包為民，汪小衛(wèi)

(1.中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司，北京 100048;2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

航天運(yùn)輸系統(tǒng)作為一個(gè)國(guó)家開(kāi)展航天活動(dòng)的支撐和基礎(chǔ)，是其綜合國(guó)力的重要標(biāo)志[1]。經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，我國(guó)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭已經(jīng)形成了較為完備的產(chǎn)品系列，為我國(guó)載人航天、月球探測(cè)、火星探測(cè)等重大工程的順利實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

人類對(duì)太空的依賴與日俱增，太空領(lǐng)域是21世紀(jì)世界大國(guó)爭(zhēng)奪的重要疆域，航天技術(shù)正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。當(dāng)前，世界航天已進(jìn)入以大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)星座建設(shè)、空間資源開(kāi)發(fā)、載人月球探測(cè)和大規(guī)模深空探測(cè)為代表的新階段，進(jìn)入空間需求正在快速增長(zhǎng)，對(duì)航天運(yùn)輸系統(tǒng)提出了更高要求[2-3]。像飛機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)航班化運(yùn)營(yíng)，是革命性提升航天運(yùn)輸系統(tǒng)能力的重要途徑。

以美國(guó)為代表的世界主要航天國(guó)家正在持續(xù)提升航天運(yùn)輸系統(tǒng)性能，發(fā)展重復(fù)使用、智能化、先進(jìn)結(jié)構(gòu)、高性能發(fā)動(dòng)機(jī)、高性能空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)，不斷向航班化運(yùn)輸邁進(jìn)[3-13]。

站在新的歷史節(jié)點(diǎn)上，我國(guó)應(yīng)抓住機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)，發(fā)展航班化的航天運(yùn)輸系統(tǒng)，迎接航天運(yùn)輸發(fā)展的新時(shí)代。本文提出了航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)概念組成、發(fā)展目標(biāo)和指標(biāo)要求，并從重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)和空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)兩個(gè)方面，展望了我國(guó)航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展。

1 發(fā)展需求

1.1 能夠滿足人類生存與發(fā)展的需求

“地球是人類的搖籃，但人類不會(huì)永遠(yuǎn)生活在搖籃里?！焙教炜萍嫉陌l(fā)展，能夠幫助人類更好地認(rèn)識(shí)地球、太陽(yáng)系、宇宙以及探索生命之源等基礎(chǔ)問(wèn)題，能夠幫助解決人類社會(huì)發(fā)展中遇到的貧窮、災(zāi)難、疾病以及人口快速增長(zhǎng)帶來(lái)的能源匱乏、資源短缺等各類問(wèn)題。航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)人類自由進(jìn)出太空、開(kāi)發(fā)和利用太空資源、尋求新的生存與發(fā)展空間的基礎(chǔ),能更好地服務(wù)于人類未來(lái)的生存與發(fā)展。

1.2 能夠滿足人民對(duì)未來(lái)美好生活向往的需求

每一次運(yùn)輸方式的變革都會(huì)帶來(lái)人類生活方式和生活水平的革命，例如高鐵、飛機(jī)的商業(yè)運(yùn)行不僅帶來(lái)人們出行方式的改變，還帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)、文化、生活、觀念上的變化，并深刻影響著社會(huì)的各個(gè)方面。隨著人民生活水平的提高，對(duì)交通運(yùn)輸?shù)乃俣群头秶岢隽烁咭?，例如人們?duì)太空旅游關(guān)注度日益升高，“一小時(shí)全球抵達(dá)”已提上日程，航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)以上需求的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

1.3 能夠滿足未來(lái)大規(guī)模探索與開(kāi)發(fā)太空的需求

大規(guī)模探索與開(kāi)發(fā)太空將為人類提供更廣闊的活動(dòng)空間、更豐富的物質(zhì)資源，也是經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)健康增長(zhǎng)的新動(dòng)能，將帶動(dòng)相關(guān)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展。預(yù)計(jì)到2045年進(jìn)入空間載荷規(guī)模將達(dá)萬(wàn)噸級(jí)[14]，寶貴的太空軌道、頻段、資產(chǎn)等太空資源將日趨緊張。發(fā)展航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)能夠滿足未來(lái)大規(guī)模進(jìn)入空間需求，以更高效更大規(guī)模開(kāi)發(fā)和利用空間資源，支撐未來(lái)大規(guī)模地月空間探索與開(kāi)發(fā)、大規(guī)模深空探測(cè)、小行星探測(cè)與開(kāi)發(fā)、火星移民等重大航天任務(wù)的實(shí)施。

