国外先进运载技术创新的研究

从1957年前苏联使用东方号运载火箭发射人类第一颗人造卫星至今，世界运载技术的发展已走过了40多年的历史。在此期间，以美国、俄罗斯、欧洲为代表的世界各国和地区先后研制了数十种运载火箭，进行了3000余次发射。运载技术不断发展创新，日益提高，从早期的由地地战略导弹改造的小型运载火箭发展到今天的大型商用运载火箭，运载能力逐步增强，发射成本逐步降低，可靠性逐步提高。目前，世界航天大国竞相发展新一代航天运载工具，多项新计划正在进行之中，多种新型号陆续投入使用，21世纪运载技术将进一步取得巨大发展。

21世纪初，我国运载技术的发展也进入了一个关键时期，研究国外运载技术创新的途径，总结先进经验，对于我国运载技术的发展将有重要的参考作用和借鉴意义。

1 运载技术创新途径分析

运载技术创新的途径，可以按两种方式进行分析。一种是按照创新的战略途径分析，分为自主研制创新、引进吸收创新、国际合作创新三种途径；另一种是按照技术发展方式分析，可分为渐进性创新（或称改进型创新）和根本性创新（或称重大创新）两种途径。

通过对国外运载火箭技术创新的分析，可以总结出，国际运载技术创新的途径主要有以下两种。

1.1自主研制为主，引进吸收、国际合作为辅

世界各航天大国和地区在运载技术创新方面都非常重视自主创新能力的获取。美国运载技术长期以来采用自主创新模式，从基础研究搞起，研制出大力神、宇宙神等系列的一次性运载火箭和可重复使用的航天飞机，一直保持着运载技术创新的国际领先地位。欧洲从20世纪60年代开始开发阿里安系列运载火箭，当时美国曾阻止欧洲拥有自己的航天发射能力，许诺免费为欧洲发射卫星，但欧洲顶住了美国的诱惑和干扰，自主开发了自己的阿里安系列火箭，使欧洲今天不但拥有了完全独立的卫星发射系统，而且在国际航天发射市场上占有了绝对的优势。

印度因国力有限，主要采取引进吸收的创新途经。以“实用主义”和“拿来主义”为宗旨，基础研究成果和元器件靠国外引进，但坚持由本国抓总体设计，不仅提高了运载技术的研制起点，缩短了研制周期，也带动了印度航天事业的腾飞。日本运载技术之所以发展迅速，大量引进国外先进技术是一个重要原因。值得注意的是，日本和印度在引进国外先进技术的同时，非常注意吸收和再开发，最终目的是转化为自己的技术，提高自主创新能力。

世界各航天大国和地区在重视自主创新的同时，也很重视国际合作。由于运载技术的开发投入大、风险高，采用广泛的国际合作、发挥各方优势，是降低风险，扩大未来市场，利益共享的好办法，同时也是快速提高技术水平的有效途径。欧空局所属11国联合研制的阿里安系列运载火箭是运载技术领域国际合作非常成功的典范。目前，美国和欧洲正在联合研发用于国际空间站乘员救生的X－38空间站救生飞船；日本和欧洲正在共同研究高速飞行演示验证机。

1.2渐进性创新为主，根本性创新为辅

由于运载技术开发具有经济风险和技术风险高的特点，各国在技术创新上更多采用渐进性创新的途径，重视对成熟技术的继承，在原有技术基础上加以改进。目前各国开展的主要运载火箭计划都是改进计划，包括美国的“渐进一次性运载器”(EELV)计划、欧洲的阿里安5改进计划和日本的H－2A计划。宇宙神5所有的通用核心助推器都继承了该系列火箭采用液氧/煤油推进系统的传统，并沿用了大力神火箭的结构设计等现有技术。H－2A火箭所用的推进系统等多项技术也都是在现有技术的基础上加以改进来实现的。俄罗斯的火箭发动机技术在其它国家几种新型火箭上得到采用也反映了有关厂家对通过采用成熟技术来降低研发和使用成本及提高可靠性的重视。当然，根本性创新对于取得重大技术突破，实现跨越式甚至跳跃式发展有重要意义，也受到各国的重视。美国的航天飞机是第一代可重复使用运载器，其技术创新就是典型的根本性创新。美国在发展第二代可重复使用运载器的时候，最初的方案是单级入轨，相对于航天飞机是一种根本性创新，但这种根本性创新由于继承性少，开发难度非常高，技术风险和经济风险都特别大，最终美国还是放弃了单级入轨方案，决定第一步先从两级入轨做起。但这并不是说在运载技术上根本性创新不可行，而是要处理好继承性和跨越性之间的关系。

