论文赏析我国重复使用航天运输系统发展现状及展望

　　作者 龙乐豪 王国庆 吴胜宝 马婷婷 牟宇（中国运载火箭技术研究院）
　　来源 《国际太空》总489期 2019.9
　　1 前言
　　重复使用航天运输系统是可多次往返于地面与空间轨道、多次重复使用的航天运输系统，具有＂自由进出空间、按需返回地面、多次可重复使用＂的典型特征，是降低航天发射成本、提高安全可靠性的理想运输工具 。
　　重复使用航天运输系统具有廉价、快速、机动、可靠等特点，是航天运输系统的重要发展方向 。
　　20 世纪 50 ～ 60 年代以来，以美国为代表的航天大国就一直在开展重复使用航天运输系统的概念和技术研究，研发了以航天飞机为代表的一系列重复使用运载器，取得了大量研究成果 。
　　近年来，X －37B、猎鹰－ 9 火箭的研制成功以及重复使用，再次鼓舞各航天大国研发重复使用航天运输系统的激情，掀开了人类重复使用航天运输系统发展历史上的新一页。
　　对于我国而言，在 50 多年航天运输技术的基础上，研制重复使用航天运输系统，将实现我国航天运输由一次性使用向重复使用的重大跨越，大幅提升我国进出空间的能力，为有效利用空间提供支撑；也将加速航空航天技术的深度融合，带动超高温轻质材料、先进空天动力等高新技术创新发展。
　　我国从 20 世纪 80 年代开展小型航天飞机论证以来，一直在开展重复使用航天运输技术的研究 。经过几十年的研究，逐步形成了适合我国具体国情的重复使用航天运输系统发展路线，并在发展路线的指导下，相关技术获得快速发展。尤其＂十二五＂以来，我国在火箭构型重复使用、升力式火箭动力重复使用、组合动力重复使用等三种技术途径上，均取得了重要技术进展，为后续的工程研制及应用奠定了良好的技术基础。2 发展路线发展目标
　　我国重复使用航天运输系统的发展总目标是形成廉价、快速、安全、可靠的进出空间运输工具，支撑未来大规模利用空间任务的实施，推动空间应用产业快速发展。技术途径及特点分析
　　经过几十年发展，重复使用航天运输系统形成了火箭构型重复使用、升力式火箭动力重复使用、组合动力重复使用三种典型的技术路径 。
　　火箭构型重复使用运载器的特点是轴对称构型，使用火箭发动机，通过降落伞、垂直返回等方式回收。
　　火箭构型重复使用的技术基础相对较好；垂直返回会损失运载能力。
　　升力式火箭动力重复使用运载器的特点是采用面对称翼身组合体升力式构型，使用火箭发动机，兼具航空器和航天器的特点，能够垂直起飞、水平着陆，具有大空域（0 ～ 200km）、宽速域（马赫数 0 ～ 28）飞行能力。
　　组合动力重复使用运载器是指基于组合动力发动机（RBCC、TBCC、ATR、Trijet）的运载器，技术特点是组合动力技术难度大，起降灵活，高比冲，高效率，适应大空域飞行。 发展思路及步骤
　　纵观重复使用航天运输技术的国内外发展情况，并基于对各类技术发展的分析研判，提出适合我国具体国情的重复使用航天运输系统战略发展思路：从部分重复使用到完全重复使用、从火箭动力到组合动力、从两级入轨到单级入轨。
　　第一阶段，实现火箭动力部分重复使用工程应用，主要依托火箭构型重复使用一级、升力式重复使用运载器一级。这一阶段主要是以解决运载火箭航 / 落区安全问题、初步实现低成本绿色航天为目标，以火箭构型重复使用为切入点，推动现有型号更新换代。
　　第二阶段，实现火箭动力完全重复使用工程应用，主要依托完全重复使用运载火箭、升力式两级重复使用运载器。这一阶段以提升快速、廉价、安全进出空间能力，实现航天运输系统完全重复使用和航班化运行为目标，以火箭动力、两级入轨、水平着陆的完全重复使用航天运输系统为发展重点，推动航天运输由一次性使用向重复使用的创新与跨越。
　　第三阶段，组合动力重复使用具备应用能力。
　　这一阶段以实现不依托发射场的更加便捷、快速、重复进出空间能力为目标，以组合动力、水平起飞、水平着陆的重复使用航天运输系统为发展重点，推动自由进出空间能力的形成，使我国站在该领域的世界前列。
