科创中国

行业领域

航空航天技术

需求背景

近年来，随着商业航天的崛起，低成本商业化需求促进了重复使用航天运载器的快速发展。

其中，美国SpaceX公司的“猎鹰-9”（Falcon-9）运载火箭采取垂直起降技术，单个模块最多使用12次，连续2次发射中转周期最短至27 d。该公司还在研制“超重-星舰”完全重复使用运载火箭，并开展多次入轨级样机SN系列验证机的飞行试验。

此外，美国蓝色起源公司“新谢泼德”火箭的一子级也采用垂直起降技术，载人太空舱采用降落伞进行着陆回收；英国维珍银河公司采用载机空射技术，飞机与太空船均水平起降重复使用，并均完成多次验证性飞行。

上述公司的成功，得益于前人开展的大量研究工作。其中，垂直起降回收方案适用于子级模块规模大、发动机数量多的大中型火箭，其发动机节流能力较易实现。

而对于中小型运载火箭，尤其在发动机数量少、推力大、深度节流困难的条件下，伞降回收也是一个可选方案，技术成熟度高，但回收体规模也较小，着陆冲击难以克服。

需解决的主要技术难题

中国若要实现重复使用航天运载器技术，需要从设计源头出发提升重复使用性能，如重复使用次数、维护维修周期和成本等，从而提升重复使用的经济效益。这就需要解决如下诸多基础问题和技术难题。

经济性对重复使用航天运载器非常重要，否则可能重蹈美国航天飞机的覆辙。

需要综合考虑全寿命周期成本和重复使用后带来的运载能力损失两大因素，其中全寿命周期成本不仅仅包括研制费、制造费和发射场费用，还包括回收费和维护维修费。

由于涉及重复使用技术的攻关，重复使用航天运载器的研制费高于一次性运载火箭。

由于重复使用航天运载器增加着陆缓冲机构、栅格舵、回收控制系统等硬件，其制造费也高于一次性运载火箭。发射场费用主要由推进剂费用、测试、运输和发射、发射场管理和地面技术支持系统等费用构成，这与一次性使用火箭相当。

回收费主要包括箭体结构的回收、运输和检查等费用。维护维修费包括主要部件的维护、修复更换费用和维修的人工成本等。

以两级中大型运载火箭为例，考虑未来利用该火箭执行进入空间任务总规模为1万t，并以其一次性使用运载能力20 t为基准。

假设一子级重复使用后运载能力损失20%，两级完全重复使用后运载能力损失40%；并综合考虑研发和制造费用的增加，以及回收和维护维修费用的增加，分析得到如图7所示结果。

重复使用运载火箭单次发射成本、单位载荷发射成本与重复使用次数之间的关系 （a）重复使用后单次发射成本与一次性运载火箭的比值，（b）单位载荷发射成本与一次性运载火箭的比值；比值小于1说明得到了降低费用的效益，且比值越小效益越好。

可以看到，在重复使用次数很少时单位载荷发射成本并没有减少，且对于完全重复运载器而言这种情况更显著。

当重复使用次数增加，发射成本不断下降。当火箭完全重复使用且复用次数足够多时，全箭制造成本将趋于0，最终发射成本集中于发射场、回收费和维护维修费。

因此，为最终达到大幅降低进入空间成本的目标，同时还需努力降低发射场、回收费和维护维修费。

需要指出的是，如果重复使用后运载能力损失较大，且火箭回收的部分占火箭总成本的比例较低，或者火箭维修的费用过高，将导致回收效率大幅下降，甚至出现单位载荷发射成本与一次性运载火箭的比值永远大于1的情况。

期望实现的主要技术目标

攻克可重复使用运载火箭子级返回着陆最优制导控制技术。

需求解析

解析单位：“科创中国”航空制造产业科技服务团（中国航空学会） 解析时间：2022-12-06

杨亮

中国航空学会

高工

综合评价

近年来，垂直起降可重复使用运载火箭子级返回技术由于可大幅降低航天发射成本、减少航天发射周期，引起了国内外学者的广泛关注。火箭子级返回过程中，需要利用有限的控制能力实现大范围减速，且满足过程约束和苛刻的定点垂直着陆终端约束(如位置、速度和航迹角等)。同时，要尽量减少燃料消耗以提高火箭运载能力并应对突发情况。除此之外，火箭在着陆返回时最小推力通常要远大于火箭自身重力，因此火箭无法靠悬停等动作调整位置与姿态，而必须持续减速，这对制导控制也提出了更高的要求。

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解析单位：“科创中国”航空高端装备制造产业科技服务团（中国航空学会） 解析时间：2022-11-04

王寅

南京航空航天大学

无

综合评价

本需求表明了大致研究方向是针对可重复使用的火箭技术的研发和突破，也阐明了目前该领域存在的主要问题，但并未就具体的技术需求和技术指标等情况进行说明，建议有相关研发经验者与之进一步详细沟通技术细节，以便形成有针对性的细化的研发方案。

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处理进度