国外的可重复使用运载火箭

国外的可重复使用运载火箭

# 第一章 国外可重复使用运载火箭发展概述

## 第一节 可重复使用运载火箭性能优势

### 一、大幅降低航天发射成本

可重复使用运载火箭通过回收并重复利用火箭的关键部件，如助推器、芯级等，显著减少了每次发射所需的硬件制造和准备成本。传统一次性运载火箭在发射后，其昂贵的箭体结构大多被废弃，而可重复使用火箭则能多次执行任务。例如，美国 Space X 公司的“猎鹰 9 号”火箭，通过成功实现一级火箭的回收和多次复用，将发射成本大幅降低。原本商业航天发射市场中，单次发射费用高昂，一些大型运载火箭的发射成本可达数亿美元。而“猎鹰 9 号”经过复用后，发射成本可降至数千万美元，在一些大规模发射任务中，甚至能进一步降低成本，这使得更多商业航天项目、卫星星座部署等变得经济可行，极大地推动了航天产业的商业化进程，也为科学研究、深空探测等任务提供了更具成本效益的发射选择。

### 二、带动航天技术商业化应用

可重复使用运载火箭的出现为航天技术商业化开辟了广阔前景。其降低的发射成本吸引了众多商业航天企业参与卫星互联网、太空旅游、商业遥感等领域的项目。在卫星互联网方面，大量低轨道卫星星座计划得以实施，如美国的 Starlink 项目，旨在构建全球覆盖的高速卫星互联网网络。可重复使用火箭能够以相对较低的成本将这些卫星快速送入预定轨道，加速了卫星互联网产业的发展，有望为全球用户提供高速、低延迟的互联网接入服务。在太空旅游领域，像 Virgin Galactic 和 Blue Origin 等公司利用可重复使用亚轨道飞行器，为游客提供体验太空边缘飞行的机会，使太空旅游从概念逐渐走向现实，拓展了航天产业的消费市场，促进了航天相关技术在民用领域的应用与创新，带动了上下游产业的协同发展，形成了新的经济增长点。

### 三、实现航天技术快速迭代

可重复使用运载火箭的运营模式促进了航天技术的快速迭代。由于火箭可多次使用，每次飞行后都能获取大量实际飞行数据，包括发动机性能、结构受力、热防护效果等方面的数据。这些数据反馈为技术改进提供了宝贵依据。例如，Space X 在“猎鹰 9 号”的多次飞行过程中，根据回收过程中发动机点火、着陆腿展开等环节的数据，不断优化发动机的控制算法、提高着陆精度、改进热防护材料和结构设计。同时，可重复使用火箭的商业化竞争环境也促使企业加快技术创新步伐，以提高火箭的性能、可靠性和复用次数。这种基于实际飞行数据和市场竞争的技术迭代机制，使得航天技术能够更快地发展，推动了火箭发动机技术、材料科学、导航制导与控制技术等多领域的不断进步，为未来更先进的航天任务奠定了坚实基础。

## 第二节 可重复使用运载火箭关键技术研究概述

### 一、总体优化设计

总体优化设计是可重复使用运载火箭的关键环节。它需要综合考虑火箭的任务需求、性能指标、成本限制等多方面因素，对火箭的整体构型、推进系统布局、结构强度与质量分布等进行统筹规划。在构型方面，要确定是采用单级还是多级火箭结构，以及各级之间的连接方式和分离机制。例如，对于一些小型可重复使用火箭，单级入轨构型可能更具优势，可减少系统复杂度和分离风险；而对于大型运载任务，多级火箭结构则能更好地满足不同轨道高度的需求。在推进系统布局上，要合理安排发动机的数量、位置和推力方向，以实现火箭在不同飞行阶段的稳定控制和高效推进。同时，通过优化结构设计，在保证火箭足够强度和刚度的前提下，尽可能减轻箭体质量，提高火箭的运载效率和可复用性。例如，采用轻质高强度材料、优化结构件的形状和尺寸等方法，降低结构质量占比，增加有效载荷能力，并且有利于火箭的回收和重复使用。

### 二、动力关键技术

动力系统是可重复使用运载火箭的核心部分，涉及多种关键技术。火箭发动机需要具备高可靠性、可重复启动能力和良好的性能调节范围。对于液氧/煤油、液氧/甲烷、液氧/液氢等不同类型的火箭发动机，都面临着各自的技术挑战。在燃烧稳定性方面，要确保燃料和氧化剂在不同工况下都能稳定燃烧，避免出现燃烧不稳定导致的发动机故障。例如，在可重复使用火箭发动机的多次启动和不同推力调节过程中，需要精确控制燃烧室内的压力、温度和燃料混合比等参数，以维持稳定燃烧。发动机的热管理也是关键技术之一，火箭发动机在工作时会产生极高的温度，尤其是在喷管等高温部件，需要有效的热防护和冷却措施，以保证发动机的结构完整性和可靠性，延长其使用寿命。此外，发动机的轻量化设计对于提高火箭的整体性能也至关重要，通过采用新型材料和先进制造工艺，在不降低发动机性能的前提下，减轻发动机的质量，增加火箭的有效载荷能力或提高其复用性能。