2 运载技术创新点分析

运载技术创新的具体创新点主要集中在对发动机、燃料、材料、结构、控制、设计、生产、组装和发射等的创新。

2.1对发动机的创新

在运载火箭中，发动机是最主要的分系统，它甚至可以决定整个火箭的性能和成本。国外新研制的运载火箭系列都非常重视大推力、无毒无污染的火箭发动机的研制，并将这种发动机主要用作火箭芯级主发动机，如用于德尔它4火箭的RS－68发动机，用于宇宙神5的RD－180，用于阿里安5改进计划的“火神”2，用于H－2A的LE－7A以及用于安加拉火箭的RD－191M发动机。这些火箭的芯级往往都使用一台主发动机作为火箭的动力系统，发动机在设计时充分考虑成本因素，尽可能简化设计，减少发动机的零部件数量。有些发动机还设计有节流能力，这样可以适用于多种火箭型号。上面级发动机也在向着低温方向发展，可以有效地提高火箭的运载能力。使用可贮存推进剂的上面级发动机正在逐步被使用液氧/液氢推进剂的发动机所取代。一些国家还采用现有技术或新研制上面级发动机以提高火箭的发射能力。

2.2对燃料的创新

无毒、无污染的大型火箭已经成为21世纪运载火箭发展的主流。国外在20世纪70～90年代就开始大规模研制无毒、无污染的大推力液氧/煤油或液氢/液氧发动机，如阿里安5火箭上的“火神”液氢/液氧发动机、德尔它4火箭上的

RS－68液氢/液氧发动机、宇宙神5火箭上的RD－180液氧/煤油发动机、俄罗斯安加拉火箭上的RD－191M液氧/煤油发动机和日本H－2A火箭上的LE－7A液氢/液氧发动机。这些发动机的真空推力一般都在1000kN以上，因此火箭芯级(一子级)一般只使用一台主发动机。

2.3对材料的创新

在运载火箭中降低结构材料重量就意味着增加火箭的运载能力，不过火箭结构的强度、刚度和抗热载荷性能不能降低。以阿里安5火箭的双星发射支架为例，由于采用复合材料显著地降低了结构重量。

在结构材料方面，诸如铝锂合金、复合材料等受到可重复使用运载器的青睐，因为为了实现单级入轨或两级入轨，必须尽可能使结构质量降低，以携带更多的推进剂和有效载荷。目前航天飞机的外贮箱已经采用了铝锂合金材料，使用铝锂合金后航天飞机携带的有效载荷质量增加了3.4t。

2.4对结构的创新

新型运载火箭的基准型号基本都是采用一级或两级的大直径芯级捆绑不同数目的液体或固体助推器而形成的，即一级半或两级半的结构配置。德尔它4、宇宙神5、阿里安5均属一级半结构，H－2A、安加拉为两级半结构。运载火箭的总体结构较过去得到了简化，减少了火箭的级数和使用的发动机数量，这样不仅可以降低成本，还能提高可靠性。以一级半构型为例，由于这种配置只使用一套液体推进剂贮箱和输送系统，所有发动机在起飞前都点火工作，火箭升空后只剩下关机和助推器分离动作，没有空中点火和级间分离动作，因此可靠性明显高于传统的多级火箭。另外，这种构型还使发射操作得到简化，发射前的检测明显减少，因此可以有效地降低单位有效载荷的运输费用。

