运载火箭“三化”策略研究

李国强 郭凯 徐岩

关键词：运载火箭，通用化，系列化，组合化

0 引言

“三化”是通用化、系列化、组合化的简称。其中，通用化是最大限度地扩大同一单元使用范围的标准化形式，即通过选定或研制具有结构和功能互换性的通用单元并将其应用于互相独立的新研系统以满足其需求；系列化是根据同一类产品的发展规律和使用需求，将其主要参数按一定数列合理安排或规划，并对其型式和结构进行规定或统一，从而有目的地指导同类产品有序发展的标准化形式；组合化是重复利用通用单元（通用模块）并补充研制部分专用单元（专用模块），拼合成满足不同需求的新功能产品的标准化形式。实践表明，“三化”是降低产品研制费用和研制风险的重要选择，是缩短研制周期、延长产品有效寿命的重要措施，是提高产品质量和使用效能的有效途径[1-2]。

运载火箭是确保人类进入空间，利用空间，开展航天活动的重要前提和基础。采用“三化”设计思想和应用方法，系统提升运载火箭的可靠性和适应性，是运载火箭实现高质量发展的有效方式和必然选择。运载火箭通用化中“通用单元”可以指分系统、设备、组件、零部件、元器件、原材料甚至软件。运载火箭系列化工作内容包括运载火箭参数系列化、运载火箭系列型谱及开展运载火箭系列设计等。运载火箭的组合化（模块化）是以运载火箭系列化为目的，规划模块的系列化，通过开发系列化的通用模块，以不同的组合方式来满足不同的市场需求；同时，利用先进技术成果优化设计模块，应用于现有运载火箭的改进，提高性能和可靠性[3]。

1 国外运载火箭“三化”调研分析

从1957年前苏联使用东方号运载火箭发射人类第一颗人造卫星至今，世界运载技术已走过了60多年的发展历程。美国、俄罗斯、欧洲、日本等国家和地区先后研制了宇宙神系列、德尔它系列、土星系列、质子号系列、阿里安系列、H系列等数十种运载火箭，运载能力逐步增强，发射成本不断降低，可靠性大大提高。各国为适应新的发射市场的需求对运载火箭不断推陈出新、优化组合，努力以最少的型号品种系列规格满足多种发射任务的需求，提高运载火箭对多种有效载荷的适应性，从而占领世界运载发射服务市场，这些都体现着“三化”思想的具体应用。

1.1 技术特点梳理

通过梳理国外运载火箭研发过程，主要体现如下特点：

（1）继承性和拓展性是国外研制运载火箭的重要原则。美国宇宙神5系列火箭的研制充分继承了宇宙神1、宇宙神2和宇宙神3的优点，尽量使用经过飞行验证的硬件，如芯级发动机、半人马座上面级、卫星支架以及有效载荷整流罩。德尔它4系列火箭大量使用通用部件和经过德尔它2、德尔它3飞行验证的技术，RS-68发动机充分继承RS-25D发动机成熟技术和工艺。欧洲、日本、俄罗斯的运载火箭研制也充分继承了前期取得的成熟技术和经过飞行考核的部件。在此基础上的拓展主要通过三种模式：捆绑不同数量整体式固体发动机/大型分段式固体发动机、芯级增加发动机、与不同上面级配合。

（2）近地轨道（L E O）/地球同步转移轨道（GTO）是运载火箭的主要目标轨道。统计20世纪90年代至2019年航天发射市场，发射载荷主要集中于三个方向：用于通信、导航、气象、对地观测等的大型、功能强、长寿命GTO卫星，用于小型组网星座的中低轨道卫星，空间站等LEO大型空间设施。

（3）任务通用型是主体，两级/两级半构型是首选。美国新一代运载火箭以宇宙神5、德尔它4和猎鹰9三个系列火箭为主，定位中大型载荷，采用通用芯级助推器+固体助推+上面级模式。欧空局新一代运载火箭定位大型载荷，选用两台大固体助推+氢氧芯一级+不同上面级模式，实现LEO 16～21 t、GTO 5.9～12 t运载能力覆盖。日本新一代运载火箭定位中小型、中大型载荷全覆盖，选用固体助推+氢氧芯一级+上面级模式，实现LEO 10～16.5 t、太阳同步轨道（SSO）4.4 t、GTO3.7～8.5 t运载能力覆盖。俄罗斯定位小型、中型、大型载荷全覆盖，选用液体通用芯级助推+上面级模式，实现LEO 2～24.5 t，GTO 2.4～6.8 t运载能力全覆盖。基于现有动力和基础工业水平，新一代运载火箭首选两级/两级半构型，美、俄以两级构型单芯级火箭实现全轨道中、小载荷发射，两级半构型支持中大型、重型载荷发射。