### 三、结构与热防护

可重复使用运载火箭的结构与热防护技术直接关系到火箭的重复使用性能和安全性。在结构设计上，要满足火箭在发射、飞行和回收过程中的各种力学载荷要求，包括轴向压力、横向剪切力、弯曲力矩以及在气动加热和发动机振动等复杂环境下的结构稳定性。例如，火箭的箭体结构需要具备足够的强度和刚度，以承受发射时的巨大推力和飞行过程中的空气动力作用。同时，为了实现重复使用，结构还需要具备良好的耐久性和抗疲劳性能，能够经受多次飞行循环的考验。热防护技术对于可重复使用火箭尤为重要，因为在高速飞行过程中，火箭表面会受到强烈的气动加热。不同部位的热防护要求不同，对于机身大面积部位，需要采用高效隔热材料，如隔热陶瓷瓦或隔热毡等，以降低热量向内部结构的传递；对于头锥、翼前缘及控制面等受热更为严重的部位，则需要使用耐高温性能更好的材料，如碳 - 碳复合材料等，并设计合理的热防护结构，如热防护涂层、冷却通道等，确保这些关键部位在高温环境下能够正常工作，保证火箭的结构完整性和飞行性能。

### 四、导航、制导与控制

导航、制导与控制技术是确保可重复使用运载火箭精确飞行和安全回收的关键。在导航方面，需要综合运用多种导航技术，如卫星导航、惯性导航、天文导航等，以实现火箭在不同飞行阶段的精确位置和速度测量。例如，在火箭发射初期，当卫星导航信号可能受到干扰时，惯性导航系统能够独立提供准确的姿态和速度信息；在飞行过程中，卫星导航系统则可对火箭的位置进行精确修正，提高导航精度。制导系统根据飞行任务和目标轨道要求，制定火箭的飞行轨迹，并在飞行过程中引导火箭沿着预定轨迹飞行。在上升段，要确保火箭准确地进入预定轨道；在回收段，对于垂直回收的火箭，需要精确控制其下降轨迹和速度，使其能够平稳地降落在预定着陆点。控制技术则负责根据导航和制导信息，对火箭的姿态和推力进行实时控制。例如，通过调整发动机推力矢量、控制气动舵面等方式，纠正火箭的飞行偏差，保持稳定的飞行姿态，在回收着陆阶段，实现精确的姿态调整和软着陆控制，确保火箭安全回收。

### 五、健康管理

健康管理技术对于可重复使用运载火箭的可靠性和安全性至关重要。它通过对火箭各个系统和部件的实时监测、诊断和预测，及时发现潜在的故障隐患，并采取相应的措施进行预防或修复。在传感器技术方面，需要在火箭上安装大量的各类传感器，如温度传感器、压力传感器、振动传感器、应变传感器等，对发动机、结构、电气系统等关键部位进行全面监测。例如，发动机的温度传感器可以实时监测燃烧室内的温度变化，一旦发现温度异常升高，可能预示着发动机存在燃烧不稳定或冷却系统故障等问题。数据处理与诊断算法则对传感器采集到的海量数据进行分析和处理，利用故障诊断模型和人工智能算法，识别出数据中的异常模式和故障特征。例如，通过对发动机振动数据的分析，判断发动机是否存在部件松动或不平衡等问题。基于健康管理系统的预测功能，还可以根据火箭的当前状态和历史数据，预测部件的剩余寿命和可能出现的故障时间，提前安排维护和更换计划，提高火箭的可用性和可靠性，降低运营成本。

## 第三节 国外重点国家及地区可重复使用运载火箭发展概况

### 一、美国

美国在可重复使用运载火箭领域处于世界领先地位。Space X 公司的“猎鹰 9 号”和“猎鹰重型”火箭已经实现了多次成功发射和回收，其技术成熟度和商业运营模式都取得了巨大突破。“猎鹰 9 号”的一级火箭通过精确的导航、制导与控制技术，能够在海上或陆地平台实现垂直软着陆回收，复用次数不断增加，发射成本显著降低。此外，Space X 还在研发更大型的“超重 - 星舰”运输系统，旨在实现完全可重复使用，不仅可以将大量货物和人员送往地球轨道，还计划用于月球和火星等深空探测任务。“超重 - 星舰”采用了一系列先进技术，如“猛禽”液氧/甲烷液体火箭发动机，具有高推力、可深度调节推力等特点；独特的超重助推器回收“筷子夹”技术，用于在回收过程中稳定抓取助推器；以及先进的热防护技术，以应对高速飞行和再入大气层时的高温环境。

