張 智

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

運(yùn)載火箭是一種航天運(yùn)輸工具，它負(fù)責(zé)把衛(wèi)星、載人飛船、空間站、空間探測(cè)器等有效載荷送入預(yù)定軌道。載人運(yùn)載火箭是發(fā)射載人飛行器的運(yùn)載火箭，是運(yùn)載火箭家族中的重要成員之一，是一種特殊的火箭。載人飛行器包括一次性使用的載人飛船、可重復(fù)使用的航天飛機(jī)等。

如果將東方號(hào)運(yùn)載火箭將尤里·加加林送入太空的1961年作為載人航天元年，那么載人運(yùn)載火箭已經(jīng)有57年的歷史。在這57年中，人類進(jìn)入了地球近地軌道，登上了月球，建立了地球軌道空間站，并在為進(jìn)入太陽(yáng)系的其他行星(火星)做著不懈的努力。在這57年中，載人運(yùn)載火箭也隨著載人航天的不斷發(fā)展壯大，逐漸地從一般的運(yùn)載火箭中獨(dú)立出來(lái)，成為一種特殊的運(yùn)載火箭。載人運(yùn)載火箭在載人航天的歷史中曾發(fā)生令人扼腕嘆息的航天事故，也建立了一個(gè)又一個(gè)的豐功偉績(jī)。

本文試圖從載人運(yùn)載火箭發(fā)展的歷史中，分析載人運(yùn)載火箭的特點(diǎn)，梳理對(duì)載人運(yùn)載火箭的需求，展望載人運(yùn)載火箭的未來(lái)發(fā)展，為載人航天未來(lái)發(fā)展提供參考借鑒。

1 載人運(yùn)載火箭回顧

1.1 俄羅斯/蘇聯(lián)載人運(yùn)載火箭

東方號(hào)(Vostok)運(yùn)載火箭是世界上第一型載人運(yùn)載火箭，由月球號(hào)火箭(發(fā)射了第一顆月球探測(cè)器)改進(jìn)而來(lái)。該火箭采用二級(jí)捆綁式構(gòu)型，使用液氧/煤油推進(jìn)劑。其整流罩除了提供航天員進(jìn)出艙口外，與發(fā)射衛(wèi)星的整流罩基本相同。月球號(hào)火箭是由衛(wèi)星號(hào)火箭改進(jìn)而來(lái)，而衛(wèi)星號(hào)火箭則是由液體戰(zhàn)略導(dǎo)彈P-7改進(jìn)而來(lái)。因此，可以說(shuō)世界上第一型載人運(yùn)載火箭來(lái)源于戰(zhàn)略導(dǎo)彈。由于是在冷戰(zhàn)背景下研制出的載人運(yùn)載火箭，東方號(hào)運(yùn)載火箭沒(méi)有專門設(shè)計(jì)逃逸救生系統(tǒng)，在一些資料上看到的彈射座椅是在返回著陸時(shí)使用[1]。

東方號(hào)運(yùn)載火箭運(yùn)載能力有限，只能乘坐一名航天員。通過(guò)挖掘一子級(jí)潛力、二子級(jí)采用推力更大性能更優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)，增加推進(jìn)劑加注量，形成了上升號(hào)(Voshod)載人運(yùn)載火箭，能夠發(fā)射乘坐兩人的上升號(hào)飛船。同樣，上升號(hào)也為航天員設(shè)計(jì)了逃逸救生系統(tǒng)。

聯(lián)盟號(hào)(Soyuz)載人運(yùn)載火箭是由上升號(hào)運(yùn)載火箭改進(jìn)而來(lái)的。為提升航天員的安全性，對(duì)箭體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了必要的加強(qiáng)，關(guān)鍵部件和線路進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)或降額設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了逃逸救生系統(tǒng)，加強(qiáng)了全面質(zhì)量管理。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，聯(lián)盟號(hào)才是真正意義上的載人運(yùn)載火箭。值得注意的是，其整流罩除具備發(fā)射衛(wèi)星時(shí)整流罩的功能，其前半部是逃逸飛行器結(jié)構(gòu)的一部分，逃逸飛行時(shí)起著傳遞逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)推力的作用。聯(lián)盟號(hào)運(yùn)載火箭在后續(xù)不斷改進(jìn)和完善中，運(yùn)載能力不斷增強(qiáng)，可靠性、安全性不斷提高，衍生出聯(lián)盟T、聯(lián)盟TM、聯(lián)盟U等，至今仍在服役，發(fā)射成功率很高。