1.4 能夠滿足我國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)“從全到強(qiáng)”的歷史跨越

航天運(yùn)輸系統(tǒng)是一切航天活動(dòng)的基礎(chǔ)，也是航天強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志。自1970年長(zhǎng)征一號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)運(yùn)載火箭已經(jīng)走過(guò)了“從無(wú)到有”“從有到全”的歷史進(jìn)程，正邁入“從全到強(qiáng)”的時(shí)代；著眼于未來(lái)發(fā)展，發(fā)展航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)我國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)“從全到強(qiáng)”的歷史轉(zhuǎn)變，支撐航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)近地空間運(yùn)輸便捷經(jīng)濟(jì)、地月空間運(yùn)輸高效可靠、星際空間運(yùn)輸自主可達(dá)。

1.5 能夠帶動(dòng)我國(guó)國(guó)防、科技、經(jīng)濟(jì)全方位發(fā)展

發(fā)展航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)，能夠帶動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論和方法、動(dòng)力與能源問(wèn)題、智能控制問(wèn)題、高超聲速氣動(dòng)問(wèn)題、材料的極端服役疲勞問(wèn)題、多學(xué)科耦合與優(yōu)化問(wèn)題等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的研究，帶動(dòng)重復(fù)使用技術(shù)、高性能發(fā)動(dòng)機(jī)、先進(jìn)熱防護(hù)、復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)、高精度制導(dǎo)控制等重大關(guān)鍵技術(shù)的突破，引領(lǐng)科技創(chuàng)新發(fā)展新方向；也將帶動(dòng)諸多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，并促進(jìn)以太空資源開(kāi)發(fā)、太空旅游、太空制造等為代表的新型產(chǎn)業(yè)的興起，推動(dòng)我國(guó)國(guó)防、科技、經(jīng)濟(jì)全方位發(fā)展。

2 概念組成

航班化航天運(yùn)輸含全球快速運(yùn)輸，地面與軌道間運(yùn)輸，以及軌道與軌道間運(yùn)輸，采用定期定線路的航班化運(yùn)營(yíng)模式，具有可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、便捷、舒適、環(huán)保的基本特點(diǎn)，能夠滿足未來(lái)大規(guī)模進(jìn)出空間、探索空間和開(kāi)發(fā)空間的任務(wù)需求，促進(jìn)航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)產(chǎn)品體系主要由1 h全球抵達(dá)運(yùn)輸、天地往返運(yùn)輸和空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸?shù)?類系統(tǒng)組成，具有重復(fù)使用、智能化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)規(guī)?；燃夹g(shù)特征。

1 h全球抵達(dá)運(yùn)輸系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)人/貨往返地球表面與亞軌道之間的高超聲速運(yùn)輸，技術(shù)途徑主要為可重復(fù)使用運(yùn)載+高超聲速技術(shù)；天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)地面與地球軌道之間的人/貨往返的運(yùn)輸，技術(shù)途徑主要為可重復(fù)使用運(yùn)載+高超聲速技術(shù)；空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)地球軌道、在軌服務(wù)站以及月球軌道之間的往返運(yùn)輸，兼顧更遠(yuǎn)深空轉(zhuǎn)移運(yùn)輸任務(wù)，技術(shù)途徑主要為軌道間轉(zhuǎn)移運(yùn)載器+自主交會(huì)對(duì)接技術(shù)、新型空間動(dòng)力技術(shù)、在軌加注和維護(hù)技術(shù)等。

圖1 航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)功能及運(yùn)行示意圖Fig.1 Architecture of airline-flight-mode aerospace transportation system

