下一代航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展思考

王小軍

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

0 引 言

2016年4月24日，首個(gè)“中國(guó)航天日”之際，習(xí)近平總書(shū)記做出重要指示：“探索浩瀚宇宙，發(fā)展航天事業(yè)，建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)，是我們不懈追求的航天夢(mèng)”。當(dāng)前科技飛速發(fā)展，世界航天已進(jìn)入以互聯(lián)網(wǎng)星座建設(shè)、空間資源開(kāi)發(fā)、深空探測(cè)、載人月球探測(cè)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)全球極速運(yùn)輸?shù)葹榇淼男码A段[1～4]，呈現(xiàn)出任務(wù)領(lǐng)域更多樣、能力規(guī)模更大、技術(shù)應(yīng)用更深入、商業(yè)驅(qū)動(dòng)力更強(qiáng)的新態(tài)勢(shì)，與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和民生深度融合，大航天時(shí)代正在拉開(kāi)帷幕[1,2,4～8]。

航天運(yùn)輸系統(tǒng)作為一個(gè)國(guó)家航天活動(dòng)的支撐和基礎(chǔ)，是其綜合國(guó)力的重要標(biāo)志[3,9]。世界航天發(fā)展的新態(tài)勢(shì)對(duì)航天運(yùn)輸系統(tǒng)提出了新要求，進(jìn)出空間規(guī)模需求越來(lái)越大，可靠性、經(jīng)濟(jì)性要求越來(lái)越高，同時(shí)人工智能、先進(jìn)材料、新型動(dòng)力等創(chuàng)新技術(shù)的快速進(jìn)步，不斷推動(dòng)航天運(yùn)輸領(lǐng)域產(chǎn)品和技術(shù)的迅速拓展升級(jí)。

當(dāng)前，中國(guó)新一代長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭陸續(xù)投入工程應(yīng)用，各類(lèi)新型航天運(yùn)輸飛行器技術(shù)持續(xù)攻關(guān)，并取得突破成果；面向建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)和領(lǐng)域發(fā)展的使命要求，科學(xué)系統(tǒng)謀劃下一代航天運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

1 發(fā)展態(tài)勢(shì)

美國(guó)、俄羅斯、歐洲等主要航天國(guó)家和地區(qū)，加速構(gòu)建以高可靠、低成本為特征的下一代運(yùn)載火箭，加快重型運(yùn)載火箭研制和重復(fù)使用技術(shù)研發(fā)，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新持續(xù)提升進(jìn)出空間的能力和經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)一步支撐本國(guó)空間科學(xué)、空間技術(shù)、空間應(yīng)用等航天活動(dòng)向更大規(guī)模、更高頻次、更遠(yuǎn)距離發(fā)展。

a）大力研發(fā)重型運(yùn)載火箭，確保航天運(yùn)輸?shù)念I(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

為開(kāi)展大規(guī)模月球探測(cè)和載人火星探測(cè)任務(wù)，搶占太空制高點(diǎn)，美國(guó)同時(shí)發(fā)展兩型重型運(yùn)載火箭（SLS和超重-星艦）。美國(guó)實(shí)施阿爾忒彌斯（Artemis）計(jì)劃，重返月球，開(kāi)發(fā)地月空間，研制重型火箭（SLS），計(jì)劃2022年實(shí)現(xiàn)首飛，SLS 1型近地軌道能力為70 t，SLS 1B型和SLS 2型的近地軌道能力分別達(dá)到105 t和130 t。超重-星艦采用兩級(jí)重復(fù)使用和在軌加注技術(shù)，其上下行能力能夠達(dá)到100噸級(jí)和50噸級(jí)，成功中標(biāo)阿爾忒彌斯（Artemis）計(jì)劃的月球著陸與上升飛行器，同時(shí)具備載人火星探測(cè)等能力，并計(jì)劃在20年內(nèi)實(shí)現(xiàn)載人火星探測(cè)[10,11]。超重-星艦同時(shí)具備低軌大規(guī)模星座快速部署的能力。美國(guó)SpaceX公司星艦運(yùn)輸系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 美國(guó)SpaceX公司“星艦”運(yùn)輸系統(tǒng) Fig.1 SpaceX Starship Transportation System

b）加速重復(fù)使用技術(shù)工程應(yīng)用，推進(jìn)運(yùn)載火箭更新?lián)Q代，實(shí)現(xiàn)更低成本、更高頻次進(jìn)入空間。