N1載人運(yùn)載火箭是蘇聯(lián)在冷戰(zhàn)時(shí)期建造的一種旨在載人登月的火箭，其構(gòu)型類似于美國(guó)的土星V火箭，為航天員配備了逃逸救生系統(tǒng)。該火箭一子級(jí)采用了30臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠在兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)故障情況下依舊完成任務(wù)。然而，總共4次飛行均告失敗，蘇聯(lián)在美國(guó)登月成功成為事實(shí)的情況下終止了登月計(jì)劃。N1火箭4次飛行失利中有兩次與動(dòng)力系統(tǒng)有關(guān)。

能源號(hào)(Enegya)載人運(yùn)載火箭是蘇聯(lián)研制的一種可重復(fù)使用的載人運(yùn)載火箭，與暴風(fēng)雪號(hào)軌道器配合使用。這是一種專為重復(fù)使用載人航天器發(fā)射全新研制的火箭。與航天飛機(jī)不同的是,能源號(hào)助推器使用了液氧/煤油推進(jìn)劑，芯級(jí)使用了液氫/液氧推進(jìn)劑，且芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)并未布置在暴風(fēng)雪軌道器上。在暴風(fēng)雪軌道器上為航天員配備了逃逸救生系統(tǒng)。

1.2 美國(guó)載人運(yùn)載火箭

美國(guó)在水星計(jì)劃中使用了兩種載人運(yùn)載火箭，即紅石(Redstone)和宇宙神D(Atlas D)[2-3]。在用最簡(jiǎn)單、最可靠的方法完成計(jì)劃的思想指引下，兩種火箭都是由液體戰(zhàn)略導(dǎo)彈改進(jìn)而來(lái)的。宇宙神D火箭是一種單級(jí)火箭(一套推進(jìn)劑貯箱，發(fā)動(dòng)機(jī)分為助推和芯級(jí)，助推發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉后分離)，使用液氧/煤油推進(jìn)劑。除了適應(yīng)性的改進(jìn)外，為確保航天員的安全性，增加了故障檢測(cè)與逃逸系統(tǒng)[4]。由于飛船采用無(wú)整流罩構(gòu)型，逃逸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。宇宙神D火箭還加強(qiáng)了氧箱前后底厚度等，提高結(jié)構(gòu)可靠性[3]。這兩種火箭，包括后文介紹的大力神2、土星系列載人火箭均沒(méi)有為飛船配置傳統(tǒng)意義上的整流罩，可以說(shuō)是由于飛船構(gòu)型不同引起的，也可以說(shuō)是簡(jiǎn)化構(gòu)型設(shè)計(jì)的結(jié)果。

在雙子星計(jì)劃中使用了大力神2(Titan 2)運(yùn)載火箭發(fā)射雙子星飛船。該火箭是軍用大力神2火箭的改進(jìn)版[5]，是二級(jí)串聯(lián)式構(gòu)型，使用四氧化二氮/混肼50推進(jìn)劑。改進(jìn)的目的是增加可靠性和航天員的安全性[6]。在最大動(dòng)壓區(qū)域一旦控制系統(tǒng)失效，很短時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)將被破壞，無(wú)法實(shí)施應(yīng)急救生，因此導(dǎo)航與控制系統(tǒng)進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)。冗余設(shè)計(jì)雖然提高了可靠性，但并未根本消除此危險(xiǎn)。