航班化是航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展的高級(jí)形式，規(guī)劃到2045年，實(shí)現(xiàn)1 h全球抵達(dá)、地面與軌道間以及軌道與軌道間航班化運(yùn)輸，按需發(fā)射，每年總飛行次數(shù)達(dá)千次量級(jí)，總貨運(yùn)萬(wàn)噸級(jí)，總客運(yùn)萬(wàn)人次。形成體系化能力和規(guī)?；a(chǎn)業(yè)，總體性能水平達(dá)到世界一流，全面建成我國(guó)航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)，滿足我國(guó)航天重大任務(wù)和商業(yè)化運(yùn)營(yíng)需求。

未來(lái)我國(guó)航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)需具備以下能力，具體指標(biāo)如下：

1)載貨飛行可靠性不低于0.995，載人飛行安全性不低于0.999 9；

2)單位有效載荷發(fā)射成本較當(dāng)前下降1～2個(gè)量級(jí)；

3)單運(yùn)載器可重復(fù)飛行次數(shù)達(dá)百次及以上，周轉(zhuǎn)時(shí)間不大于12 h。

3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展態(tài)勢(shì)

3.1 國(guó)外發(fā)展態(tài)勢(shì)

美國(guó)SpaceX公司依托其高運(yùn)載效率、高可靠性的運(yùn)載火箭優(yōu)勢(shì)技術(shù)基礎(chǔ)，不斷開(kāi)展重復(fù)使用技術(shù)驗(yàn)證，其Falcon-9火箭垂直起降重復(fù)使用技術(shù)日趨成熟，截至2021年5月，其一子級(jí)單模塊已實(shí)現(xiàn)10次重復(fù)利用；SpaceX公司“超重-星艦”運(yùn)輸系統(tǒng)面向未來(lái)航班化運(yùn)營(yíng)需求，可全面提供全球快速抵達(dá)運(yùn)輸、進(jìn)出空間、太空資產(chǎn)回收和空間轉(zhuǎn)移等服務(wù)，正持續(xù)開(kāi)展飛行驗(yàn)證；美國(guó)火神、新格倫火箭都計(jì)劃采用重復(fù)使用技術(shù)；俄羅斯國(guó)家航天集團(tuán)公司公布了其一子級(jí)重復(fù)使用的“阿穆?tīng)枴被鸺桨?；歐空局計(jì)劃在下一代阿里安火箭上采用重復(fù)使用技術(shù)，并持續(xù)開(kāi)展“普羅米修斯”發(fā)動(dòng)機(jī)和“塞彌斯”垂直起降驗(yàn)證機(jī)的研制，同時(shí)英國(guó)持續(xù)開(kāi)展組合動(dòng)力“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)和“云霄塔”空天飛機(jī)的技術(shù)攻關(guān)；日本和印度也在不斷開(kāi)展重復(fù)使用技術(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證工作[3-7]。

同時(shí)，國(guó)外主要航天國(guó)家還通過(guò)應(yīng)用智能化設(shè)計(jì)、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高性能發(fā)動(dòng)機(jī)等新技術(shù)，不斷提升航天運(yùn)輸系統(tǒng)可靠性和運(yùn)載效率。智能技術(shù)的快速進(jìn)步為航天領(lǐng)域發(fā)展帶來(lái)新動(dòng)能，成為研究的重點(diǎn)方向。全生命周期數(shù)字化管理、基于數(shù)字樣機(jī)的虛擬設(shè)計(jì)、快速生產(chǎn)制造、智能飛行和自主返回控制等技術(shù)不斷取得突破[8]。各國(guó)不斷發(fā)展鋁鋰合金和復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)技術(shù)，降低結(jié)構(gòu)系數(shù)；不斷發(fā)展高性能液氧煤油、液氧甲烷和氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，具備高比沖、高推重比和推力深度調(diào)節(jié)能力。

