王小军
（中国运载火箭技术研究院，北京，100076）
0 引 言
2016年4月24日，首个“中国航天日”之际，习近平总书记做出重要指示：“探索浩瀚宇宙，发展航天事业，建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦”。当前科技飞速发展，世界航天已进入以互联网星座建设、空间资源开发、深空探测、载人月球探测和点对点全球极速运输等为代表的新阶段[1～4]，呈现出任务领域更多样、能力规模更大、技术应用更深入、商业驱动力更强的新态势，与社会、经济和民生深度融合，大航天时代正在拉开帷幕[1,2,4～8]。
航天运输系统作为一个国家航天活动的支撑和基础，是其综合国力的重要标志[3,9]。世界航天发展的新态势对航天运输系统提出了新要求，进出空间规模需求越来越大，可靠性、经济性要求越来越高，同时人工智能、先进材料、新型动力等创新技术的快速进步，不断推动航天运输领域产品和技术的迅速拓展升级。
当前，中国新一代长征系列运载火箭陆续投入工程应用，各类新型航天运输飞行器技术持续攻关，并取得突破成果；
面向建设航天强国和领域发展的使命要求，科学系统谋划下一代航天运输系统的发展具有重要意义。
美国、俄罗斯、欧洲等主要航天国家和地区，加速构建以高可靠、低成本为特征的下一代运载火箭，加快重型运载火箭研制和重复使用技术研发，通过技术创新持续提升进出空间的能力和经济性，进一步支撑本国空间科学、空间技术、空间应用等航天活动向更大规模、更高频次、更远距离发展。
a）大力研发重型运载火箭，确保航天运输的领先优势。
为开展大规模月球探测和载人火星探测任务，抢占太空制高点，美国同时发展两型重型运载火箭（SLS和超重-星舰）。美国实施阿尔忒弥斯（Artemis）计划，重返月球，开发地月空间，研制重型火箭（SLS），计划2022年实现首飞，SLS 1型近地轨道能力为70 t，SLS 1B型和SLS 2型的近地轨道能力分别达到105 t和130 t。超重-星舰采用两级重复使用和在轨加注技术，其上下行能力能够达到100吨级和50吨级，成功中标阿尔忒弥斯（Artemis）计划的月球着陆与上升飞行器，同时具备载人火星探测等能力，并计划在20年内实现载人火星探测[10,11]。超重-星舰同时具备低轨大规模星座快速部署的能力。美国SpaceX公司星舰运输系统见图1。
图1 美国SpaceX公司“星舰”运输系统 Fig.1 SpaceX Starship Transportation System
b）加速重复使用技术工程应用，推进运载火箭更新换代，实现更低成本、更高频次进入空间。
世界航天大国在下一代运载火箭研制中均推行模块化和组合化的设计原则，加快航天运输装备的产业化发展，以期通过大规模批产大幅提升生产效率和降低成本，提高市场竞争力，例如：欧洲的阿里安6、日本的H3和美国的火神火箭。与此同时，重复使用技术正在加速工程化应用，SpaceX的猎鹰9火箭一子级已实现单模块14次使用，大幅降低了进入空间的成本；
俄罗斯研制的阿穆尔火箭、欧洲的阿里安6NEXT等均具备重复使用能力。
面对以互联网星座为代表的日益增加的多主体、大规模、快速进入空间的需求，运载火箭发射频次不断变高。高密度任务背景下，重复使用可提高火箭产品的履约效率，降低对产能的需求。以美国猎鹰9中大型运载火箭为例，通过多工位布局、采用先进测发模式等措施，测发周期仅需12天，同一工位最小发射间隔7天。图2为重复使用运载火箭。
图2 重复使用运载火箭 Fig.2 Reusable Launch Vehicle
c）发展故障诊断与容错重构等智能飞行技术，本质提升可靠性。
故障诊断与容错重构、动力冗余等技术应用，从本质上提升了运载火箭飞行可靠性。土星五号等国外运载火箭在设计之初就开展了针对不同故障模式的任务级重构技术研究，使其具备在飞行中出现故障时仍尽可能改变飞行策略，利用全箭剩余能力去完成飞行任务。2012年10月8日，美国猎鹰9火箭在DragonCRS-1任务中，一级飞行过程关闭了1台故障发动机，凭借故障诊断与容错重构技术成功处置了上升段发动机故障，主任务仍获得成功，实现了连续百次发射成功。