在阿波羅計(jì)劃中使用了3種運(yùn)載火箭，即土星Ⅰ(Saturn Ⅰ)、土星ⅠB(Saturn ⅠB)和土星Ⅴ(SaturnⅤ)[7]。土星Ⅰ和土星ⅠB都是串聯(lián)式二級(jí)火箭，一級(jí)使用液氧/煤油推進(jìn)劑，二級(jí)使用液氫/液氧推進(jìn)劑，二者都是土星Ⅴ火箭的技術(shù)驗(yàn)證型火箭。土星I共飛行了10次，其中SA-6、SA-7飛行中驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)冗余能力，即8臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的一臺(tái)發(fā)生失效關(guān)閉后，其余7臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)仍然可以完成任務(wù)[8]。土星ⅠB也在此方面進(jìn)行了深入的分析和嘗試[9]。土星Ⅴ是一種串聯(lián)式三級(jí)火箭，一級(jí)使用液氧/煤油推進(jìn)劑，二、三級(jí)使用液氫/液氧推進(jìn)劑。然而，在土星V火箭上，并未采用經(jīng)過(guò)土星I驗(yàn)證的動(dòng)力系統(tǒng)冗余技術(shù)，一級(jí)采用了5臺(tái)大推力的F1液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然沒(méi)有采用動(dòng)力冗余的設(shè)計(jì)，依然對(duì)一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)推力喪失的影響進(jìn)行了深入的研究[10]。對(duì)土星Ⅴ火箭實(shí)施了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，確保發(fā)生此類情況下，有足夠的故障診斷和實(shí)施應(yīng)急處理的時(shí)間。在土星Ⅴ火箭上，為載人航天采用了提高可靠性的技術(shù)，配置了故障檢測(cè)系統(tǒng)和逃逸救生系統(tǒng)。

航天飛機(jī)(Space Shuttle)是NASA開發(fā)的一種部分重復(fù)使用、多任務(wù)、人貨混運(yùn)、低成本、往返地球軌道空間的航天運(yùn)輸系統(tǒng)。這是一個(gè)全新概念、全新研制的系統(tǒng)，沒(méi)有像以往一樣在已有火箭的基礎(chǔ)上開展研制。最初的航天飛機(jī)設(shè)計(jì)是兩級(jí)全部重復(fù)使用概念，全部采用液氫/液氧推進(jìn)劑，后來(lái)考慮到技術(shù)難度和成本因素，才最終發(fā)展成捆綁兩個(gè)固體助推器、部分重復(fù)使用的航天飛機(jī)。該系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)是0.97，安全性指標(biāo)是0.999。出于對(duì)非航天員的普通乘員乘坐的考慮，特別提出上升段乘員承受的過(guò)載不超過(guò)3g。其設(shè)計(jì)思想是故障-工作、故障-安全。通過(guò)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)和過(guò)程控制等手段將災(zāi)難性(任務(wù)失敗、航天員傷亡)故障模式的發(fā)生可能性降至最低。由于通過(guò)中止飛行(軌道器返回)的方式可以使安全性指標(biāo)達(dá)到0.999，因而未采用逃逸救生的方式[11]。但挑戰(zhàn)者號(hào)和哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)的事故證明這種設(shè)計(jì)存在重大缺陷。

在航天飛機(jī)退役后，NASA試圖建造一次性使用的載人運(yùn)載火箭，包括阿瑞斯火箭(Ares)[12]和空間發(fā)射系統(tǒng)(Space launch system，SLS)[13]。Ares火箭由于重返月球計(jì)劃終止而停止研制，目前正在研制的SLS運(yùn)載火箭為捆綁式二級(jí)構(gòu)型，芯一級(jí)使用液氫/液氧推進(jìn)劑，首飛構(gòu)型使用固體助推器。由于研制經(jīng)費(fèi)的限制，SLS研制采用了遞進(jìn)式的發(fā)展路線，首先是應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)造近地軌道運(yùn)載能力70t的火箭，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，逐步實(shí)現(xiàn)近地軌道運(yùn)載能力105t和130t的火箭。SLS火箭的載人構(gòu)型均采用了故障檢測(cè)與逃逸救生系統(tǒng)。

1.3 中國(guó)載人運(yùn)載火箭

長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭是中國(guó)目前唯一一型載人運(yùn)載火箭，是在長(zhǎng)征二號(hào)E火箭基礎(chǔ)上，通過(guò)提高可靠性、安全性的設(shè)計(jì)而來(lái)的。該火箭是捆綁式二級(jí)火箭，使用四氧化二氮/偏二甲肼推進(jìn)劑。如大多數(shù)載人運(yùn)載火箭一樣，火箭配備了故障檢測(cè)系統(tǒng)和逃逸系統(tǒng)[14]。