2.5对控制的创新

运载火箭采用先进的控制技术和电子设备，不仅可以提高可靠性，还有利于降低操作费用。

2.5.1采用包括激光陀螺的制导系统和基于总线技术的数字式电子系统

激光陀螺制导系统具有可靠性高、体积小、质量轻和精度高等特点，数字式电子系统(目前多使用MIL－STD－1553B总线控制)的优点是线路简单，而且分系统之间的干扰少，已经在阿里安5、H－2A、德尔它4和宇宙神5上得到使用。

以H－2A火箭为例，为了提高可靠性和制导精度，H－2A火箭采用基于激光陀螺的捷联式惯性制导系统。系统由用3个或4个环形激光陀螺组成的惯性测量装置和制导计算机等部件组成，捷联固定在箭体顶部的仪器支架平台上。H－2A采用一种新设计的电子系统，每个液体级都有一个制导控制计算机（GCC）。二子级箭载计算机（GCC2）除执行火箭的制导与导航功能外，还对二子级进行测试和控制。GCC1可用于一子级和固体火箭助推器的检测和控制，GCCL用于液体火箭助推器(LRB)的检测和控制。H－2A电子系统使用串行接口（如MIL－STD－1553B，RS－422）， 从而简化了运载火箭和地面系统的接口。为了提高二子级在长达7000s飞行时间中的可靠性，二子级电子设备的主要功能将实现冗余。

2.5.2采用冗余的制控系统和电子设备

采用冗余的制控系统和电子设备是实现运载火箭高可靠性地执行发射任务的关键。欧洲的阿里安5火箭采用双重冗余的惯性基准系统以提高可靠性，一套为主份系统，另一套作为备用。新型德尔它4火箭采用从德尔它3火箭改进而来的先进全面容错的电子系统，包括冗余惯性飞行控制装置(RIFCA)和自动发射操作处理系统(DLPS)。RIFCA使用6个RL20环形激光陀螺和6个QA3000加速度表提供冗余的三轴姿态和速度数据。火箭采用脉冲解码调制遥测系统提供实时的火箭性能数据。此外，还对采用GPS技术进行跟踪进行了探讨。

2.5.3采用机电作动器（EMA）取代液压作动器

目前绝大多数运载火箭的推力矢量控制(TVC)都使用液压作动器，液压作动器的缺点是操作复杂，需要进行大量的检测。EMA不仅在结构上比液压作动器简单，还由于其具有机上测试能力，可以提高可靠性、简化操作和降低成本，已广泛用于新研制的运载火箭，如德尔它4、宇宙神5和H－2A等。

2.6对设计、生产的创新

在新型运载火箭的研制和设计过程中始终贯穿着系列化、标准化和模块化的设计思想，无论是哪个国家新研制的运载火箭，都设计有公用芯级和标准化的固体或液体助推器。有些重型型号还将公用芯级作为捆绑助推器，通过将这些公用芯级和助推器进行不同的组合，形成各自的运载火箭系列。模块化设计易于实现标准化，不仅可以节省研制费用，而且还可以利用高生产率降低生产成本。模块化设计还便于简化组件或系统的检测、试验和维修，从而可提高可靠性。

在国外新研制的火箭中，模块化组合设计在美国的EELV和俄罗斯的“安加拉”火箭设计上体现得最为明显。EELV中的德尔它4和宇宙神5两个系列和安加拉系列在第一级上均使用大型通用核心模块，而且还可通过捆绑其它助推器或改变上面级配置扩大运载能力的覆盖范围。日本的H－2A系列也将通过捆绑助推器的组合形成5个型号。

批量生产有助于降低生产成本。美国的EELV、欧空局的阿里安5和日本的H－2A火箭都依赖批量定货实现批量生产。另外新研制的系列运载火箭大中小火箭均采用公用芯级，这也有利于实现批量生产，降低成本。