世界航天大國(guó)在下一代運(yùn)載火箭研制中均推行模塊化和組合化的設(shè)計(jì)原則，加快航天運(yùn)輸裝備的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，以期通過(guò)大規(guī)模批產(chǎn)大幅提升生產(chǎn)效率和降低成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，例如：歐洲的阿里安6、日本的H3和美國(guó)的火神火箭。與此同時(shí)，重復(fù)使用技術(shù)正在加速工程化應(yīng)用，SpaceX的獵鷹9火箭一子級(jí)已實(shí)現(xiàn)單模塊14次使用，大幅降低了進(jìn)入空間的成本；俄羅斯研制的阿穆?tīng)柣鸺?、歐洲的阿里安6NEXT等均具備重復(fù)使用能力。

面對(duì)以互聯(lián)網(wǎng)星座為代表的日益增加的多主體、大規(guī)模、快速進(jìn)入空間的需求，運(yùn)載火箭發(fā)射頻次不斷變高。高密度任務(wù)背景下，重復(fù)使用可提高火箭產(chǎn)品的履約效率，降低對(duì)產(chǎn)能的需求。以美國(guó)獵鷹9中大型運(yùn)載火箭為例，通過(guò)多工位布局、采用先進(jìn)測(cè)發(fā)模式等措施，測(cè)發(fā)周期僅需12天，同一工位最小發(fā)射間隔7天。圖2為重復(fù)使用運(yùn)載火箭。

圖2 重復(fù)使用運(yùn)載火箭 Fig.2 Reusable Launch Vehicle

c）發(fā)展故障診斷與容錯(cuò)重構(gòu)等智能飛行技術(shù)，本質(zhì)提升可靠性。

故障診斷與容錯(cuò)重構(gòu)、動(dòng)力冗余等技術(shù)應(yīng)用，從本質(zhì)上提升了運(yùn)載火箭飛行可靠性。土星五號(hào)等國(guó)外運(yùn)載火箭在設(shè)計(jì)之初就開(kāi)展了針對(duì)不同故障模式的任務(wù)級(jí)重構(gòu)技術(shù)研究，使其具備在飛行中出現(xiàn)故障時(shí)仍盡可能改變飛行策略，利用全箭剩余能力去完成飛行任務(wù)。2012年10月8日，美國(guó)獵鷹9火箭在DragonCRS-1任務(wù)中，一級(jí)飛行過(guò)程關(guān)閉了1臺(tái)故障發(fā)動(dòng)機(jī)，憑借故障診斷與容錯(cuò)重構(gòu)技術(shù)成功處置了上升段發(fā)動(dòng)機(jī)故障，主任務(wù)仍獲得成功，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)百次發(fā)射成功。

d）航天運(yùn)輸功能更加多樣、內(nèi)涵更加豐富，太空經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。

隨著航天運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展，使得進(jìn)入空間的成本不斷下降，便捷性不斷增加，產(chǎn)品流轉(zhuǎn)周期不斷縮短，催生火箭貨運(yùn)、太空旅游、太空資源開(kāi)發(fā)等新產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)太空經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。在日益豐富的航天任務(wù)需求下，航天運(yùn)輸系統(tǒng)的內(nèi)涵更加豐富。德國(guó)宇航局（DLR）也在開(kāi)展全球極速運(yùn)輸系統(tǒng)的研發(fā)[12]，DLR提出的SpaceLiner空天飛機(jī)將使得歐洲到澳大利亞的飛行時(shí)間縮短為90 min（見(jiàn)圖3）。ULA公司持續(xù)開(kāi)展先進(jìn)半人馬座上面級(jí)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單次使用在軌數(shù)周的能力，并結(jié)合在軌加注重復(fù)使用，滿(mǎn)足大規(guī)模空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸需求，并計(jì)劃將其拓展為月球著陸與上升器，支撐地月空間經(jīng)濟(jì)圈建設(shè)[6～8]，美國(guó)ULA公司先進(jìn)半人馬座及在軌加注示意見(jiàn)圖4。藍(lán)色起源采用新謝潑德、維珍銀河采用太空船二號(hào)（見(jiàn)圖5）、

