未來30年航天技術的發展

作為航天技術的基礎，裝載技術代表了一個國家能夠自由進出空間的能力，這是空間技術和計算機科學發展的基礎和前提。因此，世界上的主要航天國家正在研究先進的航空航天運輸工人技術，以保持領先地位。未來30年內，以信息、通信與電子技術，先進材料技術、先進能源及動力技術、先進制造技術等為代表的一批基礎科學技術將取得重大突破，這將直接推動航天技術的快速發展。隨著以新一代大型運載火箭為代表的重大科技專項工程的順利實施，以及各類基礎科學技術不斷取得突破進展，可以預測未來的30年（2010～2040年）將迎來我國航天運載技術迅猛發展的戰略機遇期。航天技術健全的主要需求從以美、俄為代表的航天強國的發展歷程來看，隨著航天應用技術的迅猛發展，未來軍事、經濟、社會活動對航天技術的依賴程度將越來越高，航天技術除了要滿足日常的軍用、民用及商用發展建設任務需求外，還要逐步滿足直接支持軍事行動的戰術應用需求。當前，美國、俄羅斯、歐盟等航天強國基本上已形成了包括以一次性運載火箭、航天飛機、天地往返運輸重復使用運載器、軌道轉移飛行器、深空運輸飛行器等綜合的航天運輸體系，通過對其未來30年的發展趨勢總結分析，可以看出國外航天運載技術的發展趨勢如下：(1）高效、模塊化的新型變壓器當今世界航天大國已經或即將完成一次性運載火箭的更新換代，新投入使用的主流運載火箭如歐空局的“阿里安5”、美國“宇宙神5”、“德爾塔4”、日本的“H2-A”等新型運載火箭，都采用了高可靠、低成本、大直徑、少級數、使用無毒無污染推進劑的新型運載技術，以氫氧發動機或液氧煤油發動機作為主動力，這些新型運載火箭的近地軌道運載能力一般超過20t，地球同步轉移軌道運載能力可達到10t以上，采用模塊化的組合方式形成運載能力覆蓋范圍較廣的新型運載火箭系列。上面級是提高火箭性能和提高任務適應能力的有效途徑之一，目前國外正在使用或新研制的運載火箭上面級有10多種型號，具有多次啟動變軌能力及長時間在軌飛行能力，可以進行多星發射及軌道部署，以及執行MEO、GEO直接入軌任務。新投入使用的新型主流運載火箭都是通過組合不同的上面級，形成擁有各種運載能力、能執行多種任務的新型運載火箭系列。(2）快速機動發射小型變壓器美國為了繼續維持其全球霸主地位，提出具備全球快速精確打擊能力。滿足快速進入空間軍事應用需求的小型運載火箭，不要求具有太高的運載能力，但是必須具備低成本、高可靠、機動能力強、操作簡單等特點?？焖贆C動發射小型運載火箭目前主要集中于美俄兩國，在役型號多是在戰略導彈基礎上改裝或研制而成的，如美國的飛馬座、金牛座、米諾陶，俄羅斯的起跑號、靜海號、波浪號。新研制火箭多以液體和固液混合推進劑為主，如美國的法爾肯1、快速到達、風馳，俄羅斯的飛行號。發射平臺以陸基和空基機動為主。其中空基發射運載火箭具有良好的機動性、靈活性和成本低等優點，已成為美俄實現快速進入空間的主要途徑。目前，美國在已有飛馬座空射火箭的基礎上，正在研制快速到達空射小型運載火箭；俄羅斯在研的飛行號和依希姆系統等也均為空射小型運載火箭。(3）未來年發達目標下的使用美國為重返月球計劃正在研制阿瑞斯1和阿瑞斯5兩種運載火箭，用于載人登月并建立月球基地。其中，戰神5為載貨的重型運載火箭，采用人貨分運、近地軌道對接的方式實現載人登月的目標。俄羅斯也在制定2040年前的航天發展計劃，目標是在2025年以前派遣宇航員登上月球，為此考慮在新型安加拉運載火箭的基礎上研制超重型運載火箭。歐洲、日本、印度也制定了相關的登月計劃，并也將在該計劃下進行重型運載火箭的研制工作。新研制的載人登月運載火箭更加重視的安全性和可靠性設計，將載人和運貨分開，充分借鑒成熟的技術和產品，注重系統全生命周期的成本和風險控制。未來長距離的星際航行運輸將依賴組合運輸系統，軌道對接組裝技術是發展星際載人運輸技術的關鍵。