d）航天运输功能更加多样、内涵更加丰富，太空经济快速发展。
随着航天运输技术的发展，使得进入空间的成本不断下降，便捷性不断增加，产品流转周期不断缩短，催生火箭货运、太空旅游、太空资源开发等新产业，促进太空经济的快速发展。在日益丰富的航天任务需求下，航天运输系统的内涵更加丰富。德国宇航局（DLR）也在开展全球极速运输系统的研发[12]，DLR提出的SpaceLiner空天飞机将使得欧洲到澳大利亚的飞行时间缩短为90 min（见图3）。ULA公司持续开展先进半人马座上面级的改进设计，实现单次使用在轨数周的能力，并结合在轨加注重复使用，满足大规模空间转移运输需求，并计划将其拓展为月球着陆与上升器，支撑地月空间经济圈建设[6～8]，美国ULA公司先进半人马座及在轨加注示意见图4。蓝色起源采用新谢泼德、维珍银河采用太空船二号（见图5）、
图3 德国DLR提出的SpaceLiner Fig.3 SpaceLiner, DLR of Germany
图4 美国ULA公司先进半人马座及在轨加注示意 Fig.4 Advanced Centaur Refueling in Orbit, ULA
图5 太空船二号 Fig.5 Spaceship Two
SpaceX公司采用猎鹰9火箭开展多次亚轨道及入轨级太空旅游，拓展太空应用模式。
2.1 战略发展需求
航天科技工业是国家战略性高技术产业，是综合国力、大国地位的重要体现和标志，是国家科技创新体系的重要组成部分。《2021中国的航天》白皮书中提出：“中国航天将立足新发展阶段，贯彻新发展理念，构建新发展格局，按照高质量发展要求，推动空间科学、空间技术、空间应用全面发展，开启全面建设航天强国新征程，为服务国家发展大局、在外空领域推动构建人类命运共同体、促进人类文明进步作出更大贡献”。发展下一代航天运输系统是航天强国建设的关键，是深入贯彻落实创新驱动发展战略的体现，是构建太空领域人类命运共同体的基础，是实现航天科技高水平自立自强的战略要求。
2.2 任务实施需求
为实现大规模空间探索与开发，中国航天需具备世界一流的自由进出太空、高效利用太空和科学认知太空能力，中国空间站即将完成在轨建设，后续将持续开展空间站的维护运营和技术应用[13]，还规划了互联网星座、载人月球探测、月球科研站、行星探测和太阳系边际探测任务[14～16]，并提出了建设覆盖临空、近地、地月、行星际空间的太空经济圈等方案[1,2]。航天运输还将成为太空产业的重要组成和支柱之一，催生诸多新兴产业的发展，大力推动太空经济蓬勃发展。总之，航天运输系统的发展需满足近地空间运输高效经济、地月空间运输可靠安全、星际空间运输自主可达等要求。
2.3 技术提升需求
根据国际宇航科学院研究预测[4,5]，结合中国相关发展规划，预测到21世纪中叶中国每年航天运输总规模需求将超过万吨，超出当前能力的1～2个量级。目前中国运载器年发射效能已不满足该要求，需要进行跨代升级。年发射效能可由运载器的能力、效率及成本来表征。能力包括运载能力和可靠性，效率指年发射次数，成本指单位载荷发射成本。下一代航天运输系统需具备更大规模的运载能力、更高的可靠性、更大的发射频次和更低的成本。
通过重复使用技术，可以使发射成本不断下降。当复用次数足够多，一子级重复使用的发射成本可以降低超过50%，完全重复使用的发射成本可以下降1～2个数量级，且重复使用后，对运载火箭的产能需求大幅下降。针对高可靠需求，需发展故障诊断、健康管理、智能决策、任务重构等技术。产品通用是实现模块化的前提，基于模块化的批量生产在有效降低产品成本的同时，可压缩产品准备周期；
针对高效测发，需发展智能健康评估、无人值守、自动化加注、智能测发等技术。运载效率是确保拥有主流运载能力的前提，是航天运输系统总体设计水平、动力系统技术水平、结构设计水平以及原材料和制造技术水平的综合表征。因此，重复使用、智能飞行、高效测发、产品通用和性能优异等将成为下一代航天运输系统的主要特征。
瞄准航天强国建设目标，满足大规模空间探索与开发需求，立足发展基础，充分利用重复使用和智能化等技术，构建布局合理、能力完备、性能一流的下一代航天运输系统，实现大规模、高可靠、低成本、多样化的航天运输服务能力。