圖3 德國(guó)DLR提出的SpaceLiner Fig.3 SpaceLiner, DLR of Germany

圖4 美國(guó)ULA公司先進(jìn)半人馬座及在軌加注示意 Fig.4 Advanced Centaur Refueling in Orbit, ULA

圖5 太空船二號(hào) Fig.5 Spaceship Two

SpaceX公司采用獵鷹9火箭開(kāi)展多次亞軌道及入軌級(jí)太空旅游，拓展太空應(yīng)用模式。

2 發(fā)展需求

2.1 戰(zhàn)略發(fā)展需求

航天科技工業(yè)是國(guó)家戰(zhàn)略性高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是綜合國(guó)力、大國(guó)地位的重要體現(xiàn)和標(biāo)志，是國(guó)家科技創(chuàng)新體系的重要組成部分?！?021中國(guó)的航天》白皮書(shū)中提出：“中國(guó)航天將立足新發(fā)展階段，貫徹新發(fā)展理念，構(gòu)建新發(fā)展格局，按照高質(zhì)量發(fā)展要求，推動(dòng)空間科學(xué)、空間技術(shù)、空間應(yīng)用全面發(fā)展，開(kāi)啟全面建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)新征程，為服務(wù)國(guó)家發(fā)展大局、在外空領(lǐng)域推動(dòng)構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體、促進(jìn)人類(lèi)文明進(jìn)步作出更大貢獻(xiàn)”。發(fā)展下一代航天運(yùn)輸系統(tǒng)是航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)的關(guān)鍵，是深入貫徹落實(shí)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的體現(xiàn)，是構(gòu)建太空領(lǐng)域人類(lèi)命運(yùn)共同體的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)航天科技高水平自立自強(qiáng)的戰(zhàn)略要求。

2.2 任務(wù)實(shí)施需求

為實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？臻g探索與開(kāi)發(fā)，中國(guó)航天需具備世界一流的自由進(jìn)出太空、高效利用太空和科學(xué)認(rèn)知太空能力，中國(guó)空間站即將完成在軌建設(shè)，后續(xù)將持續(xù)開(kāi)展空間站的維護(hù)運(yùn)營(yíng)和技術(shù)應(yīng)用[13]，還規(guī)劃了互聯(lián)網(wǎng)星座、載人月球探測(cè)、月球科研站、行星探測(cè)和太陽(yáng)系邊際探測(cè)任務(wù)[14～16]，并提出了建設(shè)覆蓋臨空、近地、地月、行星際空間的太空經(jīng)濟(jì)圈等方案[1,2]。航天運(yùn)輸還將成為太空產(chǎn)業(yè)的重要組成和支柱之一，催生諸多新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，大力推動(dòng)太空經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展?？傊?，航天運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展需滿(mǎn)足近地空間運(yùn)輸高效經(jīng)濟(jì)、地月空間運(yùn)輸可靠安全、星際空間運(yùn)輸自主可達(dá)等要求。

2.3 技術(shù)提升需求

根據(jù)國(guó)際宇航科學(xué)院研究預(yù)測(cè)[4,5]，結(jié)合中國(guó)相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，預(yù)測(cè)到21世紀(jì)中葉中國(guó)每年航天運(yùn)輸總規(guī)模需求將超過(guò)萬(wàn)噸，超出當(dāng)前能力的1～2個(gè)量級(jí)。目前中國(guó)運(yùn)載器年發(fā)射效能已不滿(mǎn)足該要求，需要進(jìn)行跨代升級(jí)。年發(fā)射效能可由運(yùn)載器的能力、效率及成本來(lái)表征。能力包括運(yùn)載能力和可靠性，效率指年發(fā)射次數(shù)，成本指單位載荷發(fā)射成本。下一代航天運(yùn)輸系統(tǒng)需具備更大規(guī)模的運(yùn)載能力、更高的可靠性、更大的發(fā)射頻次和更低的成本。

通過(guò)重復(fù)使用技術(shù)，可以使發(fā)射成本不斷下降。當(dāng)復(fù)用次數(shù)足夠多，一子級(jí)重復(fù)使用的發(fā)射成本可以降低超過(guò)50%，完全重復(fù)使用的發(fā)射成本可以下降1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，且重復(fù)使用后，對(duì)運(yùn)載火箭的產(chǎn)能需求大幅下降。針對(duì)高可靠需求，需發(fā)展故障診斷、健康管理、智能決策、任務(wù)重構(gòu)等技術(shù)。產(chǎn)品通用是實(shí)現(xiàn)模塊化的前提，基于模塊化的批量生產(chǎn)在有效降低產(chǎn)品成本的同時(shí)，可壓縮產(chǎn)品準(zhǔn)備周期；針對(duì)高效測(cè)發(fā)，需發(fā)展智能健康評(píng)估、無(wú)人值守、自動(dòng)化加注、智能測(cè)發(fā)等技術(shù)。運(yùn)載效率是確保擁有主流運(yùn)載能力的前提，是航天運(yùn)輸系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)水平、動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)水平、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平以及原材料和制造技術(shù)水平的綜合表征。因此，重復(fù)使用、智能飛行、高效測(cè)發(fā)、產(chǎn)品通用和性能優(yōu)異等將成為下一代航天運(yùn)輸系統(tǒng)的主要特征。