美國(guó)持續(xù)開(kāi)展以“先進(jìn)半人馬座”為代表的長(zhǎng)時(shí)間在軌高性能低溫上面級(jí)的研制工作，通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)的低溫推進(jìn)劑在軌蒸發(fā)量控制等新技術(shù)，使其在軌時(shí)間最長(zhǎng)可延長(zhǎng)到數(shù)周，可執(zhí)行近地和深空探測(cè)等空間運(yùn)輸任務(wù)以及在軌服務(wù)、空間碎片清理等任務(wù)，通過(guò)在軌加注實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用，大幅拓展了現(xiàn)有空間運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和應(yīng)用模式；ULA公司已計(jì)劃將“先進(jìn)半人馬座”上面級(jí)作為其未來(lái)大規(guī)模開(kāi)發(fā)和利用地月空間資源、建立地月空間經(jīng)濟(jì)圈的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一[3,9-13]。

3.2 我國(guó)發(fā)展態(tài)勢(shì)

我國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，取得了舉世矚目的成績(jī)。進(jìn)入空間方面，構(gòu)建了較為完善的一次性運(yùn)載火箭產(chǎn)品體系，新一代運(yùn)載火箭陸續(xù)開(kāi)始應(yīng)用發(fā)射?？臻g轉(zhuǎn)移運(yùn)輸方面，形成了“遠(yuǎn)征”系列上面級(jí)。目前，我國(guó)正在持續(xù)開(kāi)展新一代載人運(yùn)載火箭、重型運(yùn)載火箭和低溫上面級(jí)等技術(shù)攻關(guān)。重復(fù)使用、新型動(dòng)力等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)取得顯著進(jìn)展，圍繞垂直起降、垂直起飛水平返回、水平起降等開(kāi)展了方案論證和部分飛行演示驗(yàn)證。同時(shí)，我國(guó)正在持續(xù)積極推進(jìn)智慧火箭技術(shù)研究，通過(guò)智能技術(shù)賦能，進(jìn)一步提升航天運(yùn)輸系統(tǒng)綜合能力[3]。

所取得的這些成就為建設(shè)航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)奠定了一定的基礎(chǔ)，但針對(duì)航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)的建設(shè)仍處于起步階段。

天地往返運(yùn)輸方面，我國(guó)新一代運(yùn)載火箭在飛行可靠性、發(fā)射成本以及發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間等方面距航班化目標(biāo)差距明顯，尚且不具備重復(fù)使用能力。重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)重點(diǎn)突破重復(fù)使用技術(shù)，能夠發(fā)展成為滿足未來(lái)我國(guó)航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)能力需求的重要組成，但目前處于預(yù)研階段，發(fā)展進(jìn)度與航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)要求還存在差距。空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸方面，當(dāng)前仍以常規(guī)有毒推進(jìn)劑上面級(jí)為主力，低溫等高性能空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸系統(tǒng)尚未工程立項(xiàng)，距離設(shè)定的空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸?shù)念A(yù)期目標(biāo)差距較大。

4 未來(lái)發(fā)展展望

針對(duì)航班化的任務(wù)能力指標(biāo)實(shí)現(xiàn)，結(jié)合我國(guó)當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀，提出相關(guān)發(fā)展設(shè)想。面向1 h全球抵達(dá)、天地往返運(yùn)輸任務(wù)目標(biāo)，提出開(kāi)展重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)；面向軌道間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸任務(wù)目標(biāo)，提出開(kāi)展空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)。

轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)理念、革新設(shè)計(jì)研發(fā)體系，大力提升我國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)性能和設(shè)計(jì)研制水平，不斷突破重復(fù)使用為代表的新型技術(shù)，拓展空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸能力，增加新功能、融入新要素，最終建成航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)。

4.1 重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)

(1)發(fā)展思路

重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)由垂直起降運(yùn)載火箭(VTVL)、垂直起飛水平著陸運(yùn)載器(VTHL)和水平起降運(yùn)載器(HTHL)等3大類組成，構(gòu)成未來(lái)1 h全球抵達(dá)和天地往返運(yùn)輸?shù)闹黧w。

圖2 重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of reusable aerospace transportation system

