我国航天运输系统发展的态势和未来展望

　　摘    要：　当前世界航天已发展到大规模进出空间新阶段，对航天运输系统发展提出了更高的要求。面向航天强国建设的历史使命，聚焦中国航天运输系统建设，研究了国外航天运输系统发展态势，总结了中国航天运输系统的发展现状，结合未来发展需求，提出了中国航天运输系统未来发展展望。

　　关键词：　航天运输系统; 航天强国; 发展展望;

　　Abstract：　At present, the world aerospace has developed into a new stage of large-scale access to space, which puts forward higher requirements for the development of space transportation system. Facing the historical mission of building a space power, focusing on the construction of China's space transportation system, the development trend of foreign space transportation system and the development status of China's space transportation system is studied and summarizes. The future development prospect of China's space transportation system combined with the future development needs is put forward.

　　Keyword：　space transportation system; space power; development prospect;

　　0 、引言

　　航天运输系统作为一个国家开展航天活动的支撑和基础，是其综合国力的重要标志[1]。经过60多年的发展，特别是随着以长征五号为代表的新一代运载火箭投入应用，中国长征系列运载火箭已经形成了较为完备的产品系列，为中国载人航天、月球探测、火星探测等重大工程的顺利实施奠定了坚实基础，取得了一个又一个重大成就。
 

 

　　当前，世界航天已进入以大规模互联网星座建设、空间资源开发、载人月球探测和大规模深空探测为代表的新阶段[2]，进入空间需求正在快速增长，对航天运输系统提出了更高要求。同时，随着人工智能、重复使用、新动力、新材料等新技术的发展，航天运输系统也处于技术发展的重要机遇期。

　　站在新的历史节点上，面向建设航天强国的历史使命，本文从分析国外航天运输系统发展态势和中国发展现状出发，结合发展需求，提出了中国航天运输系统未来发展展望。

　　1、 发展态势

　　1.1、 国外发展态势分析

　　随着大规模进出空间任务的增多，世界各航天大国都在持续发展高可靠、低成本和高效率的航天运输系统，航天运输系统的能力和内涵正在发生变化，主要表现在以下几个方面：

　　a）通过研制下一代运载火箭加速更新换代，型谱更加优化，经济性更加突出。世界主要航天国家和地区立足长远发展目标，在既有火箭型谱基础上，均在开展下一代主力运载火箭研制，如美国的火神火箭、新格伦火箭、欧洲的阿里安6火箭、俄罗斯的联盟号5火箭、日本的H-3火箭等，充分应用模块化和组合化设计原则，借鉴采用成熟、可靠、通用的产品和技术，大力推进产品化，在实现型谱优化的同时，任务适应性和经济性也更加突出。

　　b）通过发展重型运载火箭，实现进入空间能力的跃升，支撑载人深空探测任务实施。重型运载火箭是未来载人月球探测、载人火星探测等重大空间任务的基础。美国已发布“阿尔忒弥斯”计划，计划于2024年载人重返月球，并在2028年后长期驻留，同时还投入建设月球轨道空间站，宣布在2030年实施载人火星探测[3,4,5,6,7]，这些重大任务都依赖于重型运载火箭的研制。美国NASA正在全力推进“太空发射系统”（SLS）重型运载火箭的研制，计划于2021年首飞，SLS首飞构型近地轨道运载能力为70 t，最终构型将达到130 t;Space X公司也在推进超重-星舰的研制工作，其近地轨道运载能力能够达到100 t以上。俄罗斯国家航天集团也陆续提出了重型运载火箭方案和相关研制计划。

　　c）通过发展重复使用技术，以期进一步降低进入空间成本，提高市场竞争力。重复使用已成为航天运输系统的重要技术发展方向。美国Space X公司的Falcon-9火箭垂直起降重复使用技术不断走向成熟，已实现数十次一子级的回收利用，单模块目前最多已经实现8次复用；俄罗斯航天国家集团公司公布了其一子级重复使用的阿穆尔运载火箭方案；欧空局计划在下一代阿里安火箭上采用重复使用技术，并持续开展普罗米修斯发动机和塞弥斯垂直起降验证机的研制，同时英国持续开展组合动力佩刀发动机和云霄塔空天飞机的技术攻关；日本和印度也在不断开展重复使用技术的试验验证工作[8,9,10]。