3 發(fā)展方向

瞄準(zhǔn)航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)目標(biāo)，滿(mǎn)足大規(guī)模空間探索與開(kāi)發(fā)需求，立足發(fā)展基礎(chǔ)，充分利用重復(fù)使用和智能化等技術(shù)，構(gòu)建布局合理、能力完備、性能一流的下一代航天運(yùn)輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高可靠、低成本、多樣化的航天運(yùn)輸服務(wù)能力。

a）研制新一代載人運(yùn)載火箭和重型運(yùn)載火箭，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載能力跨越式發(fā)展，滿(mǎn)足國(guó)家重大工程需求。

“運(yùn)載火箭的能力有多大、航天發(fā)展的舞臺(tái)就有多大”，實(shí)施月球資源開(kāi)發(fā)與利用、載人登月、深空探測(cè)等國(guó)家重大工程，是實(shí)現(xiàn)航天強(qiáng)國(guó)的關(guān)鍵支撐，對(duì)運(yùn)載火箭近地軌道能力需求達(dá)到100噸級(jí)。需要研制新一代載人運(yùn)載火箭和重型運(yùn)載火箭（見(jiàn)圖6），大幅提升進(jìn)入空間能力。

圖6 新一代載人火箭和重型運(yùn)載火箭 Fig.6 New-generation Manned Launch Vehicle and Heavy-lift Launch Vehicle

新一代載人運(yùn)載火箭是根據(jù)中國(guó)載人航天工程長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃，為發(fā)射中國(guó)新一代載人飛船和月面著陸器而全新研制的高可靠、高安全載人火箭，將中國(guó)奔月軌道運(yùn)載能力由8.2 t提升至27 t，填補(bǔ)中國(guó)載人登月的能力空白，具有安全可靠、性能先進(jìn)、流程創(chuàng)新、擴(kuò)展靈活等特點(diǎn)，并且以新一代載人運(yùn)載火箭為基礎(chǔ)可以發(fā)展近地空間站載人和載貨等系列化衍生構(gòu)型，推進(jìn)中國(guó)載人運(yùn)載火箭升級(jí)換代，滿(mǎn)足完成空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)及各種應(yīng)用衛(wèi)星的發(fā)射需求。通過(guò)新一代載人火箭研制，攻克發(fā)動(dòng)機(jī)多機(jī)并聯(lián)、低頻彈性控制、故障診斷及容錯(cuò)重構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步提升火箭可靠性。

根據(jù)中國(guó)運(yùn)載火箭型譜發(fā)展規(guī)劃，重型運(yùn)載火箭是下一代運(yùn)載火箭的核心標(biāo)志，支撐中國(guó)奔月軌道運(yùn)載能力達(dá)到50 t，填補(bǔ)近地軌道運(yùn)載能力100噸級(jí)空白，實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展，滿(mǎn)足深空探測(cè)和近地空間大規(guī)模運(yùn)輸?shù)戎虚L(zhǎng)期發(fā)展需求。重型火箭研制具有極強(qiáng)的帶動(dòng)性，可充分帶動(dòng)先進(jìn)設(shè)計(jì)、高端制造、原材料、元器件等相關(guān)基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展，加速中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，帶動(dòng)中國(guó)高端裝備發(fā)展，推進(jìn)制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)。通過(guò)重型火箭研制，攻克超大直徑箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造、大推力高性能發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造、連接器自動(dòng)對(duì)接、大功率伺服機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，顯著提升中國(guó)航天科技水平，有力支撐中國(guó)航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)，有利于提高民族凝聚力和增強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

b）優(yōu)化新一代運(yùn)載火箭，進(jìn)一步提高火箭綜合性能，服務(wù)軍民商主流載荷高頻次發(fā)射需求。

隨著中國(guó)空間探索與利用的步伐日漸加快，軍民商各領(lǐng)域?qū)Φ统杀?、高效率發(fā)射的需求日益迫切，預(yù)計(jì)到2035年中國(guó)年發(fā)射次數(shù)將超過(guò)百次、發(fā)射入軌質(zhì)量將達(dá)到1000 t以上，特別是中低軌組網(wǎng)發(fā)射任務(wù)將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，亟需提升現(xiàn)役運(yùn)載火箭的能力、效率和可靠性。

