□朱雄峰 程洪瑋 劉 陽 雍子豪 王一杉 周城宏
目前我國發(fā)射運輸系統(tǒng)的歸口單位或主責(zé)單位眾多,并隨著商業(yè)航天的蓬勃興起而致研制單位眾多[1]。由于缺少高效的溝通交流機制,發(fā)射運輸系統(tǒng)目前頂層規(guī)劃方面存在政出多門、型譜不統(tǒng)一、對話環(huán)境不一致等問題,規(guī)劃與規(guī)劃之間的交互往往需要進行“編碼”和“解碼”,大大阻礙了行業(yè)的發(fā)展進程,為此有必要統(tǒng)一技術(shù)發(fā)展頂層規(guī)劃。本文著眼體系、規(guī)格和劃代三個頂層規(guī)劃急需統(tǒng)一的問題,提出構(gòu)建全國“一張體系(發(fā)射運輸系統(tǒng)體系構(gòu)成)”“一個規(guī)格(發(fā)射運輸系統(tǒng)規(guī)格劃分)”“一種劃代(發(fā)射運輸系統(tǒng)劃代標(biāo)準(zhǔn))”,為我國發(fā)射運輸系統(tǒng)主責(zé)單位、研制單位和使用單位提供統(tǒng)一對話環(huán)境,支撐發(fā)射運輸系統(tǒng)軟環(huán)境建設(shè)。
(一)總體考慮。發(fā)射運輸系統(tǒng)主要用于將航天器、人員或物資投送到指定空間,通常包括運載火箭、天地往返飛行器等。綜合而言,本文將發(fā)射運輸系統(tǒng)劃分為常態(tài)進入空間、快速進入空間、軌道轉(zhuǎn)移部署、天地往返運輸、遠程跨域投送五位一體的體系。
(二)體系構(gòu)成。
1.常態(tài)進入空間。是指主要利用中大型固體或液體運載火箭,按照既定的發(fā)射計劃,以陸基大型固定發(fā)射為主要樣式,其他發(fā)射樣式為補充,常態(tài)化地將各類航天器投送至指定軌道。按照系統(tǒng)分類,可進一步分為中大型固體運載火箭和中大型液體運載火箭。
2.快速進入空間。是指主要利用小型固體或液體運載火箭,按照快速制定的發(fā)射方案,以公路機動發(fā)射為主要樣式,?;?、空基發(fā)射等其他發(fā)射等其他樣式為補充,及時高效將小型航天器送入軌道。按照系統(tǒng)分類,可進一步分為小型陸基發(fā)射運載火箭、空基發(fā)射運載火箭和?;l(fā)射運載火箭等。
3.軌道轉(zhuǎn)移部署。是指主要利用運載火箭上面級或軌道轉(zhuǎn)移飛行器,以多星發(fā)射軌道轉(zhuǎn)移部署為主要樣式,快速機動變軌樣式為補充,完成航天器從地面至空間或空間至空間的軌道機動和部署。按照系統(tǒng)分類,可進一步分為運載火箭上面級和軌道轉(zhuǎn)移飛行器等。
4.天地往返運輸。是指主要利用重復(fù)使用運載火箭或組合動力飛行器,以垂直發(fā)射垂直返回、垂直發(fā)射水平返回、水平發(fā)射水平返回為主要樣式,將各類航天器投送到指定軌道,同時可將指定軌道的航天器離軌返回地面。按照系統(tǒng)分類,可進一步分為火箭動力天地往返運輸系統(tǒng)和組合動力天地往返運輸系統(tǒng)等。
5.遠程跨域投送。是指主要利用亞軌道飛行器,以垂直發(fā)射垂直返回、垂直發(fā)射水平返回、水平發(fā)射水平返回為主要樣式,將各類物資從地面投送空間或從地面投送至地面。按照系統(tǒng)分類,可進一步分為火箭動力遠程跨域投送系統(tǒng)和組合動力遠程跨域投送系統(tǒng)等。
(一)總體考慮。根據(jù)近年來運載火箭的研制進展,中型主力火箭的運載能力有增加趨勢(如作為主力火箭的Falcon 9運載能力LEO 22.8t),同時國際上對重型火箭的運載能力認識趨于統(tǒng)一(LEO≥100t),對新出現(xiàn)Falcon 9H火箭(LEO 63.8t)等既不能歸類于重型火箭,也不合適歸類于大型火箭,因此本文新設(shè)超大型火箭。綜合而言,本文將運載火箭規(guī)格劃分為小型、中型、大型、超大型和重型火箭,同時由于其他運輸系統(tǒng),如天地往返運輸系統(tǒng)、遠程跨域投送系統(tǒng)等目前型號研制尚在起步過程,現(xiàn)階段規(guī)格劃分參照運載火箭的規(guī)格劃分。
