不超过50%)，助推发动机关机时全箭控制力矩瞬时下降超过90%、干扰相比传统火箭增大10倍以上，控制对象特性、控制力及干扰的瞬态变化程度均数倍于传统火箭；三是5 m直径结构及全新捆绑传力体系，造成全箭模态特性复杂、低频模态密集、空间交联耦合严重，相对传统火箭，刚晃弹稳定控制难度大幅增加。

CZ-5火箭是我国新一代运载火箭中最早立项研制的，为解决这些难题，在国内首次采用了助推器和芯级发动机联合摇摆姿态稳定控制方案，提出了基于空间模态的姿态动力学耦合建模方法，并在国内首次应用柔性多体动力学虚拟样机的方法进行了有效验证，系统突破了惯性敏感元件选位、发动机-伺服系统小回路精确模型、摆助推控制稳定性分析等方法理论，掌握了大型液体运载火箭摆助推控制这一关键技术。提出了助推器发动机和芯级发动机控制力动态分配技术，实现了助推器发动机关机时推力瞬间大幅下降情况下的姿态稳定控制。

同时，CZ-5火箭在国内首次提出了运载火箭基于1553B总线的系统级冗余体系框架，构建了基于异类惯组信息的三惯组、双速率陀螺、冗余总线、具有高可靠动态重构能力的CZ-5火箭控制系统方案，相比于传统的冗余技术，通过采用三惯组加表和陀螺、速率陀螺的立体矩阵式健康管理技术，可快速完成多维度加表和陀螺的故障判断、隔离与重构，可在线规划的表级冗余重构方案达700余种，火箭控制系统的鲁棒性及惯性器件故障适应能力大幅增强。

CZ-5火箭测量参数由我国上一代火箭约1 000路提高到5 500路，遥测总容量从4 Mbps提高到15 Mbps，单点频遥测容量从2 Mbps提高到10 Mbps，需要确保火箭在任意姿态下的遥测信息全向发送与接收，面临无线传输距离显著下降、5 m直径箭体S、C波段全向绕射难题。针对上述难题，采用了TPC乘积码与MSD多符号检测组合调频遥测增强技术，实现了相同码速率条件下无线传输距离提高2.5倍；创新采用弯曲振子天线与十字交叉振子两种不同极化天线组合形式，在国内首次实现了5 m直径箭体的全向高增益天馈系统。

5) 全新的测试发射模式和发射支持技术

为了提高发射可靠性、测试发射效率和自动化程度，以及低温加注后人员的安全性，同时更好地适应海南的特殊气候气象条件，CZ-5火箭首创了“在活动发射平台内部集成了地面测发控前端设备的三垂”测发模式，其特点是火箭进场后便直接在发射台上完成组装和箭地连接，在垂直技术厂房完成测试后，保持箭地接口状态直接垂直转运到发射区完成发射，大幅简化发射区测试操作，缩短在发射区的准备时间，可有效应对滨海发射场极端气象条件多发、影响发射可靠性等问题。这种新的三垂测发模式方案成功在后续的CZ-7、CZ-8等新一代中型运载火箭中推广应用。

2 000 t级活动发射平台是我国目前规模最大、功能最复杂、集成度最高的活动发射平台(见图9)，首次集成了支承、行走、供配电、供配气、供液、垂直度调整等30余项系统功能及上千套地面测发设备，实现了火箭在发射场测试发射全流程箭地接口无间断连接。火箭起飞时刻10台发动机同时点火，发射台需承受的力热环境严酷度远超上一代火箭。面临着超高温、强振动、高噪声等极端严酷力热环境下可靠、安全发射难题。为此发明了基于多点支撑并带有脐带塔摆杆的活动发射平台、大流量喷水降温降噪系统、大流量氢气快速安全处理系统等，攻克了复杂环境下多学科高度集成总体优化、2 000 t平台毫米级高精度行走自动定位、非线性多目标多约束条件下的12点高精度调平、严酷力、热环境控制与防护、大流量喷水降温降噪等关键技术，成功研制了国内技术最先进、承载能力最强、系统构成最复杂、集成度最高的活动发射平台，实现了我国运载火箭测发控模式和活动发射平台技术跨越发展，达到国际先进水平。