研制通用氫氧末級(jí)，采用YF-75D發(fā)動(dòng)機(jī)，適配大尺寸整流罩，優(yōu)化升級(jí)新一代中型火箭，提升SSO軌道和GTO軌道運(yùn)載能力。實(shí)施運(yùn)載火箭性能提升基礎(chǔ)專(zhuān)項(xiàng)，通過(guò)總體參數(shù)精細(xì)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)減重優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)力性能提升、電氣一體化等技術(shù)，提升結(jié)構(gòu)效率、運(yùn)載系數(shù)等核心性能。推進(jìn)靶場(chǎng)測(cè)發(fā)流程優(yōu)化專(zhuān)題，通過(guò)操作自動(dòng)化、測(cè)發(fā)智能化等措施，逐步推進(jìn)氫氧大噴管隨箭運(yùn)輸、鋰電池應(yīng)用等措施，精簡(jiǎn)靶場(chǎng)測(cè)試項(xiàng)目，提高測(cè)發(fā)效率，實(shí)現(xiàn)大型火箭4周、中型火箭2周的測(cè)發(fā)周期。通過(guò)飛行搭載，攻克故障診斷與容錯(cuò)重構(gòu)技術(shù)，并推進(jìn)工程應(yīng)用，從本質(zhì)上提升運(yùn)載火箭可靠性。

c）布局重復(fù)使用運(yùn)載器，大幅降低進(jìn)出空間成本，支撐未來(lái)航班化運(yùn)輸。

著眼未來(lái)更大規(guī)模和更高頻次的航天活動(dòng)，構(gòu)建體系完整、分布合理、性能卓越的天地往返航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)，主要分為以下3步：

第1步，研制基于垂直起降的重復(fù)使用運(yùn)載火箭。為大幅降低進(jìn)出空間的成本，提高產(chǎn)品周轉(zhuǎn)效率，支撐軍民商主流載荷高頻次發(fā)射和全球極速運(yùn)輸服務(wù)，在新一代運(yùn)載火箭基礎(chǔ)上，發(fā)展一子級(jí)垂直起降運(yùn)載火箭，運(yùn)載能力覆蓋新一代運(yùn)載火箭。一子級(jí)重復(fù)使用火箭主要包括考慮上升段和返回段等多約束條件的級(jí)間比等總體參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、氣動(dòng)舵選型及返回段氣動(dòng)特性預(yù)示、返回段高精度GNC技術(shù)、返回段箱壓保障及推進(jìn)劑管理技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)多次點(diǎn)火及推力調(diào)節(jié)技術(shù)、氣動(dòng)舵與RCS聯(lián)合控制技術(shù)、高速再入熱設(shè)計(jì)及防護(hù)技術(shù)、重復(fù)使用結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)技術(shù)、重復(fù)使用快速維護(hù)檢修等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。重復(fù)使用火箭采用多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)配置，攻克并應(yīng)用動(dòng)力冗余技術(shù)是解決多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)可靠性的有效途徑。

第2步，研制升力式飛回重復(fù)使用運(yùn)載器。升力式火箭動(dòng)力運(yùn)載器采用垂直起飛/水平著陸方式，以液氧烴類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力，經(jīng)過(guò)飛行驗(yàn)證，技術(shù)較成熟，具備短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的條件，重復(fù)使用次數(shù)不少于50次。升力式重復(fù)使用運(yùn)載器與垂直起降重復(fù)使用一子級(jí)火箭組合使用，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)完全重復(fù)使用，初步具備天地往返運(yùn)輸?shù)墓こ虘?yīng)用能力。升力式飛回重復(fù)使用運(yùn)載器主要考慮包括跨域高速飛行氣動(dòng)彈性嚴(yán)重、結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題突出、軌跡在線(xiàn)規(guī)劃難收斂求解效率低、低頻密頻氣彈耦合、全流程氣動(dòng)預(yù)示等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

第3步，研制組合動(dòng)力飛行器。利用組合動(dòng)力不同空域、速域的特性和具備快速、便捷進(jìn)出空間的優(yōu)勢(shì)，在總體優(yōu)化、水平再入GNC技術(shù)、組合動(dòng)力模式切換等技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行探索與驗(yàn)證，預(yù)計(jì)21世紀(jì)中葉具備工程應(yīng)用條件。為提高推進(jìn)系統(tǒng)綜合性能，將不同的推進(jìn)系統(tǒng)有機(jī)組合在一起，使飛行器在整個(gè)飛行范圍內(nèi)均具有較優(yōu)的工作性能。寬包線(xiàn)飛行、大尺度機(jī)身和復(fù)雜氣動(dòng)布局是組合動(dòng)力空天飛行器的典型特征。因此，除了動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)之外，為了實(shí)現(xiàn)組合動(dòng)力空天飛行器的工程化研制，還必須突破氣動(dòng)布局、機(jī)體/推進(jìn)一體化、熱防護(hù)與熱管理、制導(dǎo)、控制、地面測(cè)控等一系列關(guān)鍵技術(shù)。

d）發(fā)展高性能空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸系統(tǒng)，拓展航天運(yùn)輸系統(tǒng)軌道部署能力，滿(mǎn)足大規(guī)?？臻g轉(zhuǎn)移運(yùn)輸和大規(guī)模深空探測(cè)需求。