　　基于战略发展思路及步骤，我国重复使用航天运输系统的发展路线将按照火箭构型重复使用、升力式火箭动力重复使用、组合动力重复使用三条技术途径同步开展研究，梯次形成能力。
　　3 发展现状
　　技术基础
　　我国运载火箭起步于 20 世纪 60 年代，经过 50多年的发展，我国＂长征＂（CZ）系列运载火箭型谱比较完备，具备发射低、中、高不同轨道，搭载不重复使用航天运输系统的三条技术途径发展路线图同有效载荷的能力。
　　目前，我国有长征二号 C、长征二号D、长征二号 F、长征三号 A、长征三号 B、长征三号 C、长征四号 B、长征四号 C等 8型在役运载火箭，有长征五号、长征六号、长 征 七 号、 长 征十一号等 4型新一代运载火箭，有远征一号（YZ － 1）、远征一号 A、远征一号 S、远征二号、远征三号等 5型液体动力上面级火箭。此外，我国正在开展长征九号重型火箭等 5 型运载火箭的研制工作，研制成功后将进一步增强我国进入空间能力。
　　4 型新一代运载火箭相继于 2015、2016 年成功首飞，将我国近地轨道运载能力由 8.6t 提升至 25t，使我国火箭的运载能力进入世界前列；5 型液体动力上面级火箭具备长时间在轨、多次起动、自主控制能力，提升了轨道转移运输、轨道部署等任务的适应性。
　　尽管与美国、俄罗斯的火箭发射总次数相比，我国的运载火箭发射总次数仍有很大差距，但近年来我国的火箭发射次数已经和美国、俄罗斯在同一个水平。2018 年，中国运载火箭发射 39 次（其中包含＂长征＂37 次），位居世界第一。
　　＂长征＂系列火箭是我国进入空间的主体力量，截至 2019 年 6 月 5 日，我国＂长征＂系列运载火箭发射 306 次，发射成功率 96%。＂长征＂系列运载火箭第一个百次发射用时 37 年，年均 2.7 次；第二个百次发射用时 7.5 年，年均 13.3 次；第三个百次发射用时 4.25 年，年均 23.5 次。进入＂十二五＂以来，＂长征＂系列火箭高密度发射实现常态化，2016 － 2018 年平均发射 26.3 次 / 年。
　　2019 年 4 月 20 日，长征三号甲系列火箭实现 100 次发射，成为我国首个发射次数超百次的火箭 型号。
　　我国运载火箭技术的发展为航天技术提供了广阔的舞台，推动了卫星及其应用以及载人航天技术的发展，有力支撑了以＂载人航天工程＂和＂月球探测工程＂为代表的国家重大工程的成功实施，也为我国重复使用航天运输系统的发展奠定了良好的技术基础。
　　研究进展
　　（1）火箭构型重复使用
　　火箭构型重复使用方面，我国已经开展了三方面的研究工作：①对于在役有毒推进剂的运载火箭，无法重复使用。通过伞降、栅格舵等回收技术，实现火箭助推器、芯一级以及整流罩的落区精确控制，解决航 / 落区安全问题，同时为新一代火箭重复使用提供技术支撑。②对于新一代运载火箭，主要通过垂直起降技术实现火箭子级安全回收，进而重复使用。③开展了液氧 / 甲烷动力重复使用火箭的探索研究。
　　1）在役火箭子级落区控制，主要包括助推器及整流罩伞降回收和芯一级栅格舵回收。
　　助推器及整流罩伞降回收。在役火箭助推器 /整流罩与火箭分离后惯性飞行，再下落至预定状态时，启动安全回收系统，弹出稳定伞和减速伞进行减速，展开翼伞，通过翼伞控制助推器 / 整流罩机动飞行，将其导引至安全区域降落，缩小落区范围 80% 以上。
　　已完成助推器及整流罩伞降回收方案设计、翼伞系统缩比空投试验。在此基础上，结合长征三号 B 发射任务，搭载助推器伞降测控终端；对伞降回收系统进行了初步的飞行搭载试验验证；与此同时，搭载长征二号 C 发射任务，开展整流罩姿态测量试验，即将开展飞行搭载试验，验证关键技术。
　　芯一级栅格舵回收。火箭级间分离后，芯一级进行无动力飞行。安装在级间段上的栅格舵按预定指令展开。随着高度下降，动压增加，箭体姿态进入自稳定阶段，将剩余推进剂进行排放处理，导航制导控制系统开始工作，导引一子级向目标落区飞行，可将落区范围缩小 80%。已完成栅格舵回收方案设计，即将开展飞行演示验证试验。