通过CZ-5火箭的研制，我国运载火箭在总体方案、先进动力、轻质高强结构、高可靠电气和高安全发射支持技术等方面取得重大进步，火箭整体技术水平进入世界同类火箭的先进水平行列，见表1，带动了我国新一代运载火箭的型谱化和系列化发展，为我国运载火箭后续发展奠定了坚实基础。

表1 CZ-5火箭运载能力与国内外大型火箭对比(折算到标准GTO轨道)Table 1 Comparison of LM-5 carrying capacity with large rockets at home and abroad (converted to standard GTO orbit)

CZ-5火箭已成功应用于月球采样返回、火星探测、载人空间站工程、新一代大型静止轨道卫星平台等重大航天工程，为我国月球探测、行星探测、载人空间站等重大专项工程的实施奠定了重要技术基础。

2 我国运载火箭技术未来发展展望

2.1 世界运载火箭技术最新发展

随着航天发展对运载火箭在运载能力、可靠性、经济性、使用灵活性和便捷性方面需求的不断增加，同时重复使用、新动力、新材料、人工智能等新技术的蓬勃发展，世界运载火箭技术在近年来取得了长足的进步。

1)在总体技术方面，通过重复使用技术的应用，有效降低了进入空间成本，提高市场竞争力。重复使用技术已成为运载火箭发展的重要方向，以SpaceX公司猎鹰9火箭为代表，从2015年12月22日首次实现了陆上垂直回收以来，猎鹰9火箭实现了单一一级模块11次复用，中转周期最短为27 d，垂直起降回收技术已完全成熟，并取得了商业上的巨大成功[9-12]。智能技术的快速进步为运载火箭技术发展带来了新动能，全生命周期数字化管理、基于数字样机的虚拟设计、快速生产制造、智能飞行和自主返回控制等技术不断取得突破[13-16]。

2)在箭体结构设计与制造技术方面，随着计算技术的发展，载荷、布局及结构逐渐由传统的串行设计转变为快速迭代优化设计，如通过发动机推力结构与箭体结构一体化设计，实现壳段或贮箱箱底传力，提高结构效率；先进材料应用上，各国不断发展铝锂合金和复合材料轻质结构技术，从而降低结构系数；制造工艺上，广泛采用以搅拌摩擦焊、3D打印等为代表先进成形工艺技术[17-19]。

3)在先进动力技术方面，不断发展高性能液氧甲烷、液氧煤油和氢氧发动机技术，美国的梅林-1D液氧煤油发动机推重比高达185，RL-10B氢氧发动机真空比冲达到465 s，SpaceX公司研发猛禽液氧甲烷发动机采用全流量补燃循环，真空比冲超过370 s，室压最大可达到33 MPa，推重比不小于200，节流范围约45%～100%，设计重复使用次数不小于50次[20-21]。

4)在先进测试发射技术方面，各国均在开展快速测试发射技术研究，发展电气系统智能化机内测试技术、先进地面测发控技术、智能化故障诊断技术以及并行测试技术等诸多关键技术，实现运载火箭快速、可靠进入空间[22]。

2.2 存在的差距与不足

以CZ-5火箭为代表的中国新一代运载火箭，其技术方案及进步，主要基于当时运载火箭技术发展特点，以提升进入空间能力、可靠性和环境友好性作为主要研制目标。新一代运载火箭的成功研制，相比我国上一代火箭，在上述几方面均取得了较大进步，包括运载能力实现了成倍提升、火箭飞行可靠性达到0.98的国际先进水平、采用了无毒无污染推进剂技术等等。但对比国外运载火箭技术最新发展，我国运载火箭技术水平仍存在较大差距：

1)在进入空间能力方面存在明显差距。我国通过CZ-5系列火箭，实现了近地轨道运载能力25 t、地球同步转移轨道运载能力14 t，但猎鹰9重型火箭近地轨道运载能力63.8 t，美国正在研制的重型运载火箭太空发射系统和“超重-星舰”，近地轨道运载能力分别为130 t和100 t。

2)在先进技术应用方面存在较大差距。以美国SpaceX公司的猎鹰9火箭为代表，垂直起降重复使用等技术在运载火箭上的应用逐渐成熟，有效降低了单位质量载荷发射成本。而我国在重复使用等领域仍处于关键技术攻关及验证阶段，距离实现工程应用仍存在一定差距。另外，国外运载火箭近地轨道运载效率最大可达4%，而我国目前运载效率最高的CZ-5B火箭仅为2.9%；同时我国运载火箭普遍存在测试发射操作复杂、自动化测试程度低、测发流程长等问题。