(二)規(guī)格劃分。
1.小型運載火箭。是指近地軌道運載能力4t以下的運載火箭,具有集成度高、快速發(fā)射能力強等特點,通常以固體運載火箭為主。國外主要型號包括Minotaur(LEO 0.34t)、Pegasus(LEO 0.44t)、Rokot、Kosmos(LEO 0.3t)、Vega(LEO2.3t);我國主要型號包括CZ-11、KZ-1A等(LEO<1t)。
2.中型運載火箭。是指近地軌道運載能力4~25t,具有綜合性能和綜合效費比高、通用適配能力強等優(yōu)點,發(fā)射數(shù)量占比高,因此往往也稱為中型主力運載火箭,通常以液體運載火箭為主、固體運載火箭為輔。國外主要型號包括Delta Ⅳ(LEO 9~22t)、Atlas V(LEO 9~19t)、Falcon 9(LEO 22.8t)、Antares(LEO 5.5t)、Soyuz(LEO 7.2~8.2t)、Proton(LEO 19.76~23.0t)、Zenit(LEO~13.92t);我國主要型號包括CZ-2/3/4/7/8等,運載能力(LEO<14t)。
3.大型運載火箭。是指近地軌道運載能力25~50t,具有單次投送能力強、整流罩包絡(luò)大,可用于發(fā)射大型異構(gòu)載荷,也可用于一箭多星批量發(fā)射,通常以液體運載火箭為主。國外主要型號包括Delta ⅣH(LEO28.3t);我國主要型號包括CZ-5系列火箭,運載能力(LEO25t)。
4.超大型運載火箭。是指近地軌道運載能力50~100t,此類型運載火箭重點面向載人航天和深空探測等任務(wù),專用型相對較強,通常以液體運載火箭為主。國外主要型號包括Falcon 9H(LEO 63.8t);我國主要型號包括正在研制過程中的新載人火箭,運載能力(LEO>50t)。
5.重型運載火箭。是指近地軌道運載能力100t以上,此類型運載火箭重點面向載人深空探測、大規(guī)??臻g開發(fā)等,專用性相對較強,通常以液體運載火箭為主。
我國中型主力運載能力LEO 14t(CZ-7),對比美國中型主力運載能力LEO 22.8t(Falcon);我國大型運載能力LEO 25t(CZ-5B),美國大型運載能力LEO 28.3t(Delta ⅣH);美國超大型運載能力LEO 63.8t(Falcon 9H),我國在該領(lǐng)域尚屬空白;重型運載火箭均在論證或研制過程中。運載能力是衡量一個國家進入空間能力的最重要指標(biāo),上述對比可以看出,我國與航天強國美國在各種規(guī)格的運載能力上仍有一定的差距,有待進一步發(fā)展和提升。
(一)總體考慮。系統(tǒng)劃代將發(fā)射運輸系統(tǒng)按照一定的技術(shù)指標(biāo)、發(fā)展脈絡(luò)和發(fā)展規(guī)律進行代際劃分,可為理論和工程界提供統(tǒng)一的對話標(biāo)準(zhǔn)。本文[2~3]按照聚類分析方法并結(jié)合指標(biāo)評分法,將我國現(xiàn)役運載火箭分為四代,并前瞻考慮未來第五代和第六代運載火箭。綜合而言,本文考慮發(fā)射運輸系統(tǒng)的綜合性能、綜合效費比、可靠性和安全性、環(huán)境適應(yīng)性、使用維護性等方面進行劃分,將發(fā)射運輸系統(tǒng)分為五代。
(二)劃代標(biāo)準(zhǔn)。
