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2022年09月10日

未来30年航天运载技术的发展预测

作为航天技术的基础,运载技术代表着一个国家自由进出空间的能力,是发展利用空间技术、控制空间技术的基础和前提,因此世界各航天强国均把发展先进航天运载技术作为保持其领先地位的战略部署之一。未来30 年内,以信息、通信与电子技术,先进材料技术、先进能源及动力技术、先进制造技术等为代表的一批基础科学技术将取得重大突破,这将直接推动航天技术的快速发展。随着以新一代大型运载火箭为代表的重大科技专项工程的顺利实施,以及各类基础科学技术不断取得突破进展,可以预测未来的30 年沐浴柱(2010 ~2040 年)将迎来我国航天运载技术迅猛发展的战略机遇期。

国外航天运载技术的发展趋势

从以美、俄为代表的航天强国的发展历程来看,随着航天应用技术的迅猛发展,未来军事、经济、社会活动对航天技术的依赖程度将越来越高,航天技术除了要满足日常的军用、民用及商用发展建设任务需求外,还要逐步满足直接支持军事行动的战术应用需求。当前,美国、俄罗斯、欧盟等航天强国基本上已形成了包括以一次性运载火箭、航天飞机、天地往返运输重复使用运载器、轨道转移飞行器、深空运输飞行器等综合的航天运输体系,通过对其未来30 年的发展趋势总结分析,可以看出国外航天运载技术的发展趋势如下:

(1)完善新型运载火箭型谱系列,积极发展上面级技术。

当今世界航天大国已经或即将完成一次性运载火箭的更新换代,新投入使用的主流运载火箭如欧空局的 阿里安5 、美国 宇宙神5 、 德尔塔4 、日本的 H2-A 等新型运载火箭,都采用了高可靠、低成本、大直径、少级数、使用无毒无污染推进剂的新型运载技术,以氢氧发动机或液氧煤油发动机作为主动力,这些新型运载火箭的近地轨道运载能力一般超过20t,地球同步转移轨道运载能力可达到10t 以上,采用模块化的组合方式形成运载能力覆盖范围较广的新型运载火箭系列。

上面级是提高火箭性能和提高2015年我国有色金属进出口显现以下特点任务适应能力的有效途径之一,目前国外正在使用或新研制的运载火箭上面级有10 多种型号,具有多次启动变轨能力及长时间在轨飞行能力,可以进行多星发射及轨道部署,以及执行MEO、GEO 直接入轨任务。新投入使用的新型主流运载火箭都是通过组合不同的上面级,形成拥有各种运载能力、能执行多种任务的新型运载火箭系列。

(2)发展经济、灵活且具备快速机动发射能力的小型运载火箭。

美国为了继续维持其全球霸主地位,提出具备全球快速精确打击能力。满足快速进入空间军事应用需求的小型运载火箭,不要求具有太高的运载能力,但是必须具备低成本、高可靠、机动能力强、操作简单等特点。快速机动发射小型运载火箭目前主要集中于美俄两国,在役型号多是在战略导弹基础上改装或研制而成的,如美国的飞马座、金牛座、米诺陶,俄罗斯的起跑号、(软件说明书有关如何上升降落的操作说明图示)静海号、波浪号。新研制火箭多以液体和固液混合推进剂为主,如美国的法尔肯1、快速到达、风驰,俄罗斯的飞行号。发射平台以陆基和空基机动为主。其中空基发射运载火箭具有良好的机动性、灵活性和成本低等优点,已成为美俄实现快速进入空间的主要途径。目前,美国在已有飞马座空射火箭的基础上,正在研制快速到达空射小型运载火箭;俄罗斯在研的飞行号和依希姆系统等也均为空射小型运载火箭。

(3)发展重型运载火箭技术,实现重返月球计划并最终建立月球基地。

美国为重返月球计划正在研制阿瑞斯1 和阿瑞斯5 两种运载火箭,用于载人登月并建立月球基地。其中,战神5 为载货的重型运载火箭,采用人货分运、近地轨道对接的方式实现载人登月的目标。俄罗斯也在制定2040 年前的航天发展计划,目标是在2025 年以前派遣宇航员登上月球,为此考虑在新型安加拉运载火箭的基础上研制超重型运载火箭。欧洲、日本、印度也制定了相关的登月计划,并也将在该计划下进行重型运载火箭的研制工作。新研制的载人登月运载火箭更加重视的安全性和可靠性设计,将载人和运货分开,充分借鉴成熟的技术和产品,注重系统全生命周期的成本和风险控制。未来长距离的星际航行运输将依赖组合运输系统,轨道对接组装技术是发展星际载人运输技术的关键。