瞄準(zhǔn)未來(lái)空間運(yùn)輸、空間在軌服務(wù)多樣化的任務(wù)需求，進(jìn)一步提升現(xiàn)役上面級(jí)性能。發(fā)展長(zhǎng)期在軌平臺(tái)，拓展在軌時(shí)間和空間目標(biāo)交會(huì)能力，滿(mǎn)足更遠(yuǎn)的深空探測(cè)、更靈活的軌道部署、更多樣化的空間應(yīng)用需求。實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)輸動(dòng)力系統(tǒng)從有毒向無(wú)毒的發(fā)展，為執(zhí)行軌道間/星際間擺渡運(yùn)輸、多載荷發(fā)射、天基組裝發(fā)射，提供高效、低成本、多樣化的空間運(yùn)輸途徑。探索發(fā)展基于核熱推進(jìn)、大功率電推進(jìn)等新型動(dòng)力的空間運(yùn)輸系統(tǒng)，支撐大規(guī)模深空探測(cè)任務(wù)。

針對(duì)現(xiàn)役上面級(jí)，進(jìn)一步優(yōu)化故障診斷與控制重構(gòu)技術(shù)，提升可靠性；通過(guò)剩余量?jī)?yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等措施，進(jìn)一步提升運(yùn)載系數(shù)。研制長(zhǎng)期在軌高性能上面級(jí)，突破間歇沉底、主動(dòng)排氣降溫、推進(jìn)劑蒸發(fā)量控制等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)氫氧末級(jí)在軌時(shí)間從分鐘級(jí)到小時(shí)級(jí)的提升。研制重復(fù)使用軌道轉(zhuǎn)移運(yùn)載器，攻克低溫推進(jìn)劑在軌加注、長(zhǎng)期在軌發(fā)動(dòng)機(jī)多次起動(dòng)、長(zhǎng)期在軌能源管理、在線(xiàn)任務(wù)智能規(guī)劃和空間載荷自動(dòng)對(duì)接等關(guān)鍵技術(shù)。

e）推進(jìn)星箭地協(xié)同發(fā)展，探索航天港建設(shè)，發(fā)揮航天運(yùn)輸系統(tǒng)的支撐作用。

主動(dòng)發(fā)揮航天運(yùn)輸系統(tǒng)的支撐作用，推動(dòng)星箭地接口標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)。在多星布局、多星分離、星箭界面環(huán)境條件等方面，應(yīng)用先進(jìn)布局技術(shù)，開(kāi)展星箭聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)星箭雙方裕度分配合理、余量共享、測(cè)發(fā)流程簡(jiǎn)化，進(jìn)一步提升多星發(fā)射整流罩空間利用效率。箭地協(xié)同方面，以同一工位適應(yīng)多型火箭、一型火箭適應(yīng)多個(gè)工位為原則，依據(jù)火箭發(fā)展規(guī)劃，并適當(dāng)前瞻，牽引發(fā)射、回收、測(cè)控等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，形成協(xié)調(diào)匹配的發(fā)射保障能力。持續(xù)建設(shè)并完善運(yùn)載火箭遠(yuǎn)程測(cè)試發(fā)射支持系統(tǒng)，推動(dòng)高空風(fēng)、加注、彈道諸元等數(shù)據(jù)的信息化傳遞，實(shí)現(xiàn)基地與地面測(cè)發(fā)控?cái)?shù)據(jù)互聯(lián)互通，提高任務(wù)執(zhí)行效率和保障能力。

為滿(mǎn)足商業(yè)航天發(fā)射需求，通過(guò)引入社會(huì)資本，探索建設(shè)商業(yè)航天發(fā)射設(shè)施。為滿(mǎn)足自由進(jìn)出空間、全球極速運(yùn)輸?shù)群桨嗷蝿?wù)，研究安全起降及飛行管控技術(shù)，探索建設(shè)航天港，建設(shè)完備的發(fā)射場(chǎng)、著陸場(chǎng)、中轉(zhuǎn)站和維護(hù)保障設(shè)施，建立航班化航天運(yùn)輸安全起降及飛行管控體系，形成基于航天運(yùn)輸?shù)暮桨嗷瓦\(yùn)、貨運(yùn)服務(wù)交通樞紐及交通網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)航天運(yùn)輸系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、百姓生活的深度融合。