　　d）通过提升轨道转移能力以及发展长时间在轨技术，拓展上面级应用领域，满足空间运输及空间探索任务需求。美国持续开展以先进半人马座为代表的长时间在轨高性能氢氧上面级的研制工作，通过应用先进的低温推进剂在轨蒸发量控制、集成流体等新技术，使其在轨时间延长到数周，可执行近地和深空的空间运输任务以及在轨服务、空间碎片清理等任务，通过在轨加注实现重复使用，大幅拓展了现有空间运输系统的设计理念和应用模式[11,12,13,14]。美国研制的Mi TEx常规液体上面级，采用了太阳能电池供电，具备长时间在轨工作能力[15,16]。在发展高性能空间运输系统的同时，留轨上面级的再利用价值逐步被认可和开发，美国和印度等国开展了上面级留轨应用研究，计划将上面级改造成商用空间设施。

　　e）通过应用智能化设计、轻质结构设计、高性能发动机等新技术，不断提升运载火箭可靠性和运载效率。智能技术的快速进步为航天领域发展带来新动能，成为研究的重点方向，全生命周期数字化管理、基于数字样机的虚拟设计、快速生产制造、智能飞行和自主返回控制等技术不断取得突破[17]。各国还在不断发展铝锂合金和复合材料轻质结构技术，降低结构系数；不断发展高性能液氧煤油、液氧甲烷和氢氧发动机技术，美国梅林-1D液氧煤油发动机推重比高达185,RL-10B氢氧发动机真空比冲达到465 s，猛禽液氧甲烷发动机真空比冲超过370 s，且都具有推力深度调节能力。

　　1.2 、中国发展态势

　　中国航天运输系统经过60多年的发展，取得了举世瞩目的成绩，实现了从常温推进到低温推进、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、从近地轨道到深空探测的跨越，有力牵引并推动了国民经济、科学技术和国防建设的发展。近年来，在建设航天强国目标的指引下，中国航天运输系统在产品、技术、管理等方面取得了新成就。

　　a）在产品研制方面，构建了较为完善的航天运输系统产品体系。

　　一次性运载火箭方面，长征五号、长征五号B、长征六号、长征七号、长征八号、长征十一号等新一代运载火箭已开始应用发射，如图1所示。在支撑重大工程实施的同时，使中国跻身世界航天强国行列。快速响应进入空间方面，长征十一号运载火箭实现了长征系列固体运载火箭的突破，具备快速响应发射能力，发射准备时间不超过24 h，并实现了中国首次海上发射，为中国进入空间提供了新的发射方式。空间运输方面，完成两代轨道转移运输系统的研制，实现了上面级动力从固体动力向液体动力的跨越，形成了远征系列上面级家族，如图2所示，在北斗工程全球组网建设中发挥了重要作用。目前，中国正在持续开展新一代载人运载火箭、重型运载火箭和低温上面级等技术攻关。

　　b）在技术创新方面，重复使用、新型动力等关键技术攻关取得显着进展。

　　可重复使用技术取得突破，围绕落区控制、垂直起降、垂直起飞水平返回、水平起降等开展了方案论证和部分飞行演示验证。在液体动力方面，取得4800k N高压补燃液氧煤油发动机半系统试车及整机装配、2200 k N高压补燃氢氧发动机整机装配为代表的一系列重要成果；在固体动力方面，完成500 t级大推力固体发动机地面试车，完成首台3.2 m直径3段式大推力固体发动机试车。新一代运载火箭全面采用基于1553B总线的控制系统冗余设计，突破10 m级大直径箭体设计、生产和制造技术，Ka频段天基测控得到应用，有效支撑火箭性能持续提升。同时，中国正在持续积极推进智慧火箭技术研究，通过智能技术赋能，进一步提升航天运输系统综合能力[8,9,10,17,18]。

　　c）在管理提升方面，产业化与商业化发展取得实质进展。

　　实施了运载火箭批产工程，产品成批组织采购、生产与验收，按发次交付测试，多发滚动交付发射。长征系列运载火箭年均发射数量从前30年的2～3发增长至当前的30～40发，发射成功率稳步提升。2018年和2019年发射次数位于世界第一。商业航天蓬勃发展，市场主体数量快速增长，涉及领域遍布运载火箭全产业链，多家商业公司均推出了面向商业市场的新型运载火箭，并完成了研制和发射飞行，逐渐成为未来航天运输系统发展的新增长点[19]。