(4)重复使用运载器技术难度较大,广泛开展关键技术攻关和演示验证。

美国航天飞机的失事和退役虽然给重复使用运载器的研发工作蒙上了阴影,但是各国重复使用运载器的单项关键技术研发工作却更加热烈。重复使用运载器的发展途径是先进行关键技术攻关和演示验证,而后开展全尺寸飞行器的研制。按照循序渐进、逐步突破的原则,并注重中间成果的转换。通过小尺寸样机的飞行演示来验证总体方案的可行性和关键技术,并积累设计数据,针对暴露出来的问题,进一步完善设计,降低技术风险和投资风险。

当前重复使用运载器的技术重点是发展助推级或轨道级两级入轨部分重复使用运载器,近期内仍以火箭发动机为动力,远期向吸气式组合发动机为动力,美国提出最终发展成为可以2h 内全球快速到达的空天作战飞机。此外美国一些私营公司也积极研制了亚轨道重复使用运载器,发展了 白色骑士 等亚轨道重复使用运载器,并以此带动了亚轨道空间旅游业的迅猛发展。

(5)研制轨道转移飞行器,满足空间运输和在轨服务的需要。

随着在轨服务需求的不断增加,各航天大国均发展基于先进上面级技术的各种轨道转移运输飞行器,如俄罗斯的F r e g a t 火箭和欧洲的E S C - B 火箭,其所使用的发动机具有多次启动能力,轨道机动能力更强。这类轨道转移飞行器不仅能将有效载荷送入工作轨道,进行轨道转移飞行,满足不同轨道任务的需求,还能为有效载荷提供在轨服务和燃料加注补给,军事应用前景广泛。例如,美国计划在2015 年后部署的轨道转移飞行器,通过对美国空间资源进行在轨服务,能显著提高这些空间资源的灵活性和作战能力。俄罗斯发展了 渡船号 空间拖船,用于空间站的在轨支持。欧洲和日本为支持国际空间站任务,研制了自动转移运输飞行器(ATV)和H-2A 自动转移运输飞行器(HTV),用于向国际空间站运送所需物资。

我国航天运载技术面临的机遇和挑战

我国航天运载技术的发展起步于20 世纪50并与北京钢铁研究总院合作开发了电子改变计 年代,先后成功研制了长征一号、长征二号、长征三号、长征四号等15 个型号的运载火箭,实现了从常温推进剂到低温推进剂,从串联到捆绑,从一箭单星到一箭多星,从发射卫星到发射载人飞船的跨越式发展,组成了相对完备的运载火箭型谱,近地轨道运载能力达到8500k g,太阳同步轨道(S S O)运载能力达到6100k g,地球同步转移轨道运载能力达到5500kg,基本能够满足不同用户的需求。

虽然我国航天运载技术取得了举世瞩目的成就,但与此同时我国长征运载火箭仍属于 家族式 发展模式,每个运载型号的发展都源于特定的需求,型号间技术状态差别较大, 三化 (通用化、系列化、组合化)程度不足,运载能力与现有国际主流运载火箭相比偏低且互相重叠,设计可靠性有待进一步提高,内陆航区安全性差,测试发射周期长,任务适应能力不足,相对于国外主流运载火箭和先进航天运载技术仍存在较大的差距,不能满足未来国防建设和国民经济的发展建设要求。与此同时,国内卫星应用需求日益旺盛,以二代导航二期工程、高分辨率对地观测工程、载人航天工程、月球探测工程等为代表的国家重大科技工程,以及未来可能的载人登月及其他深空探测任务等都对运载火箭的发展提出了迫切的需求[1,3]。因此无论是从技术推动发展还是应用需求牵引的角度来看,未来30 年都将是中国航天运载技术发展的战略机遇期,其面临的机遇和挑战主要体现在以下几个方面:

(1)高密度的发射需求。可以预测未来30 年船舶涂料内卫星技术的发展将以新一代大型地球静止轨道卫星平台和太阳同步轨道小卫星平台的发展为主,卫星总数量预计在200 ~ 300颗左右,考虑到搭载及一箭多星等多种发射模式,运载火箭年发射率将显著增加。