4 發(fā)展思考

瞄準(zhǔn)世界科技前沿，引領(lǐng)科技發(fā)展，發(fā)揮戰(zhàn)略科技力量，為打造世界一流的產(chǎn)品體系和技術(shù)體系，提出以下發(fā)展思考。

a）不忘航天報(bào)國(guó)初心，牢記航天強(qiáng)國(guó)使命，持續(xù)推進(jìn)航天運(yùn)輸系統(tǒng)跨越發(fā)展。

中國(guó)航天創(chuàng)建之初，科技基礎(chǔ)十分薄弱、研制條件非常簡(jiǎn)陋，歷經(jīng)六十余年的艱苦奮斗，航天人用拼搏和汗水鑄就了輝煌成績(jī)，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)航天從無(wú)到有、從小到大的突破性進(jìn)展，彰顯了熱愛(ài)祖國(guó)、無(wú)私奉獻(xiàn)的寶貴精神品質(zhì)。面向未來(lái)，航天人心懷“國(guó)之大者”，以習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想為指導(dǎo)，堅(jiān)決落實(shí)習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)重要論述和“8·26”重要批示，深入實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略和軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略；按照“高質(zhì)量保證成功、高效率完成任務(wù)、高效益推動(dòng)航天強(qiáng)國(guó)和國(guó)防建設(shè)”全面發(fā)展要求，遵循繼承和發(fā)展的原則，強(qiáng)化技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展的作用，以重復(fù)使用、智能飛行、快速測(cè)發(fā)、產(chǎn)品通用、性能優(yōu)異等為特征，積極構(gòu)建具有更大能力、更高可靠性、更高效率和更低成本的下一代航天運(yùn)輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)近地空間運(yùn)輸便捷經(jīng)濟(jì)、地月空間運(yùn)輸高效可靠、星際空間運(yùn)輸自主可達(dá)，有力支撐航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)和世界一流軍隊(duì)建設(shè)。

b）堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建創(chuàng)新體系，實(shí)現(xiàn)航天科技高水平自立自強(qiáng)。

積極打造原創(chuàng)技術(shù)策源地，強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)先和技術(shù)制勝戰(zhàn)略，適應(yīng)多學(xué)科交叉融合發(fā)展趨勢(shì)，強(qiáng)化原創(chuàng)引領(lǐng)導(dǎo)向，加大“無(wú)人區(qū)”前沿探索，集中力量研究新概念、新原理、新技術(shù)，拓展新領(lǐng)域，推動(dòng)人工智能、量子信息等前沿顛覆性技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，培育未來(lái)新的技術(shù)增長(zhǎng)點(diǎn)。建立完整的人工智能技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)智能裝備應(yīng)用，裝備智能化水平躋身世界領(lǐng)先行列。加快攻克熱防護(hù)、先進(jìn)材料等“卡脖子”技術(shù)，強(qiáng)化核心技術(shù)自主可控；統(tǒng)籌做好創(chuàng)新全鏈條布局，強(qiáng)化導(dǎo)航制導(dǎo)與控制、先進(jìn)動(dòng)力等核心專(zhuān)業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

完善創(chuàng)新管理機(jī)制，增強(qiáng)創(chuàng)新活力。構(gòu)建技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)室體系，推進(jìn)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化重組，積極參與國(guó)家實(shí)驗(yàn)室論證。探索建設(shè)創(chuàng)新特區(qū)，建立適應(yīng)前沿科技創(chuàng)新規(guī)律的新型組織模式，打造高端創(chuàng)新平臺(tái)，引領(lǐng)帶動(dòng)航天運(yùn)輸領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展。健全創(chuàng)新投入、成果轉(zhuǎn)化、評(píng)價(jià)考核、資源共享等管理機(jī)制，著力推進(jìn)課題制、揭榜掛帥等創(chuàng)新制度建設(shè)，增強(qiáng)科研人員創(chuàng)新激情和組織創(chuàng)新活力。持續(xù)加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研戰(zhàn)略合作，形成開(kāi)放、融合、協(xié)同、高效的創(chuàng)新文化和創(chuàng)新生態(tài)。

c）推進(jìn)產(chǎn)品化和數(shù)字化工作，提升科研生產(chǎn)效率，推動(dòng)航天產(chǎn)品生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型。

產(chǎn)品化工作是推動(dòng)科研生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要內(nèi)容和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是提高效率、確保質(zhì)量的核心要素。通過(guò)產(chǎn)品化、通用化設(shè)計(jì)和規(guī)模化、批量化生產(chǎn)，提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本。要大力推進(jìn)模塊級(jí)和單機(jī)級(jí)產(chǎn)品的產(chǎn)品化、批量化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展?？傮w設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)高度集成化，將眾多單機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行有效整合，以最簡(jiǎn)化的方式實(shí)現(xiàn)原有的多種功能。

