航天发射进入新周期，我国面临哪些挑战？

本文来自微信公众号：科技导报（ID：STReview），作者：朱雄峰、程洪玮、刘阳、刘鹰、谭云涛、周城宏，原文标题：《航天发射运输系统进入新周期，我国应直面短板、摒弃弯道超车》，题图来自：视觉中国

航天发射运输系统将为卫星、飞船、探测器等各类航天器提供安全、可靠、准确进入空间的能力，是利用空间的基础和前提，其性能水平在很大程度上制约着一个国家利用空间的能力。

当前，全球航天发射运输系统进入新的更新换代周期，商业航天异军突起，一批商业航天发射企业，通过快速技术迭代、集成滚动发展，部分领域已超过传统国家航天力量。

一、国外发射运输发展现状

航天运输方面

美国拥有完整的运载火箭型谱，重点布局氢氧动力运载系统。

大力发展商业航天，将近地轨道载人和载货运输服务交由商业公司承担，鼓励通过技术创新和市场化手段降低航天门槛，促进行业良性竞争，提升航天工业的整体实力；

政府将精力和资源投入到载人航天和深空探测，稳步推进新老火箭更新替代以及新一代重型运载火箭研制，确保美国在航天领域继续保持绝对领先地位。

俄罗斯拥有完善的运载火箭型谱，重点布局液氧煤油动力运载系统。

俄罗斯是传统航天强国，工业基础雄厚、军事实力强大，多型火箭由弹道导弹发展而来，通过极具竞争能力的发射服务有力拓展了国际商业发射市场。

欧洲以多个国家联合开展航天发射活动，以较少构型满足国际主流发射市场需求，拥有独立、完整的航天工业体系，积极开展国际合作，保持航天前沿地位。

集中多国人力、物力和财力，推动航天工业发展，增强在国际上的竞争力；

着眼低成本、高可靠，发展新一代运载火箭技术、重复使用运载火箭技术，进一步降低发射费用，抢占国际发射市场份额。

航天发射方面

美国拥有数量最多、区位优势显著的发射场，在测试发射技术上“三垂”模式引领世界，航天发射场主要包括东靶场、西靶场和肯尼迪航天中心。

美国航天发射场在发射场数量、发射工位数量上均领先世界，在发射场选址、射向、发射轨道、航落区安全上比较完善，在发射场测发模式上具有很高的技术水平。

俄罗斯拥有数量领先、区位劣势明显的发射场，在测试发射技术上“三平”模式引领世界。

俄罗斯的发射场主要建设在高纬度地区，在可用射向和顺行轨道发射能力上受限制；但由于地域广袤，拥有较好的射向和航落区安全。

欧洲拥有数量少、区位优势极佳的发射场，在测试发射技术上注重博采众长，发射场测发模式及流程随着发射场的建设不断进行优化和改进，航天发射场主要是法属圭亚那航天中心。

该中心靠近赤道，发射顺行轨道能量损失小、射向宽泛、全年气象环境优良、航落区安全性好，是国际上公认最理想的发射场。

发展特点

发展模式由国家主导转向由国家和企业共同推动

当前全球航天产业正处于快速发展的新时期，航天已转向服务人类、推动世界经济发展，航天强国超前布局大航天时代，以航天生态创新催生民商航天经济，构建了涵盖众多环节的航天生态。

快速机动发射是太空军事化背景下的坚实根基

质量轻、成本低、研制周期短、部署应用快的小卫星成为国家空间力量建设特别是快速响应空间的重要组成，适应战时空间信息战术保障和小卫星任务的快速机动发射也成为航天强国发射力量发展的重点方向。

重型火箭覆盖面广、影响力大再次得到全力发展

重型火箭在美苏冷战时期发展到了顶峰，随着美国重返月球计划以及深空探测计划密集推出，重型火箭再次被重视，以其超广的专业覆盖性、超强的国际影响力，将再一次引领世界火箭发展大潮。