采用重復(fù)使用設(shè)計(jì)理念，開(kāi)展長(zhǎng)航時(shí)、長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)，從根本上解決當(dāng)前運(yùn)載火箭一次性使用帶來(lái)的費(fèi)用高昂?jiǎn)栴}，最終實(shí)現(xiàn)像飛機(jī)一樣重復(fù)使用和航班化運(yùn)營(yíng)，全面完成1 h全球抵達(dá)和天地往返的任務(wù)目標(biāo)。同時(shí),實(shí)現(xiàn)我國(guó)天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)從單次使用到多次使用、從定制化到批量化、從性能設(shè)計(jì)到壽命設(shè)計(jì)、從使用性設(shè)計(jì)到維護(hù)性設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。

2025年，完成重點(diǎn)項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，先期開(kāi)展技術(shù)驗(yàn)證飛行試驗(yàn)。垂直起降運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)一子級(jí)垂直回收。升力式火箭動(dòng)力運(yùn)載器具備小規(guī)模入軌的技術(shù)能力。組合動(dòng)力一級(jí)完成原理性技術(shù)飛行驗(yàn)證。

2035年，實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)工程應(yīng)用。研制小型升力式全球快速抵達(dá)運(yùn)載器，具備單次10人級(jí)全球快速抵達(dá)能力；研制小型升力式完全重復(fù)使用運(yùn)載器、中型垂直起降部分重復(fù)使用運(yùn)載火箭等產(chǎn)品，具備中等規(guī)模天地往返運(yùn)輸能力。飛行可靠性達(dá)到0.99，1 h全球抵達(dá)和天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)單運(yùn)載器可重復(fù)使用次數(shù)達(dá)到50～100次，周轉(zhuǎn)時(shí)間不大于1周，單位載荷運(yùn)輸成本下降50%以上。

2045年，重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)全面工程化應(yīng)用，技術(shù)不斷升級(jí)，單級(jí)入軌實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。研制大型垂直起降全球快速抵達(dá)運(yùn)載器，具備單次100人級(jí)全球快速抵達(dá)能力；研制小型組合動(dòng)力重復(fù)使用運(yùn)載器、大型垂直起降完全重復(fù)使用運(yùn)載火箭，具備大規(guī)模天地往返運(yùn)輸能力。飛行可靠性不低于0.995，載人飛行安全性達(dá)到0.999 9，重復(fù)使用次數(shù)100次以上，具備12 h內(nèi)重復(fù)使用快速檢測(cè)維護(hù)、智能發(fā)射和智能飛行控制能力，單位載荷運(yùn)輸成本降低1～2個(gè)量級(jí)以上。

(2)技術(shù)難點(diǎn)

重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)與一次性運(yùn)載火箭相比，從任務(wù)剖面角度看，除上升段外還涉及返回、維護(hù)維修和再次發(fā)射等過(guò)程，未來(lái)航班化運(yùn)營(yíng)重復(fù)使用次數(shù)多，周轉(zhuǎn)周期短，且從起降方式角度還分為多種方式，這就導(dǎo)致重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)難度大、難點(diǎn)多，主要涉及總體設(shè)計(jì)與優(yōu)化、高精度著陸控制、長(zhǎng)時(shí)間高超聲速飛行復(fù)雜氣動(dòng)力熱設(shè)計(jì)與精確預(yù)示、輕質(zhì)耐疲勞著陸支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、大尺寸升力式運(yùn)載器輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造、復(fù)雜氣動(dòng)外形組合體高速級(jí)間分離、發(fā)動(dòng)機(jī)大范圍推力調(diào)節(jié)、長(zhǎng)壽命重復(fù)使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、長(zhǎng)壽命高性能組合循環(huán)動(dòng)力設(shè)計(jì)、跨域高動(dòng)態(tài)智能控制與導(dǎo)航制導(dǎo)、重復(fù)使用輕質(zhì)長(zhǎng)壽命熱防護(hù)及綜合熱管理設(shè)計(jì)等。

4.2 空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)