(4）重復使用方案的研發美國航天飛機的失事和退役雖然給重復使用運載器的研發工作蒙上了陰影，但是各國重復使用運載器的單項關鍵技術研發工作卻更加熱烈。重復使用運載器的發展途徑是先進行關鍵技術攻關和演示驗證，而后開展全尺寸飛行器的研制。按照循序漸進、逐步突破的原則，并注重中間成果的轉換。通過小尺寸樣機的飛行演示來驗證總體方案的可行性和關鍵技術，并積累設計數據，針對暴露出來的問題，進一步完善設計，降低技術風險和投資風險。當前重復使用運載器的技術重點是發展助推級或軌道級兩級入軌部分重復使用運載器，近期內仍以火箭發動機為動力，遠期向吸氣式組合發動機為動力，美國提出最終發展成為可以2h內全球快速到達的空天作戰飛機。此外美國一些私營公司也積極研制了亞軌道重復使用運載器，發展了“白色騎士”等亞軌道重復使用運載器，并以此帶動了亞軌道空間旅游業的迅猛發展。(5）軌道轉移航天器隨著在軌服務需求的不斷增加，各航天大國均發展基于先進上面級技術的各種軌道轉移運輸飛行器，如俄羅斯的Fregat火箭和歐洲的ESC-B火箭，其所使用的發動機具有多次啟動能力，軌道機動能力更強。這類軌道轉移飛行器不僅能將有效載荷送入工作軌道，進行軌道轉移飛行，滿足不同軌道任務的需求，還能為有效載荷提供在軌服務和燃料加注補給，軍事應用前景廣泛。例如，美國計劃在2015年后部署的軌道轉移飛行器，通過對美國空間資源進行在軌服務，能顯著提高這些空間資源的靈活性和作戰能力。俄羅斯發展了“渡船號”空間拖船，用于空間站的在軌支持。歐洲和日本為支持國際空間站任務，研制了自動轉移運輸飛行器（ATV）和H-2A自動轉移運輸飛行器（HTV），用于向國際空間站運送所需物資。未來30年0年車載技術發展面臨的機遇和挑戰我國航天運載技術的發展起步于20世紀50年代，先后成功研制了長征一號、長征二號、長征三號、長征四號等15個型號的運載火箭，實現了從常溫推進劑到低溫推進劑，從串聯到捆綁，從一箭單星到一箭多星，從發射衛星到發射載人飛船的跨越式發展，組成了相對完備的運載火箭型譜，近地軌道運載能力達到8500kg，太陽同步軌道（SSO）運載能力達到6100kg，地球同步轉移軌道運載能力達到5500kg，基本能夠滿足不同用戶的需求。雖然我國航天運載技術取得了舉世矚目的成就，但與此同時我國長征運載火箭仍屬于“家族式”發展模式，每個運載型號的發展都源于特定的需求，型號間技術狀態差別較大，“三化”（通用化、系列化、組合化）程度不足，運載能力與現有國際主流運載火箭相比偏低且互相重疊，設計可靠性有待進一步提高，內陸航區安全性差，測試發射周期長，任務適應能力不足，相對于國外主流運載火箭和先進航天運載技術仍存在較大的差距，不能滿足未來國防建設和國民經濟的發展建設要求。與此同時，國內衛星應用需求日益旺盛，以二代導航二期工程、高分辨率對地觀測工程、載人航天工程、月球探測工程等為代表的國家重大科技工程，以及未來可能的載人登月及其他深空探測任務等都對運載火箭的發展提出了迫切的需求。因此無論是從技術推動發展還是應用需求牽引的角度來看，未來30年都將是中國航天運載技術發展的戰略機遇期，其面臨的機遇和挑戰主要體現在以下幾個方面：(1）高密度的發射需求。可以預測未來30年內衛星技術的發展將以新一代大型地球靜止軌道衛星平臺和太陽同步軌道小衛星平臺的發展為主，衛星總數量預計在200～300顆左右，考慮到搭載及一箭多星等多種發射模式，運載火箭年發射率將顯著增加。然而當前我國長征系列運載火箭的年發射率較低，同一型號運載火箭每發之間的技術狀態變化較多，個別單機產品，如個別單機的生產制造周期偏長，成為研制任務的短板，導致運載火箭批量化的生產制造發射能力不足；此外，當前我國僅有西昌、太原、酒泉3個內陸發射場，每次發射任務間發射塔架的修復及狀態轉換周期較長；各類工業基礎能力不足的情況將對提高運載火箭年發射率形成限制。(2）大幅提高運載能力的需求。