我國重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

龍樂豪 王國慶 吳勝寶 馬婷婷 牟宇（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院）

龍樂豪

1 前言

重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)是可多次往返于地面與空間軌道、多次重復(fù)使用的航天運(yùn)輸系統(tǒng)，具有“自由進(jìn)出空間、按需返回地面、多次可重復(fù)使用”的典型特征，是降低航天發(fā)射成本、提高安全可靠性的理想運(yùn)輸工具[1]。重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)具有廉價(jià)、快速、機(jī)動(dòng)、可靠等特點(diǎn)，是航天運(yùn)輸系統(tǒng)的重要發(fā)展方向[2-3]。

20世紀(jì)50～60年代以來，以美國為代表的航天大國就一直在開展重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)的概念和技術(shù)研究，研發(fā)了以航天飛機(jī)為代表的一系列重復(fù)使用運(yùn)載器，取得了大量研究成果[2]。近年來，X－37B、獵鷹－9火箭的研制成功以及重復(fù)使用，再次鼓舞各航天大國研發(fā)重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)的激情，掀開了人類重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展歷史上的新一頁。

對于我國而言，在50多年航天運(yùn)輸技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)，將實(shí)現(xiàn)我國航天運(yùn)輸由一次性使用向重復(fù)使用的重大跨越，大幅提升我國進(jìn)出空間的能力，為有效利用空間提供支撐；也將加速航空航天技術(shù)的深度融合，帶動(dòng)超高溫輕質(zhì)材料、先進(jìn)空天動(dòng)力等高新技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。

我國從20世紀(jì)80年代開展小型航天飛機(jī)論證以來，一直在開展重復(fù)使用航天運(yùn)輸技術(shù)的研究[2]。經(jīng)過幾十年的研究，逐步形成了適合我國具體國情的重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展路線，并在發(fā)展路線的指導(dǎo)下，相關(guān)技術(shù)獲得快速發(fā)展。尤其“十二五”以來，我國在火箭構(gòu)型重復(fù)使用、升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用、組合動(dòng)力重復(fù)使用等三種技術(shù)途徑上，均取得了重要技術(shù)進(jìn)展，為后續(xù)的工程研制及應(yīng)用奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

2 發(fā)展路線

發(fā)展目標(biāo)

我國重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展總目標(biāo)是形成廉價(jià)、快速、安全、可靠的進(jìn)出空間運(yùn)輸工具，支撐未來大規(guī)模利用空間任務(wù)的實(shí)施，推動(dòng)空間應(yīng)用產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

技術(shù)途徑及特點(diǎn)分析

經(jīng)過幾十年發(fā)展，重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)形成了火箭構(gòu)型重復(fù)使用、升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用、組合動(dòng)力重復(fù)使用三種典型的技術(shù)路徑[1]。

火箭構(gòu)型重復(fù)使用運(yùn)載器的特點(diǎn)是軸對稱構(gòu)型，使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，通過降落傘、垂直返回等方式回收?；鸺龢?gòu)型重復(fù)使用的技術(shù)基礎(chǔ)相對較好；垂直返回會(huì)損失運(yùn)載能力。

升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用運(yùn)載器的特點(diǎn)是采用面對稱翼身組合體升力式構(gòu)型，使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，兼具航空器和航天器的特點(diǎn)，能夠垂直起飛、水平著陸，具有大空域（0～200km）、寬速域（馬赫數(shù)0～28）飛行能力。

組合動(dòng)力重復(fù)使用運(yùn)載器是指基于組合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)（RBCC、TBCC、ATR、Trijet）的運(yùn)載器，技術(shù)特點(diǎn)是組合動(dòng)力技術(shù)難度大，起降靈活，高比沖，高效率，適應(yīng)大空域飛行。

我國重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展思路圖

發(fā)展思路及步驟

縱觀重復(fù)使用航天運(yùn)輸技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展情況，并基于對各類技術(shù)發(fā)展的分析研判，提出適合我國具體國情的重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)戰(zhàn)略發(fā)展思路：從部分重復(fù)使用到完全重復(fù)使用、從火箭動(dòng)力到組合動(dòng)力、從兩級入軌到單級入軌。

第一階段，實(shí)現(xiàn)火箭動(dòng)力部分重復(fù)使用工程應(yīng)用，主要依托火箭構(gòu)型重復(fù)使用一級、升力式重復(fù)使用運(yùn)載器一級。這一階段主要是以解決運(yùn)載火箭航/落區(qū)安全問題、初步實(shí)現(xiàn)低成本綠色航天為目標(biāo)，以火箭構(gòu)型重復(fù)使用為切入點(diǎn)，推動(dòng)現(xiàn)有型號(hào)更新?lián)Q代。