　　图1 当前中国投入应用的新一代运载火箭型谱

　　Fig.1 The New Generation Long-March Launch Vehicle Series in Use

　　图2 当前中国投入应用的远征系列上面级型谱

　　Fig.2 The Yuan-Zheng Upper Stage Series in Use

　　2 、发展需求

　　a）中国航天运输系统需进一步完善运载能力、发射方式和应用方式的覆盖性和全面性。

　　太空是21世纪世界大国竞争的重要疆域，进入空间规模呈现快速增长趋势，太空轨位、频段等太空资源也将日趋紧张。

　　中国已经拉开了载人空间站建设的序幕，并面临后续的维护与运营管理；大型互联网星座、在轨服务与维护、载人月球探测、大规模深空探测、大型空间太阳能电站和载人火星探测等任务已成为发展趋势，同时各类载荷多样化高密度发射和在轨部署需求也日益突出，以上各类空间任务也对中国的航天运输系统提出了更高的要求。

　　b）中国航天运输系统需进一步提升综合性能指标水平。

　　自1970年长征一号运载火箭发射的半个世纪以来，中国长征系列运载火箭型谱已基本完善，可以说中国航天运输系统走过了“从无到有”、“从有到全”的历史进程，正迈入“从全到强”的时代；这与中国从“站起来”到“富起来”，再到“强起来”的历史进程同频共振。在新时代，建设航天强国的战略需求，需要中国航天运输系统实现“从全到强”的历史转变。实现“从全到强”的转变，关键在于实现中国航天运输系统可靠性、运载效率、任务适应性、发射周期等综合性能指标赶超世界一流水平。

　　c）中国航天运输系统需具备更高的研制、发射和质量控制能力。

　　中国航天事业已取得一个又一个的辉煌成就，同时也在不断推动科研生产管理模式优化升级，从“保成功、保交付、保增长”向“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”的“三高”转变。中国航天运输系统的管理体系发展须紧密围绕实现“三高”发展目标，持续提升核心竞争力，不断探索更好完成任务和提供更优质服务的方法和途径，具备世界一流的研制、发射和质量控制能力。

　　3 、未来发展展望

　　未来发展方向是瞄准航天强国建设目标，立足中国发展基础，建成世界一流的航天运输系统。形成中国新一代运载火箭完整系列型谱，开展性能提升、商业化发展和数字化转型，应用重复使用、智能化等技术手段，增加新功能、融入新要素，实现中国航天运输系统从“全”到“强”的重要转变，涵盖从“一次性使用”到“重复使用”、从“自动化”到“智能化”、从“定制化”到“商品化”、从“任务驱动型”到“设计需求型”的转变。

　　3.1、 建设世界一流的航天运输系统产品体系

　　3.1.1 、利用5～10年推动新一代载人运载火箭和重型运载火箭研制，实现全面更新换代，新一代运载火箭能力全面形成

　　面向进入空间运载能力持续增长的需求，填补运载能力空缺，扎实推动新一代载人运载火箭和重型运载火箭的研制，平稳推动运载火箭更新换代。

　　a）到2025年，实现新一代载人运载火箭首飞，支撑载人月球探测任务实施。通过提前布局、顶层谋划，采用任务优先、分步实施的策略，开展对现役常规推进剂运载火箭的更新换代，使新一代运载火箭成为进入空间主力。