我國在役的長征火箭運載能力，目前進入空間運載能力低軌為8.5t,GTO為5.5t，對于大型和重型有效載荷的發射要求已難以通過進一步挖掘潛力來滿足，不能滿足大平臺衛星及后續載人登月等任務的需求。因此必須發展新一代大型運載火箭技術，采用大直徑結構、大推力發動機等先進技術，大幅度提高運載能力，使近地軌道最大運載能力滿足20t級、地球同步轉移軌道運載能力達到10t級。同時，面對未來可能的載人登月任務，要求運載能力達到近地軌道100t級，奔月軌道50t級，必須發展重型運載火箭技術。整體來看可以預計：未來30年內運載火箭的低軌運載能力需達到20～100t級，因此，迫切需要運載能力上一個新臺階。(3）快速發射的需求。目前長征系列運載火箭發射準備周期一般在30～50天左右，且主要依賴固體塔架進行發射，應急快速發射能力不足。為滿足民用應急減災對快速發射的要求，需要發展新型具備快速響應發射能力的小型運載火箭。依賴簡易塔架發射的液體小運載需滿足周發射，依賴車載機動發射的固體小運載需滿足天發射，依賴空中發射的小型運載火箭需滿足數小時發射的要求，逐步滿足民用減災對快速發射的需求。(4）多星發射及軌道機動的需求。我國目前運載火箭的上面級多星軌道部署和深空運輸能力不足，難以滿足GEO、MEO軌道直接入軌、多星發射等任務需求。隨著新一代大型運載火箭的研制成功，進入空間的能力大大增強，預計2020年后所執行的任務中將出現多星異軌部署和深空運輸的要求，需要實現長期在軌的軌道部署能力，并實現以月球、火星為代表的星際航行運輸能力。(5）發展先進運載技術的需求。與國外先進航天運載技術相比，我國航天運載技術整體來看還落后15～20年。在先進運載技術領域如重復使用運載器技術、高超聲速飛行器技術、在軌組裝深空運輸飛行器技術、基于先進推進技術運載器等方面都存在較大差距，僅停留在跟蹤研究階段，所需的基礎技術和關鍵技術儲備嚴重不足，如果現在不加大加快對先進運載技術的預研力度，30年后技術差距將會進一步擴大，難以保持我航天大國的地位和可持續發展空間。重視新型通道式真體服務，提高可靠性，適應未來挑戰預計經過30年的快速發展建設后，我國航天運輸系統將逐步建設成為包括一次性運載火箭、軌道轉移運輸飛行器、重復使用天地往返運輸系統在內的綜合航天運輸體系，與國外先進航天運載技術的差距逐步縮小。預測發展的重點方向將包括以下幾個方面：(1）現役長征系列運載火箭持續改進。當前國家正在實施的載人航天、二代導航二期、高分辨率對地觀測及探月等國家重大科技專項工程，相當一部分任務都是由現役的長征系列運載火箭來完成的。在新一代系列運載火箭投入使用之前，現役運載火箭至少還有20年的服役期，因此應該不斷改進現役運載火箭，提高其可靠性及任務適應能力，拓寬任務適應范圍，縮短靶場測試流程，滿足國內外近期高密度發射任務的需求。繼續通過可靠性增長技術研究和試驗，不斷提高現有運載火箭的可靠性。針對現有運載火箭的研制生產、測試發射中暴露出來的薄弱環節，以及潛在的故障隱患，提出解決途徑。對現有型號運載火箭持續進行“三化”設計改進，降低成本，提高適應性，提高我國運載火箭在國際衛星發射市場上的競爭能力。此外，隨著運載火箭發射次數的增加，內陸發射場的航區安全問題備受關注，通常運載火箭總體方案設計時為選擇合適的落區及保證星箭測控條件，要犧牲掉部分運載能力。采用助推器落區可控回收技術后，可以有效解決落區安全問題，提高運載火箭的運載能力，并為重復使用助推器的研發積累技術基礎。預計未來30年內，采用翼傘技術或有翼滑翔技術的大型捆綁式運載火箭液體助推器可控回收技術將取得突破性進展。(2）新一代大型重新保護及新技術方案新一代運載火箭作為我國現役長征系列運載火箭的更新換代產品，旨在全面提高中國運載火箭的整體水平和能力，保持我國運載技術在世界航天領域的地位。