第二階段，實(shí)現(xiàn)火箭動(dòng)力完全重復(fù)使用工程應(yīng)用，主要依托完全重復(fù)使用運(yùn)載火箭、升力式兩級重復(fù)使用運(yùn)載器。這一階段以提升快速、廉價(jià)、安全進(jìn)出空間能力，實(shí)現(xiàn)航天運(yùn)輸系統(tǒng)完全重復(fù)使用和航班化運(yùn)行為目標(biāo)，以火箭動(dòng)力、兩級入軌、水平著陸的完全重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)為發(fā)展重點(diǎn)，推動(dòng)航天運(yùn)輸由一次性使用向重復(fù)使用的創(chuàng)新與跨越。

第三階段，組合動(dòng)力重復(fù)使用具備應(yīng)用能力。這一階段以實(shí)現(xiàn)不依托發(fā)射場的更加便捷、快速、重復(fù)進(jìn)出空間能力為目標(biāo)，以組合動(dòng)力、水平起飛、水平著陸的重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)為發(fā)展重點(diǎn)，推動(dòng)自由進(jìn)出空間能力的形成，使我國站在該領(lǐng)域的世界前列。

基于戰(zhàn)略發(fā)展思路及步驟，我國重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展路線將按照火箭構(gòu)型重復(fù)使用、升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用、組合動(dòng)力重復(fù)使用三條技術(shù)途徑同步開展研究，梯次形成能力。

重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)的三條技術(shù)途徑發(fā)展路線圖

3 發(fā)展現(xiàn)狀

技術(shù)基礎(chǔ)

我國運(yùn)載火箭起步于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過50多年的發(fā)展，我國“長征”（CZ）系列運(yùn)載火箭型譜比較完備，具備發(fā)射低、中、高不同軌道，搭載不同有效載荷的能力。目前，我國有長征二號(hào)C、長征二號(hào)D、長征二號(hào)F、長征三號(hào)A、長征三號(hào)B、長征三號(hào)C、長征四號(hào)B、長征四號(hào)C等8型在役運(yùn)載火箭，有長征五號(hào)、長征六號(hào)、長征七號(hào)、長征十一號(hào)等4型新一代運(yùn)載火箭，有遠(yuǎn)征一號(hào)（YZ－1）、遠(yuǎn)征一號(hào)A、遠(yuǎn)征一號(hào)S、遠(yuǎn)征二號(hào)、遠(yuǎn)征三號(hào)等5型液體動(dòng)力上面級火箭。此外，我國正在開展長征九號(hào)重型火箭等5型運(yùn)載火箭的研制工作，研制成功后將進(jìn)一步增強(qiáng)我國進(jìn)入空間能力。

我國8型在役運(yùn)載火箭

4型新一代運(yùn)載火箭相繼于2015、2016年成功首飛，將我國近地軌道運(yùn)載能力由8.6t提升至25t，使我國火箭的運(yùn)載能力進(jìn)入世界前列；5型液體動(dòng)力上面級火箭具備長時(shí)間在軌、多次起動(dòng)、自主控制能力，提升了軌道轉(zhuǎn)移運(yùn)輸、軌道部署等任務(wù)的適應(yīng)性。

我國已經(jīng)首飛成功的4型新一代運(yùn)載火箭

我國5型液體動(dòng)力上面級火箭

盡管與美國、俄羅斯的火箭發(fā)射總次數(shù)相比，我國的運(yùn)載火箭發(fā)射總次數(shù)仍有很大差距，但近年來我國的火箭發(fā)射次數(shù)已經(jīng)和美國、俄羅斯在同一個(gè)水平。2018年，中國運(yùn)載火箭發(fā)射39次（其中包含“長征”37次），位居世界第一。

“長征”系列火箭是我國進(jìn)入空間的主體力量，截至2019年6月5日，我國“長征”系列運(yùn)載火箭發(fā)射306次，發(fā)射成功率96%?！伴L征”系列運(yùn)載火箭第一個(gè)百次發(fā)射用時(shí)37年，年均2.7次；第二個(gè)百次發(fā)射用時(shí)7.5年，年均13.3次；第三個(gè)百次發(fā)射用時(shí)4.25年，年均23.5次。進(jìn)入“十二五”以來，“長征”系列火箭高密度發(fā)射實(shí)現(xiàn)常態(tài)化，2016－2018年平均發(fā)射26.3次/年。