1.第一代發(fā)射運輸系統(tǒng)。從戰(zhàn)略武器型號改進而來,重點解決運載火箭有無問題,運載能力、入軌精度等總體性能較低,使用維護性差,發(fā)射場測發(fā)周期長,采用模擬控制系統(tǒng),產(chǎn)品性能較低。國外典型型號包括美國的Juno、Thor、Titan等運載火箭;俄羅斯(含前蘇聯(lián))的Sputnik、Luna、Vostok等運載火箭;我國典型型號包括CZ-1、FB-1等運載火箭。
2.第二代發(fā)射運輸系統(tǒng)。繼承了戰(zhàn)略武器型號技術(shù)并進行了技術(shù)改進,采用了數(shù)字控制系統(tǒng),在綜合性能、綜合效費比、可靠性等方面有較大提升。國外典型型號包括美國的Delta 2000、Delta 3000、Delta Ⅱ等運載火箭;俄羅斯(含前蘇聯(lián))的Soyuz、Kosmos、Tsklon、Proton等運載火箭;我國典型型號包括CZ-2/3/4系列運載火箭。
3.第三代發(fā)射運輸系統(tǒng)。采用全新的動力系統(tǒng),通常是無毒無污染的先進動力系統(tǒng),采用全箭統(tǒng)一總線技術(shù)和先進電氣設(shè)備,運載能力和運載效率得到了大幅提升。國外典型型號包括美國的Delta Ⅳ、Atlas V、Antares、SLS等運載火箭;俄羅斯的Zenit、Angara等運載火箭;我國典型型號包括CZ-5/6/7/8系列運載火箭。
4.第四代發(fā)射運輸系統(tǒng)。采用多次啟動重復(fù)使用發(fā)動機、發(fā)動機推力深度調(diào)節(jié)、多次啟動、輕質(zhì)高強材料等,同時采用智能化控制技術(shù),具備多次重復(fù)使用能力,運載能力和運載效率大幅提升,發(fā)射成本大幅降低。國外的典型型號包括美國的Falcon 9/9H、SuperHeavy-Starship(在研)、New Green(在研)等運載火箭;俄羅斯的Amur(在研)等重復(fù)使用運載火箭;我國目前尚無工程化型號。
5.第五代發(fā)射運輸系統(tǒng)。采用吸氣組合動力發(fā)動機,如RBCC、TBCC、SABRE發(fā)動機等,可在大氣層、臨近空間和太空多域最優(yōu)適應(yīng),實現(xiàn)跨域飛行,通常采用水平起降方式可最終實現(xiàn)單級入軌,該代發(fā)射運輸系統(tǒng)是實現(xiàn)航班式進入太空的有效手段。國外典型型號包括應(yīng)該SKYLON(在研)等發(fā)射運輸系統(tǒng);國內(nèi)尚無工程化型號,主要在開展組合動力發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。
美國發(fā)射運輸系統(tǒng)已經(jīng)成功跨入第四代,其4.1代系統(tǒng)已經(jīng)完全工程化和實用化,發(fā)射成本已降到折合低軌1.51萬元人民幣每公斤,具有極強的綜合性能和綜合效費比,并且正在發(fā)展4.2代系統(tǒng),具有完全重復(fù)使用能力,預(yù)期將再一次掀起發(fā)射運輸領(lǐng)域的科技革命。相比我國發(fā)射運輸系統(tǒng)目前仍停留在第三代,且沒有相對明確的重復(fù)使用工程型號,這與美國已形成事實上的代差,需直面挑戰(zhàn)、趕超先進、跨代發(fā)展,為經(jīng)略太空提供堅實保障。
本文著眼部分解決需求側(cè)的頂層規(guī)劃問題,借鑒航空運輸領(lǐng)域的頂層規(guī)劃方法,在體系構(gòu)成上將發(fā)射運輸系統(tǒng)分為5類、在系統(tǒng)規(guī)格上將發(fā)射運輸系統(tǒng)分為5型、在系統(tǒng)劃代上將發(fā)射運輸系統(tǒng)分為5代,上述頂層規(guī)劃考慮可供發(fā)射運輸系統(tǒng)主責(zé)單位、研制單位和使用單位提供統(tǒng)一的對話環(huán)境,為我國發(fā)射運輸系統(tǒng)盡快彌補差距、跨代發(fā)展提供支撐。