新一代運載火箭采用無毒、無污染推進劑，采用大直徑結構、大推力發動機等先進技術，大幅度提高運載能力，低軌最大運載能力達到20t級、GT0最大運載能力達到10t級；實現型號的“三化”設計，具備低成本、高可靠、測試操作方便的優點，建成后的型譜化系列能適應發射不同有效載荷的要求。我國新一代運載火箭按照“立足長遠、統籌規劃、優先發展、分布實施”的發展原則，遵循“1個系列、2種發動機、3個模塊”的總體思路，通過模塊化組合方式，可以形成包括5m直徑大型運載火箭、3.35m直徑中型運載火箭和小型運載火箭在內的6種大型運載、6種中型運載、2種小型運載的火箭系列。為避免型譜間運載能力交叉重疊，初步選定新一代小型運載火箭、新一代中型運載火箭、新一代大型運載火箭三型運載火箭進行優先發展，同時配合先進上面級的研制，可以進一步提高新一代運載火箭系列的運載能力和任務適應性。新一代大型運載火箭的定位是用于發射載人航天工程空間站、月球探測第三期和低軌遙感大平臺等特殊的大型航天器載荷，也可用于發射大型地球同步轉移軌道衛星。目前優先發展的CZ-5運載火箭為低軌運載能力最大的兩級半構型運載火箭，其芯一級采用5m直模塊，安裝2臺50t級推力的氫氧發動機（YF-77），發動機雙向擺動；芯二級采用改進的CZ-3A三子級氫氧發動機（YF-75D）作為主動力，可以2次啟動，發動機雙擺；助推級采用4個3.35m直徑模塊，安裝2臺120t級推力的液氧煤油發動機（YF-100）；整流罩直徑5.2m，長約20m。全箭總長約62m，起飛重量802t，起飛推力約1066.8t，該構型火箭的地球同步軌道轉移運載能力約為12t級，其綜合性能指標將達到國際上主流運載火箭水平。未來可通過改變助推器模塊來在軌過程中需解決的熱控、能源、數噸級推進劑的能量管理、低溫推進劑的蒸發量控制等關鍵技術，具備多星發射能力，拓展對不同有效載荷發射任務的適應性；第二步是發展軌道機動飛行器，獲取長期在軌、大機動、強自主空間運輸平臺技術能力。通過系統集成進行相關技術的飛行演示驗證，逐步掌握空間機動平臺技術、載荷技術，為實現軌道運輸、在軌部署、空間服務等應用任務奠定基礎。構成滿足不同運載能力需求的CZ-5新一代大運載火箭系列。如以一級半構型為基礎（即去掉芯二級），捆綁2個3.35m模塊和2個2.25m模塊，LEO運載能力可達18t；捆綁4個2.25m模塊，LEO運載能力可達10t；以CZ-5二級半構型為基礎，捆綁2個3.35m模塊和2個2.25m模塊，GTO運載能力可達10t，捆綁4個2.25m模塊，GTO運載能力可達6t。(3）運輸能力展望軌道機動能力是未來發展深空探測及空間軌道服務能力的基礎。預計未來發展目標是具有較強的軌道機動能力，可以完成軌道轉移、在軌服務、在軌駐留等空間任務。主要包括2個方面：第一步是研制先進上面級提高新一代運載火箭的任務適用范圍，顯著增強運載能力。通過研制先進上面級可以突破上面級長期(4）針對特殊應用需求，發展重型運載火箭和小型固體運載火箭?！ぶ匦瓦\載火箭。為滿足載人登月任務的需求，需要具備奔月軌道50t的運載能力。目前有2種技術途徑，第一種方案可在新一代運載火箭技術條件的基礎上，發展起飛重量1000t級的三級半構型的運載火箭超大型運載火箭，分3次或者2次將有效載荷送入環月軌道后對接后實施登月；第二種方案發展起飛重量3000t級的重型運載火箭，直接將有效載荷送入環月軌道。初步分析，由于空間多次對接組裝技術難度較大、可靠性低、操作復雜，技術基礎薄弱，然而國內在120t級液氧煤油發動機和50t級液氫液氧發動機的基礎上，發展更大推力規模的液體火箭發動機技術基礎較好，因此預計未來30年內我國將重點發展起飛重量為3000t級的重型運載火箭，將近地軌道運載能力拓展到100t級以上?！ば⌒凸腆w運載火箭。小型固體運載火箭系統結構簡單，射前免加注，操作靈活簡單，因此較為適合應急快速發射的需求；但是受制于機動發射平臺承載重量的限制，目前國內小型固體運載火箭的運載能力普遍偏低。