1.2 发展趋势分析

随着各航天大国科技水平的不断进步，航天应用产业不断成熟，为满足多种航天发射需求，国外运载火箭的发展趋势包含以下几个方向。

（1）一次性运载火箭仍将占据航天运输系统的绝对主导地位。美、俄、歐、日等主要航天国家和地区都建立了比较完整的运载火箭型谱和体系，基本完成更新换代。各航天大国的新型运载火箭一般采用大直径芯级和无毒推进剂，中型和大型运载火箭多捆绑大型固体助推器，实现较大的推力和运载能力，基本上可以发射各种类型、质量的有效载荷，运载火箭的模块化、通用化水平大幅提高。

（2）大力发展实现空间系统快速部署的运载工具，小型运载火箭是主要的技术实现方式。提高可靠、快速、灵活进入空间的能力，是主要航天国家追求的目标，现阶段主要的技术实现方式是研制快速发射的小型运载火箭。目前主要集中于美、俄两国，多是基于常规运载火箭改装而研制的，以液体和固液混合推进剂为主，发射平台以陆基和空基机动为主。目前，美国在已有“飞马座”运载火箭基础上研制的内置抛投式“快速抵达”火箭和俄罗斯在研的“飞行号”等均为空射型运载火箭。

（3）重型运载火箭和空间组装技术得到重视和发展。为应对载人登月，以及更远的载人深空探测等大型有效载荷的发射需求，重型运载火箭的研究和空间组装火箭的技术都将得到充分应用。

（4）动力系统向无毒环保和低成本方向发展，液氧煤油和液氧液氢发动机组合将是运载火箭动力系统的发展趋势和最佳选择。

2 国内运载火箭“三化”现状

我国长征系列火箭发展成为由多种型号组成的大家族，已经拥有退役、现役共计4代20余种型号。

长征火箭具备发射低、中、高不同地球轨道不同类型卫星及载人飞船的能力，并具备无人深空探测能力。LEO运载能力达到25 t，SSO运载能力达到15 t，GTO运载能力达到14 t。截至2023年7月23日，长征系列运载火箭已发射479次，成功率达到96%以上。长征系列运载火箭设计和后续改进，充分贯彻运用了“三化”思路。

（1）系列化设计理念贯彻始终。以长征三号甲系列火箭为例，其方案设计时就始终贯彻了系列化的思想，使得火箭具有良好的继承性和通用性。其设计思路为：在长征三号火箭的基础上进行改进，重新研制其三子级；在火箭的一子级周围捆绑助推器；首先研制作为芯级的长征三号甲，再研制带4个助推器的长征三号乙，最后研制带2个助推器的长征三号丙[4]。

（2）新型号火箭研制充分考虑模块化设计。以长征五号、长征七号为代表的新型现役运载火箭，设计贯彻了“一个系列、两种发动机、三个模块”的“三化”发展思路。通过5 m芯级模块、通用3.35 m模块和2.25 m模块的不同组合，满足发射不同轨道和不同有效载荷的需要[5]。

（3）通过贯彻模块化、系列化的发展思路，运载火箭研制周期不断缩短。长征三号甲火箭立项研制到首飞是8年时间，长征二号F从立项到首飞是7年时间，而长征八号运载火箭从立项研制到首飞仅用了3年时间。同时，长征三号甲等老型号系列火箭通过制定通用单机产品型谱及配套产品规范等手段，不断提升单机产品通用化水平、研制管理水平、批生产能力和对任务调整的适应性，运载火箭发射效率得到显著提高。长三甲系列的发射能力从年均8发提升到了14发的水平，单发火箭的研制周期，从原来的3年缩短至1年。

（4）新型号虽然不断采用先进的设计技术，但通过“三化”设计确保了运载火箭在设计过程中技术状态的受控和设计的正确性、可靠性，保证了发射成功率。截至2023年7月末，新型在役运载火箭共发射50余枚，发射成功率不亚于成熟型号。

面对新时期运载火箭高质量发展要求，目前长征系列运载火箭还存在着运载能力重复、构型偏多等问题；对于作为承载功能性能实现基本单元的运载火箭单机产品，品种繁多、规格繁杂、标准繁复的局面日益凸显，对现有运载火箭性能提升和后续新型运载火箭研制形成了制约。

3 运载火箭“三化”策略设计

运载火箭“三化”工作实施推进，要以单机产品型谱和统标统型工作为落脚点。一方面开展单机型谱编制，对过去产品进行整理，对后续产品做出规划，以指导今后发展。另一方面，在单机产品型谱规划和产品状态梳理基础上，以已具备统型基础的单机产品为突破口，严格选标用标，规范依标认证，将“统标统型”要求落实到运载火箭科研生产全流程，切实提高运载火箭“三化”水平。

3.1 运载火箭产品型谱化

（1）产品型谱体系建设

产品型谱制定就是对某一类产品，依据型号需求和专业技术发展，研究并充分协调，提出科学合理的产品规格设置，形成该类产品型谱。产品型谱体系建设通过建立系统、分系统、单机、部组件型谱协同制定机制，逐步建立并完善涵盖不同产品层级、产品规格间隔合理的产品型谱体系。具体是首先开展运载火箭基本型型谱研究工作；并根据产品特点，开展分系统的通用化研究；制定单机/部组件产品清单编制指南，梳理运载火箭所有单机/部组件产品，筛选出通用单机/部组件产品，建立型谱工作对象产品清单。