2.7对组装的创新

为了提高发射效率，降低发射成本，各国都很重视运载火箭组装技术的改进。日本H－2A火箭在原有基础上新建了一个垂直装配厂房、一个发射工位以及两个活动发射平台等。为了高效率地运用这些设备，将现有的活动发射平台从轨道运输改为多轮式运输台车运输。装配时，首先把火箭垂直组装在活动发射平台上，然后再把卫星对接在火箭上。在垂直装配厂房内可同时进行两枚火箭的组装和测试，大大提高了工作效率。此外，新老活动发射平台都安装了脐带塔，并增加了箭体支撑、上级脐带抓取装置。由于增加了活动发射平台的数量以及在活动发射平台内安装了有效载荷地面支援设备，因此具备了综合测试功能。火箭/有效载荷在发射台上的停留时间可从原来的一个月减少到一天。

2.8对发射的创新

为了降低发射成本，提高发射任务适应性和快速反应能力，发射方式的创新受到了各国的重视。1990年，美国轨道科学公司的飞马座火箭首次发射成功，开创了用空射型火箭发射卫星的先例。空中发射的主要优点是自主性和机动性好，载机实际上充当了可重复使用的第一级，因而可以降低发射成本，提高灵活性。鉴于这种考虑，俄空射宇航公司正在研制“飞行号”空射型运载火箭，美国波音公司也在研究是否可研制空射型运载火箭。由美、俄、乌、挪四国公司合资开发的“海射”系统于1999年3月进行了首次海上卫星发射。利用海上发射平台到赤道海域发射可借助地球的自转，提高运载能力。海上发射系统的安全性和灵活性也较好。

3对我国运载技术创新的建议

3.1以自主创新为基础，加强国际合作

我们要努力提高运载技术自主创新能力，坚持自力更生的发展道路。江泽民总书记在党中央、国务院、中央军委召开的表彰在研制“两弹一星”中做出突出贡献的科技专家大会上，号召广大科技工作者和全党、全军、全国各族人民发扬“热爱祖国，无私奉献，自力更生，艰苦奋斗，大力协同，勇于登攀”的“两弹一星”精神。“两弹一星”精神是爱国主义、集体主义、社会主义、科学精神活生生的体现，是中华民族20世纪科技创新的宝贵精神财富。我们要继续发扬“两弹一星”精神，加快创新步伐，刻苦攻关，争取尽早实现运载技术的跨越式发展。

同时，作为一个发展中国家，由于资金有限，技术基础薄弱，我国应加强对外合作，提高研制起点，缩短技术创新周期，加快我国运载技术赶超世界先进水平的步伐。

3.2加强预先研究，加大投入

国外运载技术的发展经验表明，运载技术对国家安全和综合国力的增强有巨大的战略意义。同时，运载技术研制具有周期长、风险大的特点，开展关键技术攻关和保证充足的经费投入是技术开发取得成功的重要保障。因此，我国应当加大投资力度，继续贯彻“生产一个、研制一个、预研一个”的“三步棋”方针，加大预研力度，突破关键技术，促进运载技术的可持续发展。

3.3建设完善配套的创新体系

对运载技术的管理模式要适应社会主义市场经济的要求，要建立灵活有效的技术创新体系，即以研究、设计和试验机构为依托，建立组织灵活的技术创新研发中心，争取建成若干个国家级重点试验室，形成行之有效的从新技术开发到产品生产、市场营销的完整体系。

3.4强化激励机制，培养创新人才队伍

科技的竞争在于人才的竞争，科技人才是创新之本。为了做好运载技术创新工作，我们要进一步强化激励机制，重视对创新人才的引进和培养，要建立一支勇于创新、善于创新的科研队伍。一方面要提高研制人员待遇，为引进、留住科研人才和人才的成长创造必要的条件。另一方面要加强知识产权制度建设，让创新者得到应有的报酬和地位，激发科研人员加强技术创新的内在动力。

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