3)火箭型谱及综合性能仍存在差距。目前国外主要航天研发机构和商业公司，均提出了下一代主力运载火箭研制计划，均以降低发射成本、提升任务灵活性和适应性作为主要目标，不再仅仅追求性能指标的提升，包括美国的火神(Vulcan)、新格伦(New Glenn)，俄罗斯的联盟5，欧洲的阿里安6和日本的H3火箭等。各国新研制运载火箭均向着型谱简化、模块精简的目标发展，而我国主战场运载火箭型谱明显偏多、模块化程度不够、运载效率偏低、使用维护性也有待提升。

2.3 未来发展展望

运载火箭仍是人类目前，乃至未来相当长一段时间进入空间的主要方式，对标国际运载火箭先进水平，我国后续发展重点是构建高性能、高可靠的运载火箭体系，构建完备的重型及大、中、小型运载火箭型谱，能力覆盖全面，竞争优势突出。一是需加快推进新一代运载火箭升级换代，并通过提升模块化程度、产业化水平，实现经济、快速、高效进出空间；二是推动新一代载人运载火箭和重型运载火箭研制，近地轨道运载能力达到百吨级、且具备重复使用能力，填补我国重型运载火箭领域的空白，支撑我国完成载人登月、月球科研站建设、载人登火等标志性工程建设。

为了推进我国运载火箭技术更好、更快发展，需要重点开展以下几方面研究：

1)在研制模式方面，加快推进运载火箭设计理念转型，在继承的基础上，有针对性地改进传统的设计流程、分工及方法，开展运载火箭精细化设计规范与技术研究，重点围绕长期制约液体运载火箭总体性能提升的量化标准不够精细、偏差余量大、设计理念保守、一体化融合设计不足等瓶颈问题开展研究，发展并建立液体运载火箭一体化协同优化、基于概率设计、载荷精细化设计、复杂环境优化设计等先进方法，构建运载火箭精细化设计的研制体系和标准规范，有效释放设计余量，提升运载火箭整体技术水平。

2)在总体技术方面，推进总体多专业一体化协同优化设计、载荷精细化设计、复杂力热环境精细化预示与设计等技术发展，提升运载火箭总体设计水平；推进在线故障诊断与容错重构、智能飞行与评估等技术的应用，实现对重要单点产品的健康评估及管理，提升火箭故障适应性和可靠性；推进重复使用关键技术的突破和工程应用，降低进入空间成本，满足未来大规模、经济、可靠进入空间需求[23-25]。

3)在火箭箭体结构设计与制造方面，推进结构设计准则升级和结构精细化设计转型；推进高强度、高模量金属材料、复合材料等先进材料的研究与工程应用，提升火箭结构效率水平；开展新型强度设计与仿真理论研究，提高结构设计精细化水平；加快推进激光增材、柔性制造等先进工艺的应用，构建先进航天制造能力体系[26-27]。

4)在高性能动力技术方面，持续推进现有的YF-100、YF-77和YF-75D等发动机的改进提升，提高发动机的可靠性、使用维护性和综合性能指标，打造精品；加快推进液体火箭发动机型谱论证，明确下一代液体火箭发动机技术发展方向，加快下一代高性能火箭发动机的研制工作，满足重型运载火箭和下一代中大型运载火箭的使用需求；同时，积极开展顶层规划，瞄准未来需求，发展高性能固体发动机技术[28-29]。

5)在先进测试与发射方面，推进智能化无人测试发射技术应用研究，开展远程智能测试、自主箭测与闭环动态测试、无线传输、无线传能等技术应用研究，提升火箭使用维护性、缩短测试发射周期，增强我国运载火箭的任务适应能力和市场竞争力[30-31]。

3 结束语

CZ-5火箭是我国运载火箭升级换代的标志性重大工程，以它为代表的我国新一代运载火箭的成功研制，大幅提升了我国自主进入空间能力，是我国由航天大国迈向航天强国的重要标志。目前我国运载火箭技术相比国外先进技术水平仍存在一定的差距，需通过科学规划，在运载火箭精细化设计、重复使用、智能飞行与控制、轻质化结构设计与制造、高性能火箭动力和先进测试与发射等技术方面持续发展，提升火箭的运载能力、可靠性、经济性和适应性，支撑航天强国建设目标的实现，为我国的国民经济建设和国防建设贡献航天的智慧和力量。