通過(guò)數(shù)字化信息化手段，不斷完善航天基礎(chǔ)能力建設(shè)，提升科研生產(chǎn)效率。完善設(shè)計(jì)工具、集成設(shè)計(jì)平臺(tái)，引入并行工程方法，打造數(shù)字火箭研發(fā)支撐環(huán)境，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)資源統(tǒng)一管理，形成數(shù)字化運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)體系。建立工具齊全、系統(tǒng)完整、結(jié)果準(zhǔn)確的先進(jìn)仿真體系，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的大型化實(shí)物試驗(yàn)和特殊環(huán)境下的試驗(yàn)驗(yàn)證能力，提高運(yùn)載火箭的試驗(yàn)驗(yàn)證水平。加強(qiáng)生產(chǎn)制造過(guò)程單元化、自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化建設(shè)，國(guó)際一流航天產(chǎn)品生產(chǎn)線(xiàn)，提升組批生產(chǎn)能力。通過(guò)建設(shè)分布式協(xié)同生產(chǎn)模式，構(gòu)建全三維數(shù)字化制造能力以及新材料的加工能力，達(dá)到敏捷制造，精益生產(chǎn)的目標(biāo)。實(shí)施覆蓋型號(hào)研制全生命周期的全流程、全要素的數(shù)據(jù)協(xié)同，全面提升設(shè)計(jì)、仿真、制造、試驗(yàn)、保障等環(huán)節(jié)的數(shù)字化研制能力，推動(dòng)科研生產(chǎn)管理模式優(yōu)化升級(jí)。

d）創(chuàng)新研發(fā)模式，發(fā)揮多方優(yōu)勢(shì)，培育航天運(yùn)輸系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

轉(zhuǎn)變研制理念，強(qiáng)化前瞻性、顛覆性等創(chuàng)新技術(shù)與工程研制的深度融合，營(yíng)造允許試錯(cuò)的創(chuàng)新氛圍，充分利用短平快的驗(yàn)證性試驗(yàn)和飛行搭載試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)”的快速迭代循環(huán)，大幅縮短技術(shù)開(kāi)發(fā)周期，盡快投入工程應(yīng)用。探索并建立基于重復(fù)使用火箭的運(yùn)營(yíng)模式，促進(jìn)用戶(hù)從采購(gòu)產(chǎn)品向采購(gòu)服務(wù)轉(zhuǎn)變，牽引單機(jī)、系統(tǒng)和總體等配套單位轉(zhuǎn)變盈利模式，從以提供產(chǎn)品為主轉(zhuǎn)向提供服務(wù)為主，形成重復(fù)使用研制及應(yīng)用發(fā)射的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。

隨著太空經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來(lái)，商業(yè)航天發(fā)射市場(chǎng)的不斷發(fā)展，在航天運(yùn)輸領(lǐng)域，積極引入社會(huì)資本，探索與地方政府合作新模式，充分利用地方政府管理下的、滿(mǎn)足使用條件的工業(yè)廠(chǎng)房等基礎(chǔ)設(shè)施，利用地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展給予的稅收等優(yōu)惠政策，和地方政府建立良好的商業(yè)合作關(guān)系，牽引帶動(dòng)更多的人才和資源投入到航天發(fā)展領(lǐng)域，構(gòu)建航天運(yùn)輸系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈條，形成航天運(yùn)輸系統(tǒng)快速設(shè)計(jì)、快速生產(chǎn)、快速集成和快速履約的良性循環(huán)，實(shí)現(xiàn)航天工程運(yùn)行效益的最大化。

5 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)大規(guī)模空間探索與開(kāi)發(fā)對(duì)航天運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展提出了新需求，重復(fù)使用、智能飛行、高效測(cè)發(fā)、產(chǎn)品通用和性能優(yōu)異是下一代航天運(yùn)輸系統(tǒng)的主要特征。面向科技強(qiáng)國(guó)和航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略需求，立足當(dāng)前基礎(chǔ)，瞄準(zhǔn)世界一流，還需轉(zhuǎn)變研制理念，持續(xù)增強(qiáng)創(chuàng)新能力，發(fā)展更大能力、更高可靠性、更高效率和更低成本的下一代航天運(yùn)輸系統(tǒng)，奠定中國(guó)航天運(yùn)輸邁向航班化的基礎(chǔ)，引領(lǐng)航天運(yùn)輸模式變革，促進(jìn)太空經(jīng)濟(jì)發(fā)展。