航天测发向自动化、智能化和无人值守方向发展

航天测试发射向运载火箭整体总装、测试和运输的方向发展，增强测试、运输的整体性，减少状态变化和重复测试；

在远距离测试发射方式下，提高测试发射设备系统化和集成化程度，推进发射区测试发射简化和无人值守；

通过自动化和智能化的箭地一体化测试，加强设备通用化和标准化建设，提高测试发射效率和安全可靠性。

发射方式向固定机动相结合的多方式方向发展

主要由地面固定发射方式逐渐向陆基、空基、海基机动发射方式发展，以保证发射的快速性、机动性和生存性，增强完成多样化航天任务的能力。

发射操作和控制向自动化方向发展，以减少人为差错、提高发射效率和安全可靠性。

二、中国发射运输发展现状

中国运载火箭的运载能力已初步达到世界航天强国主流水平。

目前已形成现役运载火箭系列、新一代无毒无污染液体运载火箭、新一代固体运载火箭3个系列；基本形成了近地轨道、太阳同步轨道、极地轨道、中高轨道、载人航天发射等多样任务的发射能力；商业发射企业崭露头角。

但目前火箭的运载效率（评价火箭的综合能力的指标）总体偏低，未来需重点提升。

世界主要运载火箭运载能力和运载效率

运载火箭测试发射主要由酒泉卫星发射中心（JSLC）、太原卫星发射中心（TSLC）、西昌卫星发射中心（XSLC）、文昌卫星发射中心（WSLC）4个航天发射场保障和实施，在用综合发射工位7个、小型工位2个。

已初步建成沿海内陆相结合、高低纬度相结合的布局，发射场数量和区位优势上可比肩世界航天强国，但文昌发射场的发射容量尚有待进一步挖掘提升。

世界主要航天发射场自转线速度及累计发射数量

发展特点

体系不够完善

长期将火箭作为进入空间的单一手段，轨道转移飞行器和重复使用运载器发展缓慢，无毒无污染火箭体系不够完善，且没有形成合理运载能力台阶。

测试发射不够简洁

发射场测发操作繁杂、参与人员多，箭地一体化设计和无人值守有待加强，信息化和智能化应用有待拓展。

技术更新缓慢

发射运输系统载荷的通用化适应能力有待加强，异轨部署、高低轨转移等技术尚需要进一步发展，发动机核心技术能力发展相对滞后。

产品质量待提升

近年来面临较为严峻的质量形势，重大问题接连发生，商业发射频频推延，成熟产品故障频发，迫切需要对产品质量提出更高要求。

三、未来发展趋势

低成本进入空间将改变百年航天格局

近年来，在各国政府大力支持下，新兴航天企业井喷式出现并快速发展，涌现出一批明星商业航天企业。

商业航天企业采取扁平化管理提高了管理效率，在研制和生产过程以降低成本为主要目标，同时采用灵活的技术路线，注重继承和集成现有技术，提高研发效率，显著降低了航天发射成本，大幅提高了性价比。

SpaceX Falcon 9多次复用后的成本

超大规模星座组网将变成现实

2020年，SpaceX公司发射卫星总计422颗（截至目前已超1千余颗），标志着人类已经具备构建超大规模星座的能力。

大国航天面临代际竞争局面

进入空间成本的大幅降低将有力支撑航天大国实现相关计划；而极低成本进入空间将对其他航天国家形成“降维打击”效应，国际航天发射运输已明显呈现跨代竞争的局面。

航天消费市场迎来蓬勃发展

随着成本降低，航天有望走向生活，形成蓬勃发展的个人消费市场，航天发射产业的占比正逐步减小，进入空间成本的降低一定程度上也刺激了航天产业的繁荣。

全球航天产业VS航天发射产业占比

远程跨域运输突破百年航空运输效率极限

目前航空运输面临运输效率难以突破的窘迫局面，且全球尚无工程化超音速客机的计划。

航天运输系统中基于吸气式组合动力系统的亚轨道飞行器是实现远程跨域运输的理想工具。

美国国防高级研究计划局于2013年提出了试验性太空飞行器项目“幻影快车”，旨在验证快速响应、廉价进入空间的相关核心技术，但由于技术和财务困境，2020年1月终止了该项目。