(1)發(fā)展思路

空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸系統(tǒng)主要由低溫空間運(yùn)輸系統(tǒng)和大功率電推進(jìn)空間運(yùn)輸系統(tǒng)組成。建立空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)新理念新方法，采用高性能綠色動(dòng)力技術(shù)、在軌加注和模塊組合等途徑，解決當(dāng)前上面級(jí)推進(jìn)劑有毒、能力有限、一次性使用等問(wèn)題。最終實(shí)現(xiàn)空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸?shù)闹貜?fù)使用和航班化運(yùn)營(yíng)，全面完成空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸系統(tǒng)從常規(guī)有毒動(dòng)力到高能綠色動(dòng)力，從單次使用到多次使用，從短航時(shí)飛行到長(zhǎng)航時(shí)飛行的轉(zhuǎn)變。

圖3 空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of on-orbit transportation system

2025年，完成低溫推進(jìn)劑在軌被動(dòng)蒸發(fā)量控制、大功率電推進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證。

2035年，實(shí)現(xiàn)空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸系統(tǒng)工程應(yīng)用，研制低溫空間運(yùn)輸系統(tǒng)和大功率電推進(jìn)空間運(yùn)輸系統(tǒng)，進(jìn)一步突破低溫推進(jìn)劑在軌準(zhǔn)零蒸發(fā)、在軌加注和超大功率空間能源設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)地月空間中等規(guī)模轉(zhuǎn)移運(yùn)輸能力，飛行可靠性不低于0.99，在軌加注重復(fù)使用50～100次，一次加注可在軌數(shù)周。

2045年，空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸系統(tǒng)全面工程化應(yīng)用，技術(shù)不斷升級(jí)，空間核推進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破，研制地月空間運(yùn)輸系統(tǒng)等系列化產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)地月空間大規(guī)模轉(zhuǎn)移運(yùn)輸能力，飛行可靠性不低于0.995，載人飛行安全性達(dá)到0.999 9，在軌加注重復(fù)使用100次以上，一次加注可在軌數(shù)月，具備在軌快速檢測(cè)維護(hù)、智能任務(wù)規(guī)劃和智能飛行能力。

(2)技術(shù)難點(diǎn)

低溫空間運(yùn)輸系統(tǒng)采用高比沖的液氫液氧或液氧烴類推進(jìn)劑組合，能夠有效提升空間運(yùn)輸能力。面向未來(lái)在軌航班化運(yùn)營(yíng)，需要解決如低溫推進(jìn)劑蒸發(fā)量控制、微重力環(huán)境氣液分離設(shè)計(jì)、蒸發(fā)氣體排放利用、高效輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、微重力環(huán)境下低溫推進(jìn)劑輸送設(shè)計(jì)、適應(yīng)長(zhǎng)期在軌的可重構(gòu)軟件定義電氣系統(tǒng)等技術(shù)難點(diǎn)。

大功率電推進(jìn)空間運(yùn)輸系統(tǒng)采用大功率太陽(yáng)能或核能作為能源供給，并應(yīng)用大功率高效率電推力器，技術(shù)難度大，涉及的技術(shù)難點(diǎn)主要有：輕質(zhì)高效太陽(yáng)能電池陣設(shè)計(jì)、大功率長(zhǎng)期在軌高效熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)、輕質(zhì)高安全核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)、高效空間散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)、在軌長(zhǎng)壽命電推力器設(shè)計(jì)、高效輕質(zhì)多模式推力器設(shè)計(jì)等。

5 結(jié)論

世界航天即將迎來(lái)大規(guī)模進(jìn)出空間的“航班化航天運(yùn)輸”時(shí)代，站在新的歷史節(jié)點(diǎn)上，面對(duì)新的需求、機(jī)遇和挑戰(zhàn)，我們要把握機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)，立足我國(guó)戰(zhàn)略發(fā)展需要，發(fā)展航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，探索新技術(shù)新方法，科學(xué)規(guī)劃產(chǎn)品體系；開(kāi)展運(yùn)載火箭性能提升優(yōu)化專項(xiàng)研究，夯實(shí)基礎(chǔ)，賦能升級(jí)；建設(shè)重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)和空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸系統(tǒng)，謀篇長(zhǎng)遠(yuǎn)，構(gòu)建體系；實(shí)現(xiàn)我國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)的跨越式發(fā)展，建成世界一流水平的航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)。