a）研制新一代载人运载火箭和重型运载火箭，实现运载能力跨越式发展，满足国家重大工程需求。
“运载火箭的能力有多大、航天发展的舞台就有多大”，实施月球资源开发与利用、载人登月、深空探测等国家重大工程，是实现航天强国的关键支撑，对运载火箭近地轨道能力需求达到100吨级。需要研制新一代载人运载火箭和重型运载火箭（见图6），大幅提升进入空间能力。
图6 新一代载人火箭和重型运载火箭 Fig.6 New-generation Manned Launch Vehicle and Heavy-lift Launch Vehicle
新一代载人运载火箭是根据中国载人航天工程长远发展规划，为发射中国新一代载人飞船和月面着陆器而全新研制的高可靠、高安全载人火箭，将中国奔月轨道运载能力由8.2 t提升至27 t，填补中国载人登月的能力空白，具有安全可靠、性能先进、流程创新、扩展灵活等特点，并且以新一代载人运载火箭为基础可以发展近地空间站载人和载货等系列化衍生构型，推进中国载人运载火箭升级换代，满足完成空间站运营任务及各种应用卫星的发射需求。通过新一代载人火箭研制，攻克发动机多机并联、低频弹性控制、故障诊断及容错重构等关键技术，进一步提升火箭可靠性。
根据中国运载火箭型谱发展规划，重型运载火箭是下一代运载火箭的核心标志，支撑中国奔月轨道运载能力达到50 t，填补近地轨道运载能力100吨级空白，实现跨越发展，满足深空探测和近地空间大规模运输等中长期发展需求。重型火箭研制具有极强的带动性，可充分带动先进设计、高端制造、原材料、元器件等相关基础工业的发展，加速中国制造业转型升级，带动中国高端装备发展，推进制造强国建设。通过重型火箭研制，攻克超大直径箭体结构设计制造、大推力高性能发动机设计制造、连接器自动对接、大功率伺服机构等关键技术，显著提升中国航天科技水平，有力支撑中国航天强国建设，有利于提高民族凝聚力和增强国际竞争力。
b）优化新一代运载火箭，进一步提高火箭综合性能，服务军民商主流载荷高频次发射需求。
随着中国空间探索与利用的步伐日渐加快，军民商各领域对低成本、高效率发射的需求日益迫切，预计到2035年中国年发射次数将超过百次、发射入轨质量将达到1000 t以上，特别是中低轨组网发射任务将呈现爆发式增长，亟需提升现役运载火箭的能力、效率和可靠性。
研制通用氢氧末级，采用YF-75D发动机，适配大尺寸整流罩，优化升级新一代中型火箭，提升SSO轨道和GTO轨道运载能力。实施运载火箭性能提升基础专项，通过总体参数精细化设计、结构减重优化设计、动力性能提升、电气一体化等技术，提升结构效率、运载系数等核心性能。推进靶场测发流程优化专题，通过操作自动化、测发智能化等措施，逐步推进氢氧大喷管随箭运输、锂电池应用等措施，精简靶场测试项目，提高测发效率，实现大型火箭4周、中型火箭2周的测发周期。通过飞行搭载，攻克故障诊断与容错重构技术，并推进工程应用，从本质上提升运载火箭可靠性。
c）布局重复使用运载器，大幅降低进出空间成本，支撑未来航班化运输。
着眼未来更大规模和更高频次的航天活动，构建体系完整、分布合理、性能卓越的天地往返航班化航天运输系统，主要分为以下3步：
第1步，研制基于垂直起降的重复使用运载火箭。为大幅降低进出空间的成本，提高产品周转效率，支撑军民商主流载荷高频次发射和全球极速运输服务，在新一代运载火箭基础上，发展一子级垂直起降运载火箭，运载能力覆盖新一代运载火箭。一子级重复使用火箭主要包括考虑上升段和返回段等多约束条件的级间比等总体参数优化设计技术、气动舵选型及返回段气动特性预示、返回段高精度GNC技术、返回段箱压保障及推进剂管理技术、发动机多次点火及推力调节技术、气动舵与RCS联合控制技术、高速再入热设计及防护技术、重复使用结构机构技术、重复使用快速维护检修等多项关键技术。重复使用火箭采用多台发动机并联配置，攻克并应用动力冗余技术是解决多台发动机并联可靠性的有效途径。
第2步，研制升力式飞回重复使用运载器。升力式火箭动力运载器采用垂直起飞/水平着陆方式，以液氧烃类发动机作为主动力，经过飞行验证，技术较成熟，具备短期内实现工程应用的条件，重复使用次数不少于50次。升力式重复使用运载器与垂直起降重复使用一子级火箭组合使用，实现两级完全重复使用，初步具备天地往返运输的工程应用能力。升力式飞回重复使用运载器主要考虑包括跨域高速飞行气动弹性严重、结构疲劳问题突出、轨迹在线规划难收敛求解效率低、低频密频气弹耦合、全流程气动预示等多项关键技术。