2019年4月20日，長征三號(hào)甲系列火箭實(shí)現(xiàn)100次發(fā)射，成為我國首個(gè)發(fā)射次數(shù)超百次的火箭型號(hào)。

我國運(yùn)載火箭技術(shù)的發(fā)展為航天技術(shù)提供了廣闊的舞臺(tái)，推動(dòng)了衛(wèi)星及其應(yīng)用以及載人航天技術(shù)的發(fā)展，有力支撐了以“載人航天工程”和“月球探測工程”為代表的國家重大工程的成功實(shí)施，也為我國重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

“長征”系列火箭發(fā)射次數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

研究進(jìn)展

（1）火箭構(gòu)型重復(fù)使用

火箭構(gòu)型重復(fù)使用方面，我國已經(jīng)開展了三方面的研究工作：①對于在役有毒推進(jìn)劑的運(yùn)載火箭，無法重復(fù)使用。通過傘降、柵格舵等回收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)火箭助推器、芯一級以及整流罩的落區(qū)精確控制，解決航/落區(qū)安全問題，同時(shí)為新一代火箭重復(fù)使用提供技術(shù)支撐。②對于新一代運(yùn)載火箭，主要通過垂直起降技術(shù)實(shí)現(xiàn)火箭子級安全回收，進(jìn)而重復(fù)使用。③開展了液氧/甲烷動(dòng)力重復(fù)使用火箭的探索研究。

1）在役火箭子級落區(qū)控制，主要包括助推器及整流罩傘降回收和芯一級柵格舵回收。

助推器及整流罩傘降回收。在役火箭助推器/整流罩與火箭分離后慣性飛行，再下落至預(yù)定狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)安全回收系統(tǒng)，彈出穩(wěn)定傘和減速傘進(jìn)行減速，展開翼傘，通過翼傘控制助推器/整流罩機(jī)動(dòng)飛行，將其導(dǎo)引至安全區(qū)域降落，縮小落區(qū)范圍80%以上。已完成助推器及整流罩傘降回收方案設(shè)計(jì)、翼傘系統(tǒng)縮比空投試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合長征三號(hào)B發(fā)射任務(wù)，搭載助推器傘降測控終端；對傘降回收系統(tǒng)進(jìn)行了初步的飛行搭載試驗(yàn)驗(yàn)證；與此同時(shí)，搭載長征二號(hào)C發(fā)射任務(wù)，開展整流罩姿態(tài)測量試驗(yàn)，即將開展飛行搭載試驗(yàn)，驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)。

芯一級柵格舵回收?；鸺夐g分離后，芯一級進(jìn)行無動(dòng)力飛行。安裝在級間段上的柵格舵按預(yù)定指令展開。隨著高度下降，動(dòng)壓增加，箭體姿態(tài)進(jìn)入自穩(wěn)定階段，將剩余推進(jìn)劑進(jìn)行排放處理，導(dǎo)航制導(dǎo)控制系統(tǒng)開始工作，導(dǎo)引一子級向目標(biāo)落區(qū)飛行，可將落區(qū)范圍縮小80%。已完成柵格舵回收方案設(shè)計(jì)，即將開展飛行演示驗(yàn)證試驗(yàn)。

2）新一代在研火箭回收及重復(fù)使用。以在研的某型火箭為例，采用助推器與芯一級捆綁整體集束垂直回收、重復(fù)使用，芯二級一次性使用的方案。在級間分離后，采用整體垂直降落的返回方式，實(shí)現(xiàn)減速和著陸，保證捆綁火箭整體可控回收。根據(jù)不同任務(wù)需求，助推器與芯一級整體可返回原發(fā)射場或其他預(yù)定區(qū)域。垂直起降技術(shù)突破后，可推廣應(yīng)用到其他新一代運(yùn)載火箭型號(hào)。已完成助推器與芯一級捆綁整體集束垂直回收總體方案設(shè)計(jì)，泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)大范圍變推、著陸支撐機(jī)構(gòu)、垂直起降高精度控制等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)取得重要進(jìn)展。2018年，設(shè)計(jì)搭建可重復(fù)使用的小型垂直起降驗(yàn)證平臺(tái)，開展了垂直起降控制技術(shù)驗(yàn)證，驗(yàn)證了在線軌跡規(guī)劃、高精度相對導(dǎo)航與制導(dǎo)控制等技術(shù)。