長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)秉持一度故障工作、二度故障安全的設(shè)計(jì)理念，在系統(tǒng)可靠性、安全性提高方面開展了大量的工作。

在可靠性方面，箭體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用了1.1的強(qiáng)度剩余系數(shù)；控制系統(tǒng)采用了全面冗余設(shè)計(jì)；遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行了分類，關(guān)鍵參數(shù)(I類)進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)；動(dòng)力系統(tǒng)(發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓輸送系統(tǒng))也進(jìn)行了旨在提高可靠性的改進(jìn)；火工裝置全面采用鈍感火工品。

在安全性方面，對(duì)火箭所有危險(xiǎn)源進(jìn)行了系統(tǒng)分析，對(duì)最嚴(yán)重的故障模式、爆炸特性進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，為故障檢測(cè)和逃逸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)；在火箭故障診斷和逃逸指令發(fā)出方面，采用了箭上自動(dòng)和地面手動(dòng)相結(jié)合的方式，箭上處理發(fā)生較快的故障模式，地面處理發(fā)展速度較慢的故障模式；火箭在待發(fā)段和上升段都具備了故障檢測(cè)與逃逸功能；在上升段，采用了逃逸與中止飛行(應(yīng)急分離)相結(jié)合的方式(火箭起飛120s之前采用逃逸方式，之后采用應(yīng)急分離方式)[15]；為了使火箭發(fā)生故障時(shí)能夠給故障檢測(cè)和逃逸提供足夠時(shí)間，火箭增加了尾翼，并對(duì)助推器后過(guò)渡段進(jìn)行了加強(qiáng)。

1.4 小結(jié)

從載人運(yùn)載火箭的發(fā)展歷程可以看出：

(1)早期載人運(yùn)載火箭均是在導(dǎo)彈或其他運(yùn)載火箭的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。經(jīng)歷了人貨合運(yùn)的部分重復(fù)使用探索后，又回到人貨分運(yùn)的一次性使用的運(yùn)載火箭上。但這并不意味著重復(fù)使用的方向是錯(cuò)誤的，只是目前的技術(shù)水平尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)期望的低成本目標(biāo)。

(2)高可靠性、高安全性是載人運(yùn)載火箭內(nèi)在要求，故障檢測(cè)系統(tǒng)、逃逸系統(tǒng)的配置是載人運(yùn)載火箭的外在表現(xiàn)。

(3)高可靠性的設(shè)計(jì)在其他火箭中同樣有強(qiáng)烈的需求，載人火箭與其他火箭最根本的區(qū)別在于安全性。提高安全性的根本是消除災(zāi)難性的故障模式。

(4)除高可靠性、高安全性之外，載人運(yùn)載火箭還應(yīng)為乘員提供舒適的乘坐環(huán)境，滿足除航天員之外的工程技術(shù)專家或普通人的乘坐需求。

2 載人運(yùn)載火箭展望

未來(lái)的載人航天應(yīng)從探索型向應(yīng)用型轉(zhuǎn)化，載人運(yùn)載火箭也應(yīng)適應(yīng)這一轉(zhuǎn)變，在保證滿足載人航天任務(wù)要求的同時(shí)，逐步實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化。

為了保證載人運(yùn)載火箭的高安全性，載人運(yùn)載火箭均以高可靠性為基礎(chǔ)，為火箭配置了故障檢測(cè)系統(tǒng)和逃逸系統(tǒng)(或中止飛行系統(tǒng))。

本文借鑒以往載人運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從總體設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度，展望未來(lái)載人運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)需求。

2.1 設(shè)計(jì)原則

應(yīng)堅(jiān)持故障-工作、故障-安全的設(shè)計(jì)原則，高可靠性和高安全性是載人運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)永遠(yuǎn)的主題。

應(yīng)堅(jiān)持簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則，載人運(yùn)載火箭應(yīng)是單任務(wù)的而不是多任務(wù)的。構(gòu)型盡可能簡(jiǎn)潔，推進(jìn)劑種類、發(fā)動(dòng)機(jī)種類盡可能少。