第3步，研制组合动力飞行器。利用组合动力不同空域、速域的特性和具备快速、便捷进出空间的优势，在总体优化、水平再入GNC技术、组合动力模式切换等技术领域进行探索与验证，预计21世纪中叶具备工程应用条件。为提高推进系统综合性能，将不同的推进系统有机组合在一起，使飞行器在整个飞行范围内均具有较优的工作性能。宽包线飞行、大尺度机身和复杂气动布局是组合动力空天飞行器的典型特征。因此，除了动力系统设计之外，为了实现组合动力空天飞行器的工程化研制，还必须突破气动布局、机体/推进一体化、热防护与热管理、制导、控制、地面测控等一系列关键技术。
d）发展高性能空间转移运输系统，拓展航天运输系统轨道部署能力，满足大规模空间转移运输和大规模深空探测需求。
瞄准未来空间运输、空间在轨服务多样化的任务需求，进一步提升现役上面级性能。发展长期在轨平台，拓展在轨时间和空间目标交会能力，满足更远的深空探测、更灵活的轨道部署、更多样化的空间应用需求。实现空间运输动力系统从有毒向无毒的发展，为执行轨道间/星际间摆渡运输、多载荷发射、天基组装发射，提供高效、低成本、多样化的空间运输途径。探索发展基于核热推进、大功率电推进等新型动力的空间运输系统，支撑大规模深空探测任务。
针对现役上面级，进一步优化故障诊断与控制重构技术，提升可靠性；
通过剩余量优化、结构优化等措施，进一步提升运载系数。研制长期在轨高性能上面级，突破间歇沉底、主动排气降温、推进剂蒸发量控制等关键技术，实现氢氧末级在轨时间从分钟级到小时级的提升。研制重复使用轨道转移运载器，攻克低温推进剂在轨加注、长期在轨发动机多次起动、长期在轨能源管理、在线任务智能规划和空间载荷自动对接等关键技术。
e）推进星箭地协同发展，探索航天港建设，发挥航天运输系统的支撑作用。
主动发挥航天运输系统的支撑作用，推动星箭地接口标准化体系建设。在多星布局、多星分离、星箭界面环境条件等方面，应用先进布局技术，开展星箭联合优化设计，实现星箭双方裕度分配合理、余量共享、测发流程简化，进一步提升多星发射整流罩空间利用效率。箭地协同方面，以同一工位适应多型火箭、一型火箭适应多个工位为原则，依据火箭发展规划，并适当前瞻，牵引发射、回收、测控等基础设施建设，形成协调匹配的发射保障能力。持续建设并完善运载火箭远程测试发射支持系统，推动高空风、加注、弹道诸元等数据的信息化传递，实现基地与地面测发控数据互联互通，提高任务执行效率和保障能力。
为满足商业航天发射需求，通过引入社会资本，探索建设商业航天发射设施。为满足自由进出空间、全球极速运输等航班化任务，研究安全起降及飞行管控技术，探索建设航天港，建设完备的发射场、着陆场、中转站和维护保障设施，建立航班化航天运输安全起降及飞行管控体系，形成基于航天运输的航班化客运、货运服务交通枢纽及交通网络，实现航天运输系统与经济发展、百姓生活的深度融合。
瞄准世界科技前沿，引领科技发展，发挥战略科技力量，为打造世界一流的产品体系和技术体系，提出以下发展思考。
a）不忘航天报国初心，牢记航天强国使命，持续推进航天运输系统跨越发展。
中国航天创建之初，科技基础十分薄弱、研制条件非常简陋，历经六十余年的艰苦奋斗，航天人用拼搏和汗水铸就了辉煌成绩，实现了中国航天从无到有、从小到大的突破性进展，彰显了热爱祖国、无私奉献的宝贵精神品质。面向未来，航天人心怀“国之大者”，以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，坚决落实习近平总书记关于航天强国建设重要论述和“8·26”重要批示，深入实施创新驱动发展战略和军民融合发展战略；
按照“高质量保证成功、高效率完成任务、高效益推动航天强国和国防建设”全面发展要求，遵循继承和发展的原则，强化技术创新引领发展的作用，以重复使用、智能飞行、快速测发、产品通用、性能优异等为特征，积极构建具有更大能力、更高可靠性、更高效率和更低成本的下一代航天运输系统，实现近地空间运输便捷经济、地月空间运输高效可靠、星际空间运输自主可达，有力支撑航天强国建设和世界一流军队建设。