试验性太空飞行器XS-1

英国喷气发动机公司于1994年提出了“云霄塔”空天飞机SKYLON，的主要目的是降低进入空间的成本，最终将研制出一架使用寿命达200次的运载器。

随着吸气式组合动力发动机的深入研究，其关键技术的突破已初见端倪，亚轨道飞行器有望超越现有航空飞行器运输效率极限，成为跨洲际飞行的另一优选方式。

云霄塔SKYLON空天飞机

天地往返运输成为维系空间环境的必然选择

近年来，随着各国特别是民商企业纷纷推出的超大规模低轨卫星星座，空间碎片的爆发可能加速到来。

如不采取措施及时清理空间，未来空间环境将急剧恶化，并将成为阻碍人类冲出地球探索宇宙的枷锁。

空间碎片的清理一般有飞网捕获、电动绳系、机械臂抓捕、激光烧蚀等方式，对将清理平台投送至轨道空间，同时将捕获的空间碎片移除轨道或返回地面等方面提出了极高的要求。

X-37B空天飞机

从现有技术来看，单位质量的太空碎片离轨成本远高于将单位质量的航天器发射入轨。

因此，发展高可靠、公交化、极低成本的天地往返运输系统，是支撑商业化空间碎片移除、维系空间环境的必由之路。

空间轨道多样性催生多样态全域发射能力

受限于纬度、射向、航落区安全等因素，发射场所能执行的发射任务也严格受限，随着轨道空间多样性发展趋势，将催生对多样态全域发射能力的需求。

小倾角发射成为商业航天主流

随着商业航天的深入发展，低轨通信卫星星座迎来蓬勃发展势头，低轨通信卫星星座将转向开发大规模宽带通信星座，呈现采用低轨道、小倾角、小卫星趋势。

小倾角轨道将成为未来商业航天发射的主流轨道，发射场和发射能力设计上应调整满足该需求。

批量发射成为星座部署的手段

批量发射将成为未来大规模商业星座部署的主要手段，其中小卫星和整流罩的集成拓扑优化、小型化分离结构设计、先进上面级和异面轨道部署能力将成为航天运输的重点研究内容。

SpaceX Starlink批量发射卫星

多样态全域发射能力快速形成

在陆基固定发射方面，普遍倾向由高纬度内陆，向低纬度濒海方向建设发射场。

目前航天发射领域以陆基发射为主，海基、空基发射为补充的全域发射格局初步形成，将满足军、民、商各类用户多样化航天发射任务需求，未来航天发射样态的走势，仍需经过任务和市场的检验。

航天推进系统将不可避免地迎来重大变革

近年来，随着民商航天发射企业的异军突起以及重复使用运载技术的重大突破，传统推进系统格局将迎来重大变革。

液氧甲烷将主力运用于可重复

液氧甲烷推进体制具有比热高、无结焦、不易积碳、相容性好、无毒无污染、相对安全、资源丰富、价格相对便宜等优点。

尤其是液氧甲烷无结焦、不易积碳的优点，可大大减少再次使用过程中的清理和测试工作，天然适用于重复使用运输系统，理论上可实现航班式“即加即飞”模式。

在可遇见的未来，液氧甲烷发动机将成为国内外重复使用运输系统的主力推进系统。

液氧煤油将主力运用于基础级

液氧煤油发动机具有无毒无污染、密度高、使用安全性好等优点。

液氧煤油推进剂组合真空理论比冲比液氧甲烷发动机低，但密度比冲更高，且煤油可常温保持，在发射场使用环境友好，此外，高能合成煤油可大幅提高液氧煤油发动机的性能。

液氢液氧将主力运用于末子级

氢氧发动机具有无毒无污染、最高理论比冲性能等优点。

氢氧发动机作为液体火箭发动机的技术巅峰，虽然具有很高的技术性能，但仍然存在技术难度大、材料工艺要求高、推进剂成本高、发动机成本高、特殊气体使用要求高等问题，更适宜作为投入产出比高的末子级。

从国内外发展趋势上看，应在中小推力氢氧发动机上精益求精，不断提高技术能力，并结合运载火箭型谱规划，将氢氧发动机研制重心转移到适配运载火箭末子级上。

世界主要发动机推力和比冲对比

四、结论

发展航天，运载先行，发射运输作为基础性和支撑性手段，是所有航天产业的基础和前提。

分析国内外发展现状，以高可靠、低成本、高安全、可重复、自主智能等特征为代表的新一代航天发射运输系统，正在对上一代航天发射运输系统形成压制竞争优势。

中国发射运输领域，一方面应摒弃弯道超车、直面短板弱项，加大对液氧甲烷动力、液氧煤油动力重复使用运输系统，大推重比、多次启动和深度节流发动机的研制，以尽快弥补代差；另一方面应紧盯国际发展前沿，适当牵引吸气式组合动力技术、深度预冷循环技术、水平起降单级入轨完全重复使用技术等，避免再次形成技术代差。

论文全文发表于《科技导报》2021年第11期，原文标题为《世界航天发射运输的发展趋势》，本文有删减。

本文来自微信公众号：科技导报（ID：STReview），作者：朱雄峰、程洪玮、刘阳、刘鹰、谭云涛、周城宏