　　2）新一代在研火箭回收及重复使用。以在研的某型火箭为例，采用助推器与芯一级捆绑整体集束垂直回收、重复使用，芯二级一次性使用的方案。在级间分离后，采用整体垂直降落的返回方式，实现减速和着陆，保证捆绑火箭整体可控回收。
　　根据不同任务需求，助推器与芯一级整体可返回原发射场或其他预定区域。垂直起降技术突破后，可推广应用到其他新一代运载火箭型号。已完成助推器与芯一级捆绑整体集束垂直回收总体方案设计，泵压式发动机大范围变推、着陆支撑机构、垂直起降高精度控制等关键技术攻关取得重要进展。
　　2018 年，设计搭建可重复使用的小型垂直起降验证平台，开展了垂直起降控制技术验证，验证了在线轨迹规划、高精度相对导航与制导控制等技术。
　　3）液氧 / 甲烷重复使用火箭探索研究。液氧 /甲烷重复使用火箭为两级全液氧 / 甲烷动力的液体火箭，一子级回收并重复使用，二子级一次使用。一子级回收方式可采用伞降回收或垂直返回。液氧 / 甲烷重复使用火箭已完成总体方案论证、伞降回收系统缩比投放试验；火箭子级伞降回收、垂直返回、重复使用箭体结构、重复使用液氧 / 甲烷发动机等关键技术取得重要进展。
　　（2）升力式火箭动力重复使用
　　根据我国重复使用航天运输系统发展路线，在升力式火箭动力重复使用方面，目前我国主要聚焦于升力式火箭动力重复使用运载器一级的研制工作。
　　升力式火箭动力重复使用运载器一级以重复使用液氧 / 甲烷发动机作为主动力，翼身组合体构型，能够多次重复使用，地面垂直起飞、在机场跑道水平着陆。背驮一次性运载火箭二级形成快速、低成本入轨能力。主要涉及气动力热、飞行控制、重复使用结构、重复使用评估等技术难题。
　　升力式火箭动力重复使用运载器一级已完成以液氧 / 甲烷发动机为代表的关键技术攻关。
　　（3）组合动力重复使用
　　组合动力重复使用方面，开展了组合动力两级升力式火箭动力重复使用运载器一级示意图入轨重复使用运载器的方案研究。运载器采用两级构型，一级以组合循环发动机作为主动力，水平起降；二级是一次性运载火箭，或升力式火箭动力重复使用运载器。主要涉及总体 / 推进一体化设计、不同动力之间的协调匹配、大范围进排气、材料 / 结构与热防护等技术难题。
　　组合动力重复使用已完成组合循环发动机原理考核试验，以机体 / 推进一体化为代表的关键技术具备一定的成熟度 。
　　4 未来展望
　　火箭构型重复使用
　　在役有毒推进剂运载火箭需要尽快解决航 / 落区安全问题。在伞降回收 / 栅格舵回收技术飞行试验后，固化技术状态，回收系统产品实现装备化。
　　对于新一代运载火箭，首先实现在研新型重复使用运载火箭的研制和工程应用，待垂直起降技术成熟后，向其他新一代运载火箭推广应用。针对重复使用的需求，液氧 / 煤油发动机需具备重复使用、深度变推能力。远期，重复使用运载火箭需要应用人工智能技术，实现运载火箭故障可预测、系统可智能重构、任务可自主规划、状态可智能诊断，以增强自主性、便捷性和多任务适应性。
　　开展两级完全重复使用运载火箭研究，按照新的设计理念、设计准则，贯彻落实重复使用的总要求，进一步提升运载火箭的重复使用性能指标，降低我国进出空间成本。
　　升力式火箭动力重复使用
　　近期，升力式火箭动力重复使用运载器一级研制成功，突破气动力热、飞行控制、重复使用结构、重复使用评估等主要核心技术，实现廉价、快速、便捷进出空间。
　　中期，升力式火箭动力两级重复使用运载器研制成功，具备完全重复使用能力，进一步降低我国进出空间成本，实现航天运输模式跨越发展。
　　远期，升力式火箭动力两级重复使用运载器投入商业应用，服务于轨道旅游、洲际人员 / 货物运输等商业任务，实现航班化运行。
　　组合动力重复使用
　　近期，组合动力发动机确定主攻方向，突破核心关键技术。
　　中远期，组合动力两级入轨运载器研制成功，航天运输系统实现水平起降，运输工具更加多样化、智能化、高可靠、低成本，进出空间更加便捷和高效。
　　远期，组合动力单级入轨运载器研制成功，形成自由进出空间能力。