（2）产品成熟度提升与评价

研究惯性测量产品、火工品、地面设备等运载火箭产品成熟度模型，建立包括系统、单机、部组件、软件产品成熟度的模型体系。开展型谱单机产品成熟度提升工作，强化产品各配套层级和生产过程的合格率分析，并将分析结果应用于产品的改进升级。

（3）产品货架建设与货架产品管理

产品货架建设指研究形成统一的运载火箭货架体系和产品进出货架准则；在完成型谱产品研制、成熟度提升与评价等工作基础上，经过评审后符合要求的产品纳入货架产品目录，并编制产品应用手册，对进入货架的产品的技术状态进行严格控制。货架产品管理指依据产品进出货架准则，定期对货架产品目录进行更新升级，对技术落后、后续没有需求以及发生重大质量问题的产品进行淘汰，对满足标准的新产品及时纳入货架产品目录；并对货架产品开展组织级验收。

（4）型谱产品与货架产品选用

型谱产品与货架产品选用指在新型运载火箭立项时提出型谱产品与货架产品选用方案，编制产品选用报告，在方案评审时同步进行产品选用评审。选用應坚持以下原则：优先选用成熟度较高的货架产品；货架产品无法满足需求的，优先选择型谱内产品；严格控制型谱外产品选用。具体而言应首先开展型谱产品与货架产品选用策划，制定并发布产品选用管理和控制要求；然后选取典型产品和典型型号，按照选用管理和控制要求，组织开展产品选用试点工作。

（5）先进产品型谱化开发与产品升级换代

先进产品型谱化开发与产品升级换代是指在现有产品基础上，为满足更高的应用需求和先进性要求，采用或者部分采用新体制、新原理、新方法、新技术、新材料、新工艺等以型谱化的思路研制性能、功能有显著提高的新产品。先进产品型谱化开发与产品升级换代项目要以产品型谱为主要依据，开展关键技术规划和攻关，形成可供选用的通用产品。

3.2 运载火箭产品统标统型

运载火箭产品涉及品种规格数据庞大，研制采购管理和市场供应体系协调难度大，相关工作需要聚焦统标统型的难点问题，做好规划。

（1）与型谱编制工作相结合

需要全面分析运载火箭装备相关产品采标数据，开展基础产品分级分类合格评定，在已经建立的“产品谱系”和“产品优选目录”基础上，统一产品规范和验收标准，引导市场形成货架式系列产品，进行动态持续的管理监督，优化整个产品合格评定制度。

（2）完善基础产品统标统型标准依据

积极编制运载火箭统标统型管理标准和基础产品标准，在运载火箭分类命名等基础标准、产品型谱标准、选用要求标准、采购要求和管理标准等方面进行统一，为统标统型提供标准依据。

（3）开展统标统型技术研究

对统标统型工作中的关键问题，例如产品形状与配合、功能、互换性等指标的梳理优选问题，开展相应的关键技术研究，结合运载火箭研制过程中的各类经验，提出技术解决方案。

（4）形成统标统型长效机制

将运载火箭统标统型相关要求纳入武器装备科研生产行政许可和装备承制单位资格审查流程中，形成长效可控的统标统型机制。

3.3 运载火箭研制过程“三化”监督

鉴于运载火箭研制的复杂性、重要性及故障后果的严重性，应开展从总体与分系统、设备直至原材料、元器件的多层级，从立项、方案证论、初样、试样、发射应用等不同阶段，在设计、试制和试验不同環节上，有使用方直接监督的多层次、全过程、全方位的“三化”监督；完善形成“三化”实施监督规章制度体系和工作队伍体系；结合里程碑节点的标准化审查与标准化评估，以“研制总要求——标准化大纲——‘三化方案——标准化工作——考核验证——标准化审查——状态鉴定——标准化专项评估——产品定型”为主线，在不同阶段以“三化”工作检查、“三化”工作评审，以及行政监督检查、货架产品认证检查和验收检查等“三化”工作专项核查等多种方式开展。

3.4 运载火箭“三化”评估

设计涵盖“三化”规划与保障、“三化”产品选用、“三化”资源开发、“三化”设计和“三化”使用评价等评估维度，包括“三化”组织与管理、型谱产品选用率、货架产品选用率、通用产品规范制定、“三化”资源数据库建设等指标要素的运载火箭“三化”评估指标体系；综合基于专家经验的定性方法和基于数理统计的定量方法，科学确定各指标权重，建立运载火箭“三化”评估模型与评估机制。

4 结语

本文以分析运载火箭“三化”作用意义为切入点，基于国内外运载火箭“三化”发展现状与趋势，设计提出了以运载火箭产品型谱体系建设和“统标统型”为重点，涉及策划、实施、监督、评估的运载火箭“三化”策略，可为后续新型运载火箭产品论证与研制以及现有运载火箭的改进提供参考，以期有助于推动我国运载火箭的系列化和产业化发展。