3）液氧/甲烷重復(fù)使用火箭探索研究。液氧/甲烷重復(fù)使用火箭為兩級全液氧/甲烷動(dòng)力的液體火箭，一子級回收并重復(fù)使用，二子級一次使用。一子級回收方式可采用傘降回收或垂直返回。液氧/甲烷重復(fù)使用火箭已完成總體方案論證、傘降回收系統(tǒng)縮比投放試驗(yàn)；火箭子級傘降回收、垂直返回、重復(fù)使用箭體結(jié)構(gòu)、重復(fù)使用液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)取得重要進(jìn)展。

（2）升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用

根據(jù)我國重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展路線，在升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用方面，目前我國主要聚焦于升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用運(yùn)載器一級的研制工作。

升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用運(yùn)載器一級以重復(fù)使用液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力，翼身組合體構(gòu)型，能夠多次重復(fù)使用，地面垂直起飛、在機(jī)場跑道水平著陸。背馱一次性運(yùn)載火箭二級形成快速、低成本入軌能力。主要涉及氣動(dòng)力熱、飛行控制、重復(fù)使用結(jié)構(gòu)、重復(fù)使用評估等技術(shù)難題。

升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用運(yùn)載器一級已完成以液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

（3）組合動(dòng)力重復(fù)使用

組合動(dòng)力重復(fù)使用方面，開展了組合動(dòng)力兩級入軌重復(fù)使用運(yùn)載器的方案研究。運(yùn)載器采用兩級構(gòu)型，一級以組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力，水平起降；二級是一次性運(yùn)載火箭，或升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用運(yùn)載器。主要涉及總體/推進(jìn)一體化設(shè)計(jì)、不同動(dòng)力之間的協(xié)調(diào)匹配、大范圍進(jìn)排氣、材料/結(jié)構(gòu)與熱防護(hù)等技術(shù)難題。

組合動(dòng)力重復(fù)使用已完成組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)原理考核試驗(yàn)，以機(jī)體/推進(jìn)一體化為代表的關(guān)鍵技術(shù)具備一定的成熟度[1]。

組合動(dòng)力兩級入軌重復(fù)使用運(yùn)載器示意圖

4 未來展望

火箭構(gòu)型重復(fù)使用

在役有毒推進(jìn)劑運(yùn)載火箭需要盡快解決航/落區(qū)安全問題。在傘降回收/柵格舵回收技術(shù)飛行試驗(yàn)后，固化技術(shù)狀態(tài)，回收系統(tǒng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)裝備化。

對于新一代運(yùn)載火箭，首先實(shí)現(xiàn)在研新型重復(fù)使用運(yùn)載火箭的研制和工程應(yīng)用，待垂直起降技術(shù)成熟后，向其他新一代運(yùn)載火箭推廣應(yīng)用。針對重復(fù)使用的需求，液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)需具備重復(fù)使用、深度變推能力。遠(yuǎn)期，重復(fù)使用運(yùn)載火箭需要應(yīng)用人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭故障可預(yù)測、系統(tǒng)可智能重構(gòu)、任務(wù)可自主規(guī)劃、狀態(tài)可智能診斷，以增強(qiáng)自主性、便捷性和多任務(wù)適應(yīng)性。

開展兩級完全重復(fù)使用運(yùn)載火箭研究，按照新的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，貫徹落實(shí)重復(fù)使用的總要求，進(jìn)一步提升運(yùn)載火箭的重復(fù)使用性能指標(biāo)，降低我國進(jìn)出空間成本。

升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用

近期，升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用運(yùn)載器一級研制成功，突破氣動(dòng)力熱、飛行控制、重復(fù)使用結(jié)構(gòu)、重復(fù)使用評估等主要核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)廉價(jià)、快速、便捷進(jìn)出空間。

中期，升力式火箭動(dòng)力兩級重復(fù)使用運(yùn)載器研制成功，具備完全重復(fù)使用能力，進(jìn)一步降低我國進(jìn)出空間成本，實(shí)現(xiàn)航天運(yùn)輸模式跨越發(fā)展。

遠(yuǎn)期，升力式火箭動(dòng)力兩級重復(fù)使用運(yùn)載器投入商業(yè)應(yīng)用，服務(wù)于軌道旅游、洲際人員/貨物運(yùn)輸?shù)壬虡I(yè)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)航班化運(yùn)行。

組合動(dòng)力重復(fù)使用

近期，組合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)確定主攻方向，突破核心關(guān)鍵技術(shù)。

中遠(yuǎn)期，組合動(dòng)力兩級入軌運(yùn)載器研制成功，航天運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水平起降，運(yùn)輸工具更加多樣化、智能化、高可靠、低成本，進(jìn)出空間更加便捷和高效。

遠(yuǎn)期，組合動(dòng)力單級入軌運(yùn)載器研制成功，形成自由進(jìn)出空間能力。