在未來30年國內新一代大飛機等平臺技術都將得到突破性進展，電氣系統集成一體化技術、星箭快速測試發射技術等也將得到進一步應用和發展，為發展車載發射、空中發射等不同發射方式的小型運載火箭奠定技術基礎，預測未來小型固體運載火箭的測試發射周期將縮短至小時，級運載能力將得到顯著提高。(5）以亞軌道重復使用運載器研制起步，逐步突破關鍵技術并開展演示驗證。重復使用運載技術是實現快速、機動、可靠、安全、廉價進出空間的重要手段，也是航天運輸系統的發展方向。由于單級入軌技術難度較大，目前是以火箭動力為基礎的亞軌道重復使用運載器為切入點，降低對發動機、先進結構和材料的技術要求。利用亞軌道飛行演示驗證、在軌飛行演示驗證逐步突破重復使用運載器的關鍵技術；對飛行試驗成果進行評估，完成技術成果的轉化，研制實用型的亞軌道重復使用運載器、軌道級重復使用運載器，重點突破重復使用運載器研制、運行使用與維護技術、健康監測與故障管理等。此外，通過重點發展通用再入飛行器，可對高超聲速再入關鍵技術進行綜合演示驗證；通過發展高超聲速巡航飛行器，可對吸氣式發動機為動力的跨大氣層飛行器技術進行牽引發展。(6）新概念飛行器有望得到持續關注和發展。未來的航天運載技術將更加體現出導彈與運載技術融合、衛星與運載技術融合、航空與航天技術融合發展的趨勢?；谛螤钣洃浐辖鸬闹悄懿牧霞夹g與仿生撲翼飛行器控制技術的發展，將推動智能可變形飛行器的應用；基于核推進、電推進、離子推進等新型推進技術的新概念飛行器也將得到持續的關注和發展。基礎和關鍵技術將取得新突破未來30年內，以先進推進和動力技術、先進材料和結構技術、先進信息、通信與電子技術、先進制造技術為代表的一批基礎和關鍵技術將取得重大突破，從而推動中國航天運載技術的快速發展。主要體現在以下幾個方面：(1）高可靠主動力與空間推進技術目前長征系列運載火箭主要使用的是基于四氧化二氮和偏二甲肼常規推進劑的液體火箭發動機，新一代系列運載火箭將主要使用120t的液氧煤油發動機和50t的液氫液氧火箭發動機。預計未來30年內，在運載器的主動力方面，以高性能高可靠大推力的液氧/烴和液氫液氧火箭發動機技術、低成本大直徑大推力的固體火箭發動機技術、可重復使用液體火箭發動機技術、超燃沖壓發動機技術、組合循環發動機技術為代表的主動力技術有望獲得工程化應用；在運載器的空間推進方面，以空間在軌加注技術、電推進技術、先進核動力技術等為代表的空間推進和動力技術等將取得重大突破；此外，在新概念推進方面，繩系推進、激光推進、微波束能推進、離子推進、太陽帆推進、反物質推進等一批基礎科學技術將不斷取得進展。(2）重復使用材料技術方向發展先進的材料和結構技術是提高運載器運載系數、提高產品可靠性和質量、降低產品可靠性的關鍵因素，也是衡量航天運載技術發展水平的重要標志之一。預計未來30年，在輕質結構材料技術方面，高性能鋁鋰合金及輕質高性能貯箱和氣瓶材料技術有望廣泛應用，運載火箭的結構重量預計可以減輕10%～15%；可重復使用輕質高性能鋰鋁合金及其貯箱、低溫輕質高強復合氣瓶技術將取得重大突破；在高性能金屬結構材料技術方面，用于先進氫氧火箭發動機、液氧/烴發動機等先進液體火箭發動機殼體材料和結構技術將取得重大突破；在熱防熱材料與結構技術方面，針對重復使用運載器系統鼻錐、翼前緣及機身大面積等關鍵部位，可重復使用碳/碳、超高溫陶瓷及陶瓷基復合材料、金屬和陶瓷等非燒蝕熱防護材料及結構技術將取得重大突破；在特種功能材料與結構技術方面，輕質高效的多功能結構技術、可重復使用的透波/隔熱/承載材料及結構技術有望取得顯著進展。(3）關鍵技術及應用信息、通信及電子技術是發展最快、應用最廣泛的航天技術之一。在運載器的天地信息處理與通信方面，預測未來30年，基于衛星數據中繼和衛星導航技術的多種測控手段協同的天基測控技術、自由空間光通信技術、保密通信技術、高頻率的3G寬帶通信技術、箭載智能天線技術、天地一體信息處理和應用技術將得到工程