　　b）到2030年，实现重型运载火箭首飞，支撑有人月球基地建设等重大任务实施。新一代运载火箭能力全面形成，全面完成对常规有毒推进剂运载火箭的更新换代。

　　3.1.2 、持续推进重复使用航天运输系统技术攻关和试验验证，加快工程应用进程，早日实现航班化运输

　　重复使用是航天运输技术的重要发展方向，是快速、经济和大规模航班化进出空间的一种有效途径。当前，中国正积极推进重复使用航天运输系统的深化论证、关键技术攻关和飞行试验任务。

　　a）到2025年前，实现运载火箭一子级重复使用。2021年初步验证水平着陆关键技术，2025年前进一步工程验证水平着陆和垂直着陆技术，初步形成快速、经济进入空间能力。

　　b）到2035年前，实现运载火箭完全重复使用。重复使用次数达到10～50次，形成快速响应进入空间和按需返回的基本能力。

　　c）到2045年前，全面形成航班化航天运输能力。重复使用航天运输系统技术不断升级，智能变构型、新材料、组合动力等新技术广泛应用，单级入轨技术实现突破。

　　3.1.3、 大力发展高性能空间运输技术，实现中国空间转移运输能力大幅提升，在未来大规模空间资源开发与利用的竞争中取得主动权

　　大规模空间资源开发与利用已成为现实需求，应大力发展高效、环保的低温空间运输系统以及以大功率电推进和核动力为代表的新型动力空间运输系统，逐步提升大范围、多次变轨能力和长时间在轨能力，拓展高性能空间运输系统应用领域；推动上面级留轨应用的研究和工程实践，实现对进入空间能力的再开发。高性能空间运输系统采用模块化、集成化、一体化、智能化的设计思路。

　　a）到2025年，具备长期在轨、数吨高低轨往返运输能力。突破低温推进剂在轨蒸发量控制等关键技术，完成低温空间运输系统长期在轨飞行试验验证。

　　b）到2035年，具备更大规模的高低轨重复往返运输和天基发射的能力。突破低温推进剂在轨加注等关键技术，实现在轨加注延寿、维护维修以及模块化替换。

　　c）到2045年，形成系列化空间运输系统产品。突破小型高可靠高安全核发动机技术，完成核推进等新型动力空间运输系统的在轨飞行验证。

　　3.2、 建设世界一流的航天运输系统技术体系

　　3.2.1、 通过转变设计理念、革新标准体系、提升基础认识、突破共性技术，实现中国航天运输系统综合性能水平质的提升，赶超世界一流水平

　　以长征五号为代表的新一代运载火箭体现了中国当前运载火箭的最高水平，其运载能力、运载效率、可靠性等综合性能指标达到世界前列。面向建设世界一流航天运输系统需求，整体提升中国运载火箭综合性能水平，需要针对性地从设计理念、设计标准体系、基础问题和共性瓶颈技术等多方面开展专项研究，加大先进设计技术、新材料、新工艺攻关和应用。

　　a）到2025年，中国航天运输系统综合性能基本达到世界一流水平。初步构建先进设计标准体系，先期掌握一批共性基础问题和瓶颈技术，设计方法理念升级换代，实现中国运载火箭设计研制水平大幅提升。

　　b）到2035年，中国航天运输系统综合性能全面赶超世界一流水平。全面构建先进设计标准体系，全面掌握相关共性基础问题和瓶颈技术，原始创新能力进一步增强。

　　3.2.2、 实现故障诊断与容错重构技术突破与工程应用，结合新一代载人运载火箭研制，构建智能航天运输系统生态圈，向智慧航天运输系统迈进

　　“航天+智能”是未来航天运输系统发展的重要方向，智能技术的快速进步为航天领域发展带来新动能。当前，中国正在积极探索智能赋能航天运输系统技术，向全面实现智能设计与制造、打造智能火箭、构建智慧管理目标迈进。

　　a）到2025年，大幅提升运载火箭的可靠性和飞行成功率。实现现有运载火箭对典型故障的容错与任务重构能力和低温液体运载火箭无人值守测试发射。

　　b）到2035年，打造智慧火箭。形成高效、可靠、适应复杂任务的智慧航天运输系统，全面具备航天运输系统研发、运营、保障全生命周期的自感知、自学习和环境自主适应能力。全面构建包含研制与验证、生产与制造、测试与发射、飞行与评估的智能航天运输系统生态圈。