然而当前我国长征系列运载火箭的年发射率较低,同一型号运载火箭每发之间的技术状态变化较多,个别单机产品,如个别单机的生产制造周期偏长,成为研制任务的短板,导致运载火箭批量化的生产制造发射能力不足;此外,当前我国仅有西昌、太原、酒泉3 个内陆发射场,每次发射任务间发射塔架的修复及状态转换周期较长;各类工业基础能力不足的情况将对提高运载火箭年发射率形成限制。

(2)大幅提高运载能力的需求。我国在役的长征火箭运载能力,目前进入空间运载能力低轨为8.5t,GTO综合性能良好为5.5t,对于大型和重型有效载荷的发射要求已难以通过进一步挖掘潜力来满足,不能满足大平台卫星及后续载人登月等任务的需求。因此必须发展新一代大型运载火箭技术,采用大直径结构、大推力发动机等先进技术,大幅度提高运载能力,使近地轨道最大运载能力满足20t 级、地球同步转移轨道运载能力达到10t 级。同时,面对未来可能的载人登月任务,要求运载能力达到近地轨道100t 级,奔月轨道50t 级,必须发展重型运载火箭技术。整体来看可以预计:未来30 年内运载火箭的低轨运载能力需达到20 ~ 100t 级,因此,迫切需要运载能力上一个新台阶。

(3)快速发射的需求。目前长征系列运载火箭发射准备周期一般在30 ~ 50 天左右,且主要依赖固体塔架进行发射,应急快速发射能力不足。为满足民用应急减灾对快速发射的要求,需要发展新型具备快速响应发射能力的小型运载火箭。依赖简易塔架发射的液体小运载需满足周发射,依赖车载家用秤机动发射的固体小运载需满足天发射,依赖空中发射的小型运载火箭需满足数小时发射的要求,逐步满足民用减灾对快速发射的需求[3]。

(4)多星发射及轨道机动的需求。我国目前运载火箭的上面级多星轨道部署和深空运输能力不足,难以满足GEO、MEO 硅胶电线轨道直接入轨、多星发射等任务需求。随着新一代大型运载火箭的研制成功,进入空间的能力大大增强,预计2020 年后所执行的任务中将出现多星异轨部署和深空运输的要求,需要实现长期在轨的轨道部署能力,并实现以月球、火星为代表的星际航行运输能力。

(5)发展先进运载技术的需求。与国外先进航天运载技术相比,我国航天运载技术整体来看还落后15 ~20 年。在先进运载技术领域如重复使用运载器技术、高超声速飞行器技术、在轨组装深空运输飞行器技术、基于先进推进技术运载器等方面都存在较大差距,仅停留在跟踪研究阶段,所需的基础技术和关键技术储备严重不足,如果现在不加大加快对先进运载技术的预研力度,30 年后技术差距将会进一步扩大,难以保持我航天大国的地位和可持续发展空间。

未来重点发展方向预测

预计经过30 年的快速发展建设后,我国航天运输系统将逐步建设成为包括一次性运载火箭、轨道转移运输飞行器、重复使用天地往返运输系统在内的综合航天运输体系,与国外先进航天运载技术的差距逐步缩小。预测发展的重点方向将包括以下几个方面:

(1) 现役长征系列运载火箭持续改进。

当前国家正在实施的载人航天、二代导航二期、高分辨率对地观测及探月等国家重大科技专项工程,相当一部分任务都是由现役的长征系列运载火箭来完成的。在新一代系列运载火箭投入使用之前,现役运载火箭至少还有20 年的服役期,因此应该不断改进现役运载火箭,提高其可靠性及任务适应能力,拓宽任务适应范围,缩短靶场测试流程,满足国内外近期高密度发射任务的需求。

继续通过可靠性增长技术研究和试验,不断提高现有运载火箭的可靠性。针对现有运载火箭的研制生产、测试发射中暴露出来的薄弱环节,以及潜在的故障隐患,提出解决途径。对现有型号运载火箭持续进行 三化 设计改进,降低成本,提高适应性,提高我国运载火箭在国际卫星发射市场上的竞争能力。

此外,随着运载火箭发射次数的增加,内陆发射场的航区安全问题备受关注,通常运载火箭总体方案设计时为选择合适的落区及保证星箭测控条件,要牺牲掉部分运载能力。采用助推器落区可控回收技术后,可以有效解决落区安全问题,提高运载火箭的运载能力,并为重复使用助推器的研发积累技术基础。预计未来30年内,采用翼伞技术或有翼滑翔技术的大型捆绑式运载火箭液体助推器可控回收技术将取得突破性进展。

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