應(yīng)堅(jiān)持繼承性設(shè)計(jì)原則，載人運(yùn)載火箭要最大程度地繼承同期運(yùn)載火箭的成熟技術(shù)成果。

應(yīng)堅(jiān)持可靠第一、安全至上的設(shè)計(jì)原則，高可靠是高安全的基礎(chǔ)，但高可靠不能替代高安全，在任何情況下，安全性絕對(duì)優(yōu)先。要消除災(zāi)難性故障模式，而不是將其控制在可接受范圍內(nèi)。

應(yīng)堅(jiān)持狀態(tài)協(xié)同設(shè)計(jì)原則。狀態(tài)協(xié)同是指在火箭設(shè)計(jì)中，正常飛行狀態(tài)、故障飛行狀態(tài)和逃逸(或中止飛行)飛行狀態(tài)同時(shí)作為火箭設(shè)計(jì)的輸入條件。盡可能避免無(wú)法檢測(cè)到災(zāi)難性故障，或者檢測(cè)到災(zāi)難性故障但無(wú)法實(shí)施逃逸的情況出現(xiàn)。

應(yīng)堅(jiān)持舒適性設(shè)計(jì)原則。舒適性是指載人運(yùn)載火箭的功能、性能對(duì)乘員(含航天員、有效載荷專家或普通乘客)約束的滿足程度。譬如正常飛行與逃逸飛行的過(guò)載、振動(dòng)、噪聲等。未來(lái)這些指標(biāo)應(yīng)按普通乘客的需求開展設(shè)計(jì)，而不是僅僅只考慮航天員的需求。

2.2 總體設(shè)計(jì)

2.2.1 構(gòu)型設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)簡(jiǎn)化的角度看，串聯(lián)式構(gòu)型的火箭最簡(jiǎn)單，在其他條件均滿足的情況下，載人運(yùn)載火箭應(yīng)首選串聯(lián)式構(gòu)型。當(dāng)然這并不排除并聯(lián)式和捆綁式火箭作為載人火箭的選擇。

載人火箭與載人飛船設(shè)計(jì)應(yīng)是一個(gè)統(tǒng)一的整體，應(yīng)從系統(tǒng)工程的角度進(jìn)行構(gòu)型優(yōu)化。類似聯(lián)盟飛船和神舟飛船的整流罩設(shè)計(jì)看似降低了飛船的設(shè)計(jì)難度，但是卻增加了整流罩的設(shè)計(jì)難度和整流罩分離環(huán)節(jié)，不符合簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的原則。若未來(lái)飛船的規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，目前整流罩的設(shè)計(jì)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求。

無(wú)論選取怎樣的構(gòu)型，都要考慮在發(fā)生故障時(shí)，能為故障檢測(cè)和逃逸救生提供必要的條件。也就是說(shuō)，在故障檢測(cè)出來(lái)前和逃逸執(zhí)行后的一段時(shí)間內(nèi)，火箭結(jié)構(gòu)不能發(fā)生破壞并爆炸。特別是在跨聲速和最大動(dòng)壓區(qū)域，火箭的質(zhì)心和壓心位置應(yīng)很接近。這個(gè)需求可通過(guò)火箭的構(gòu)型設(shè)計(jì)或增加尾翼來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 彈道設(shè)計(jì)

從舒適性設(shè)計(jì)角度看，載人運(yùn)載火箭正常飛行時(shí)的過(guò)載系數(shù)不宜太大，目前的要求都是不大于5，未來(lái)應(yīng)該考慮不大于3。對(duì)于逃逸工況，目前的軸向過(guò)載系數(shù)要求不大于11，未來(lái)應(yīng)按照普通乘員的承受能力確定一個(gè)合適的值。

目前，彈道優(yōu)化設(shè)計(jì)一般以運(yùn)載能力最優(yōu)為目標(biāo)，但這樣的彈道對(duì)逃逸或中止飛行返回的彈道卻未必是優(yōu)化的，未來(lái)的載人運(yùn)載火箭彈道設(shè)計(jì)應(yīng)將逃逸或中止飛行彈道設(shè)計(jì)作為載人運(yùn)載火箭彈道設(shè)計(jì)的約束條件之一。當(dāng)然，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)付出一定的運(yùn)載能力代價(jià)。