b）坚持创新驱动，构建创新体系，实现航天科技高水平自立自强。
积极打造原创技术策源地，强化技术领先和技术制胜战略，适应多学科交叉融合发展趋势，强化原创引领导向，加大“无人区”前沿探索，集中力量研究新概念、新原理、新技术，拓展新领域，推动人工智能、量子信息等前沿颠覆性技术在航天领域的应用，培育未来新的技术增长点。建立完整的人工智能技术体系，实现系统级智能装备应用，装备智能化水平跻身世界领先行列。加快攻克热防护、先进材料等“卡脖子”技术，强化核心技术自主可控；
统筹做好创新全链条布局，强化导航制导与控制、先进动力等核心专业技术的基础研究和应用基础研究。
完善创新管理机制，增强创新活力。构建技术创新平台和实验室体系，推进国家级重点实验室优化重组，积极参与国家实验室论证。探索建设创新特区，建立适应前沿科技创新规律的新型组织模式，打造高端创新平台，引领带动航天运输领域创新发展。健全创新投入、成果转化、评价考核、资源共享等管理机制，着力推进课题制、揭榜挂帅等创新制度建设，增强科研人员创新激情和组织创新活力。持续加强产学研战略合作，形成开放、融合、协同、高效的创新文化和创新生态。
c）推进产品化和数字化工作，提升科研生产效率，推动航天产品生产模式转型。
产品化工作是推动科研生产模式转型升级的重要内容和关键环节，是提高效率、确保质量的核心要素。通过产品化、通用化设计和规模化、批量化生产，提升产品质量、降低产品成本。要大力推进模块级和单机级产品的产品化、批量化生产，实现产业化的发展。总体设计要实现高度集成化，将众多单机产品进行有效整合，以最简化的方式实现原有的多种功能。
通过数字化信息化手段，不断完善航天基础能力建设，提升科研生产效率。完善设计工具、集成设计平台，引入并行工程方法，打造数字火箭研发支撑环境，实现设计资源统一管理，形成数字化运载火箭设计体系。建立工具齐全、系统完整、结果准确的先进仿真体系，实现虚实结合的大型化实物试验和特殊环境下的试验验证能力，提高运载火箭的试验验证水平。加强生产制造过程单元化、自动化、数字化、信息化建设，国际一流航天产品生产线，提升组批生产能力。通过建设分布式协同生产模式，构建全三维数字化制造能力以及新材料的加工能力，达到敏捷制造，精益生产的目标。实施覆盖型号研制全生命周期的全流程、全要素的数据协同，全面提升设计、仿真、制造、试验、保障等环节的数字化研制能力，推动科研生产管理模式优化升级。
d）创新研发模式，发挥多方优势，培育航天运输系统可持续发展产业生态。
转变研制理念，强化前瞻性、颠覆性等创新技术与工程研制的深度融合，营造允许试错的创新氛围，充分利用短平快的验证性试验和飞行搭载试验，实现“设计、制造、试验”的快速迭代循环，大幅缩短技术开发周期，尽快投入工程应用。探索并建立基于重复使用火箭的运营模式，促进用户从采购产品向采购服务转变，牵引单机、系统和总体等配套单位转变盈利模式，从以提供产品为主转向提供服务为主，形成重复使用研制及应用发射的内在驱动力。
随着太空经济时代的到来，商业航天发射市场的不断发展，在航天运输领域，积极引入社会资本，探索与地方政府合作新模式，充分利用地方政府管理下的、满足使用条件的工业厂房等基础设施，利用地方经济发展给予的税收等优惠政策，和地方政府建立良好的商业合作关系，牵引带动更多的人才和资源投入到航天发展领域，构建航天运输系统产业链条，形成航天运输系统快速设计、快速生产、快速集成和快速履约的良性循环，实现航天工程运行效益的最大化。
未来大规模空间探索与开发对航天运输系统的发展提出了新需求，重复使用、智能飞行、高效测发、产品通用和性能优异是下一代航天运输系统的主要特征。面向科技强国和航天强国建设战略需求，立足当前基础，瞄准世界一流，还需转变研制理念，持续增强创新能力，发展更大能力、更高可靠性、更高效率和更低成本的下一代航天运输系统，奠定中国航天运输迈向航班化的基础，引领航天运输模式变革，促进太空经济发展。
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