　　3.2.3 、不断提升中国航天动力技术能力和水平，提升现役发动机性能，发展新型动力技术，大力支撑中国航天运输系统的快速发展

　　动力系统是航天运输系统的重要支撑，其能力水平对航天运输系统总体性能具有重要影响，当前中国航天动力技术能力和水平还需不断提升。

　　a）到2025年，现役发动机性能进一步提升。针对中国当前液氧煤油、液氧液氢等主力液体发动机和固体发动机，在比冲、推重比和推力调节能力等重点性能指标方面不断实施改进和提升，大力支撑中国新一代运载火箭总体性能的不断进步。

　　b）到2035年，新型大推力和重复使用发动机不断投入应用。开展大推力液氧煤油、液氧液氢发动机和大推力固体发动机的研制，不断推动重复使用液氧烃类发动机和组合动力技术的发展，支撑重型运载火箭和重复使用运载器的快速发展。

　　c)2045年前，先进动力技术突破并投入工程应用。持续开展大功率电推进、爆震推进、核推进等新型动力技术研究，革命性提升航天运输系统能力，为未来大规模空间资源开发与利用以及更远深空的载人探测打下坚实基础。

　　3.3 、建设世界一流的航天运输系统管理体系

　　3.3.1 、贯彻商业化发展理念，遵循市场规律，满足商业航天发射市场的需求，推动航天运输系统产业化发展，全面提升商业航天的大众化服务体验

　　随着航天技术的不断发展和航天产业规模的日益扩大，商业运载火箭、低轨互联网星座、亚轨道旅游、商业遥感等商业航天得到迅速推进，航天产业呈现新的发展态势。发展商业航天产业、提升航天技术水平，对支撑航天强国建设具有重要意义。

　　a）贯彻商品化发展理念，遵循市场规律，为用户提供系统性解决方案。不断完善产品和服务体系，推动航天研制模式由追求科研成果向满足市场需求转变，推动商业航天从技术成功向技术、市场、效益并重成功转变，实现技术、市场、效益三者有机对接。

　　b）发展以捷龙系列、长征十一号系列和长征八号等为代表的低成本商业运载火箭。打造“高性价比、高可靠、快履约、快发射”的优质产品，为商业载荷提供越来越优质的服务。不断探索新的测试发射管理模式，实施新的商业运营模式，提高综合竞争能力，满足社会大众化需求。

　　3.3.2、 全面实施数字化转型，实现研制协同高效、管理规范精细、数据实施共享和决策科学智能，助力高质量、高效率、高效益发展

　　加快建设世界一流的航天运输系统，必须抢抓数字化转型的重大机遇，将数字化转型作为改造提升传统动能、培育发展新动能的重要手段，全面推进数字航天建设，增强核心竞争力和价值创造力，助力高质量、高效率和高效益发展。

　　a）构建模型和数据驱动的科研生产数字化体系，提升型号协同研制水平。采用基于模型的系统工程方法，完善航天型号产品数字化协同研制环境，提高设计效率。构建航天产品智能制造体系，提高生产质量。构建航天装备敏捷服务和精准保障体系，提高运营效益。

　　b）构建以大数据应用为核心的经营管理数字化体系，提升战略管控水平。基于云计算、大数据、人工智能等先进技术，构建统一管控平台，人、财、物实现集中管控。深化大数据智能分析应用，基于大数据开展管理业务量化分析和预测预警，全面提升战略管控水平。

　　4、 结束语

　　经过60多年的拼搏进取和自主创新，中国航天运输系统取得了一个又一个辉煌成就。站在新的历史节点上，面对新的需求、机遇和挑战，要勇于承担，把握机遇，不断创新、不断突破，立足中国国情和战略发展需要，开展型谱优化、性能提升、商业化发展和数字化转型，采用重复使用、智能化等技术途径，增加新功能、融入新要素，实现中国航天运输系统的跨越式发展，建成世界一流水平的航天运输系统，支撑航天强国建设。

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