2.2.3 動(dòng)力總體

動(dòng)力系統(tǒng)是運(yùn)載火箭主要的危險(xiǎn)來(lái)源。從簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)角度看，全箭最好僅使用一種推進(jìn)劑。從安全性設(shè)計(jì)角度看，最好選用危險(xiǎn)性較低的推進(jìn)劑。

目前，應(yīng)用在載人運(yùn)載火箭的推進(jìn)劑有固體和液體兩大類。除美國(guó)航天飛機(jī)和SLS運(yùn)載火箭采用了固體助推器外，其他火箭均采用了液體推進(jìn)劑。航天飛機(jī)選用固體助推器的主要原因是其成本低，且簡(jiǎn)單、可靠。而SLS運(yùn)載火箭依然采用固體助推器是出于技術(shù)繼承性的考慮。

從系統(tǒng)復(fù)雜程度看，固體發(fā)動(dòng)機(jī)要比液體發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單，因而前者的可靠性高。但從固體發(fā)動(dòng)機(jī)的故障模式的嚴(yán)重度來(lái)看，其故障大多屬于災(zāi)難性的。一旦發(fā)生，故障發(fā)展速度很快，在現(xiàn)有技術(shù)水平下，很難及時(shí)診斷，很難給后續(xù)的逃逸救生提供必要的條件。

目前常用的液體推進(jìn)劑包括：四氧化二氮/肼類、液氧/烴類和液氧/液氫。對(duì)于我國(guó)一直使用的四氧化二氮/偏二甲肼液體發(fā)動(dòng)機(jī)，其故障模式中災(zāi)難性故障模式主要存在于渦輪泵，但從已經(jīng)發(fā)生的故障來(lái)看，從其發(fā)生到起火燃燒，都需要較長(zhǎng)時(shí)間[16]。同樣的推進(jìn)劑規(guī)模，不同推進(jìn)劑組合爆炸產(chǎn)生的沖擊波危害程度不同。四氧化二氮/肼類最低，液氧/烴類中等，液氧/液氫最高。從綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)看，四氧化二氮/肼類有毒推進(jìn)劑將逐漸被淘汰。

終上所述，使用液氧/烴類作為載人運(yùn)載火箭的推進(jìn)劑，是一種較好的選擇。

2.2.4 關(guān)于動(dòng)力冗余

在運(yùn)載火箭中，動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性評(píng)估結(jié)果最低。由動(dòng)力系統(tǒng)故障導(dǎo)致飛行失敗的數(shù)量占全部失敗總數(shù)的38.1%[17]。如何實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)故障后仍可保證任務(wù)圓滿成功，是運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)一直在思考并致力于解決的工程難題。采用動(dòng)力冗余技術(shù)，可解決大部分因發(fā)動(dòng)機(jī)故障導(dǎo)致任務(wù)失敗的問(wèn)題，提高火箭可靠性[18]。但是如果動(dòng)力系統(tǒng)中存在災(zāi)難性故障模式，動(dòng)力冗余會(huì)提高災(zāi)難性故障發(fā)生的概率。對(duì)于載人運(yùn)載火箭來(lái)說(shuō)，是不能接受的。載人運(yùn)載火箭不是不能采用動(dòng)力冗余技術(shù)，前提是動(dòng)力系統(tǒng)中災(zāi)難性故障模式已被消除。

2.2.5 載荷與強(qiáng)度

對(duì)于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，載荷與強(qiáng)度設(shè)計(jì)決定了產(chǎn)品的可靠性。載人運(yùn)載火箭與非載人運(yùn)載火箭的載荷與強(qiáng)度設(shè)計(jì)方面的區(qū)別表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是載荷設(shè)計(jì)應(yīng)包括故障工況，二是應(yīng)將高可靠性的要求體現(xiàn)在安全系數(shù)上[19]。

所謂的故障工況是指表征火箭的某些功能的參數(shù)超出規(guī)定偏差范圍或功能喪失時(shí)的火箭狀態(tài)，如發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降或喪失等。此狀態(tài)下，箭體結(jié)構(gòu)承受的載荷會(huì)發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)迅速破環(huán)，不但影響到任務(wù)完成，甚至影響到乘員的安全性。

2.2.6 故障檢測(cè)與處理

故障檢測(cè)與處理是載人運(yùn)載火箭必不可少的一個(gè)功能。在以往的載人運(yùn)載火箭上，這個(gè)功能都是專為逃逸系統(tǒng)設(shè)置的。未來(lái)這個(gè)功能的作用應(yīng)得到拓展，既要檢測(cè)運(yùn)載火箭的“健康”狀態(tài)，也要為系統(tǒng)重構(gòu)，或改變?nèi)蝿?wù)目標(biāo)提供決策。任務(wù)目標(biāo)包括：繼續(xù)完成既定目標(biāo)、完成次要目標(biāo)、中止飛行或逃逸。

未來(lái)運(yùn)載火箭的“健康”監(jiān)測(cè)功能可能不再是載人運(yùn)載火箭所獨(dú)有的功能，但對(duì)這個(gè)功能的要求一定還是最高的。對(duì)載人運(yùn)載火箭的健康監(jiān)測(cè)應(yīng)堅(jiān)持箭上和地面相互配合的方式，達(dá)到“既不漏，也不誤”的目標(biāo)。

在運(yùn)載火箭飛行過(guò)程中，不僅僅是火箭發(fā)生故障需要逃逸或中止飛行，載人飛船也會(huì)有這樣或那樣的原因需要逃逸或中止飛行，因此，必須給飛船或航天員留有逃逸指令發(fā)送通道。

2.2.7 安全控制

目前，作為一種保護(hù)首區(qū)、航區(qū)地面人員和設(shè)施安全的一種手段，載人運(yùn)載火箭也都配有安全控制功能。在火箭逃逸或中止飛行后，由地面指揮人員，根據(jù)殘骸落點(diǎn)的情況決策是否將火箭空中炸毀，其執(zhí)行裝置是引爆器和爆炸器。這是火箭上危險(xiǎn)性最高的裝置之一，雖然可靠性和安全性設(shè)計(jì)能夠使其危險(xiǎn)概率降到極低水平，實(shí)際飛行中也未見(jiàn)誤炸事故，但畢竟理論上存在這種可能性。而且一旦發(fā)生誤炸，沒(méi)有反應(yīng)時(shí)間。未來(lái)的載人運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)中，應(yīng)消除這個(gè)危險(xiǎn)源，譬如采取推進(jìn)劑空中排放的方式。

2.3 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所有分系統(tǒng)都應(yīng)按照故障-工作，故障-安全的設(shè)計(jì)原則開展設(shè)計(jì)。

2.3.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

貯箱、殼段等結(jié)構(gòu)很難采取冗余設(shè)計(jì)措施，一般都是以增加安全系數(shù)、提高可靠性為主。應(yīng)具備在發(fā)生故障情況后的一段時(shí)間內(nèi)，保持結(jié)構(gòu)完整性的能力。對(duì)于使用了液氫/液氧推進(jìn)劑的載人運(yùn)載火箭，對(duì)液氫的安全性設(shè)計(jì)要引起充分的重視，防止氫的泄露和聚集。

火箭系統(tǒng)必須為航天員快速撤離提供條件。對(duì)于帶整流罩的火箭，必須為航天員的快速撤離提供快速開啟艙口。

多級(jí)火箭的子級(jí)之間一定存在分離面，分離面的連接和分離一般是由火工裝置完成?；鸸ぱb置的特點(diǎn)是一次性工作，安裝后不可測(cè)試，因此應(yīng)盡量減少鈍感火工裝置的數(shù)量，如采用線性連接解鎖裝置。

2.3.2 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)比較容易通過(guò)冗余設(shè)計(jì)方法提高可靠性。因此，凡是影響到飛行任務(wù)可靠性的單機(jī)均采取冗余設(shè)計(jì)方法。

未來(lái)的載人運(yùn)載火箭應(yīng)考慮電氣系統(tǒng)重構(gòu)設(shè)計(jì)，要保證在火箭出現(xiàn)某些故障情況下(如發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降或者喪失、伺服機(jī)構(gòu)卡死)，仍然能夠完成飛行任務(wù)，但前提是該故障不至于影響安全性。

電氣系統(tǒng)的某些單機(jī)，應(yīng)具有故障-安全的能力，如利用系統(tǒng)故障時(shí)調(diào)節(jié)器應(yīng)歸到零位，伺服機(jī)構(gòu)故障時(shí)應(yīng)具備回歸零位的能力等。

電氣系統(tǒng)還應(yīng)具備為箭上故障檢測(cè)和地面故障診斷提供可靠數(shù)據(jù)的能力，以及可靠接收和執(zhí)行地面發(fā)出的逃逸或中止飛行指令的能力。

2.3.3 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓輸送系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)的潛在危險(xiǎn)來(lái)自推力喪失或突然爆炸。應(yīng)盡可能消除災(zāi)難性的故障模式。發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)具備全過(guò)程的健康診斷能力，以便實(shí)施緊急關(guān)機(jī)或進(jìn)行應(yīng)急處理。

增壓輸送系統(tǒng)的危險(xiǎn)來(lái)自高壓貯氣產(chǎn)品的爆炸或是管路氣體、液體的泄漏。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能減少危險(xiǎn)源的數(shù)量，消除爆炸等可導(dǎo)致災(zāi)難性故障的模式。同時(shí)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)開展管路頻率管理，防止耦合振動(dòng)的發(fā)生，特別是應(yīng)采取措施抑制POGO(縱向耦合振動(dòng))發(fā)生。

2.3.4 中止飛行和逃逸系統(tǒng)

中止飛行和逃逸系統(tǒng)都是保證航天員安全的有效手段。具體的應(yīng)用是按照火箭的故障模式及危害性的程度決定。從未來(lái)技術(shù)發(fā)展的預(yù)測(cè)來(lái)看，災(zāi)難性故障模式難以徹底消除，因此，不建議單獨(dú)使用中止飛行手段。

逃逸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)以應(yīng)對(duì)火箭災(zāi)難性故障模式為目標(biāo)，如火箭爆炸。應(yīng)定量研究火箭的爆炸危險(xiǎn)因素，如沖擊波、碎片、火焰等。既要研究火箭在地面的爆炸行為，也要研究空中爆炸的演化行為。

逃逸系統(tǒng)的反應(yīng)應(yīng)盡可能地快速，因此，使用固體推進(jìn)劑作為動(dòng)力源是最佳的選擇。逃逸飛行器的載荷設(shè)計(jì)應(yīng)與載人火箭故障飛行載荷設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)，即承受能力應(yīng)大于火箭故障飛行的載荷承受能力。逃逸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須與飛船系統(tǒng)設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)。

2.4 可靠性、安全性保證

載人運(yùn)載火箭的高可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的，但也要通過(guò)生產(chǎn)、試驗(yàn)以及管理活動(dòng)來(lái)保證。

可靠性保證要從元器件、原材料抓起。應(yīng)按照最高標(biāo)準(zhǔn)選用元器件、原材料，采用下廠監(jiān)制、加嚴(yán)篩選、進(jìn)廠復(fù)驗(yàn)等有效措施控制產(chǎn)品質(zhì)量，并嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量問(wèn)題歸零和舉一反三[20]。

大量的地面試驗(yàn)驗(yàn)證是可靠性、安全性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的保證。通過(guò)可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)并加以改進(jìn)，通過(guò)環(huán)境余量試驗(yàn)摸清產(chǎn)品裕度，通過(guò)飛行故障仿真試驗(yàn)驗(yàn)證故障判據(jù)(包括全數(shù)字和半實(shí)物的仿真試驗(yàn))，通過(guò)逃逸飛行試驗(yàn)驗(yàn)證逃逸飛行器設(shè)計(jì)的正確性等。

嚴(yán)格的過(guò)程控制，包括設(shè)計(jì)過(guò)程、制造過(guò)程、總裝測(cè)試過(guò)程，是確保產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而保證可靠性、安全性至關(guān)重要的手段。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用成熟技術(shù)構(gòu)造載人運(yùn)載火箭是未來(lái)載人運(yùn)載火箭發(fā)展的必然途徑。高可靠性是載人火箭的基礎(chǔ)，高安全性是載人運(yùn)載火箭至高無(wú)上的追求。在安全性的設(shè)計(jì)中應(yīng)以消除災(zāi)難性故障模式為根本，不能以高可靠性替代高安全性。載人運(yùn)載火箭研制中應(yīng)充分考慮人的因素，為乘員提供安全、舒適的乘坐環(huán)境。

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