除了 SpaceX，美国其他公司和机构也在积极推进可重复使用运载火箭项目。例如，Blue Origin 公司的“新谢泼德”亚轨道飞行器已经多次进行亚轨道太空旅游飞行试验，为太空旅游市场积累了经验。“新格伦”大型运载火箭也在研发中，预计将具备可重复使用能力，进一步拓展美国在商业航天和深空探测领域的竞争力。美国政府机构如 NASA 也在可重复使用运载火箭技术研发方面发挥着重要作用，通过与企业合作或自主研发项目，推动航天技术的创新与发展，如为未来的月球基地建设和火星探测任务提供先进的运载工具。

### 二、俄罗斯

俄罗斯在航天领域具有深厚的技术底蕴，在可重复使用运载火箭方面也有自己的发展规划。俄罗斯的“阿穆尔”垂直起降重复使用火箭项目旨在开发一种能够垂直起飞、垂直降落的运载火箭。该火箭将采用液氧/煤油发动机，具备一定的可重复使用能力，预计可用于发射小型卫星和执行近地轨道任务。俄罗斯还提出了“叶尼塞”（Yenisei）重型运载火箭计划，该火箭在设计上考虑了部分可重复使用技术，如可回收的助推器模块。虽然俄罗斯在可重复使用运载火箭的研发进度上相对美国可能稍慢，但凭借其在火箭发动机技术、航天材料等方面的传统优势，有望在未来取得重要突破，为俄罗斯的航天事业注入新的活力，保持其在国际航天领域的竞争力，尤其是在卫星发射服务和深空探测等领域的参与度。

### 三、欧洲

欧洲的航天机构和企业也在积极探索可重复使用运载火箭技术。欧洲航天局（ESA）提出了“下一代阿里安”与“玛雅”可重复使用运载火箭计划。“下一代阿里安”火箭预计将采用部分可重复使用技术，如可回收的助推器或芯级，以降低发射成本。在技术研发方面，欧洲注重国际合作，整合各成员国的技术资源和科研力量，在火箭发动机、热防护材料、导航制导与控制等关键技术领域开展联合研究。例如，在发动机技术上，欧洲一些企业和研究机构致力于研发高性能的液氧/氢火箭发动机或液氧/煤油火箭发动机，以满足可重复使用火箭的需求。在热防护材料方面，研究新型的隔热材料和热防护结构，提高火箭在再入大气层时的热防护性能。虽然欧洲在可重复使用运载火箭的发展道路上面临一些挑战，如决策过程相对复杂、资金投入分散等，但通过国际合作和技术创新，仍有望在未来实现技术突破，提高欧洲在全球商业航天市场的份额，增强欧洲航天产业的自主性和竞争力。

### 四、日本

日本在航天技术领域也有一定的实力，在可重复使用运载火箭方面进行了积极尝试。日本的一些航天企业和研究机构开展了相关研究项目，如小型可重复使用运载火箭的研发。这些火箭主要针对小型卫星发射市场，采用了一些先进技术，如新型的火箭发动机设计、轻量化结构材料等。在发动机方面，日本研究液氧/煤油或液氧/液氢发动机的小型化和高效化，以适应小型火箭的需求。在结构材料上，利用其在材料科学领域的优势，开发轻质高强度的复合材料用于箭体结构，提高火箭的运载效率和可复用性。虽然日本的可重复使用运载火箭项目规模相对较小，但通过持续的技术研发和创新，有望在小型卫星发射领域占据一席之地，为日本的航天商业应用和科学研究提供支持，同时也有助于提升日本在国际航天技术交流与合作中的地位。

### 五、印度

印度在航天领域近年来发展迅速，也在关注可重复使用运载火箭技术。印度空间研究组织（ISRO）提出了一些可重复使用运载火箭的概念和研究计划。例如，印度计划开发一种类似于美国“猎鹰 9 号”的可重复使用火箭，采用垂直回收技术，以降低发射成本，提高其在国际卫星发射市场的竞争力。印度在火箭技术方面已经有了一定的基础，如成功发射了多种型号的运载火箭，具备了一定的液体火箭发动机研发和制造能力。在可重复使用运载火箭的研发过程中，印度将面临一些技术挑战，如导航制导与控制技术的精度提升、热防护材料的性能优化等。但通过加大技术研发投入、加强国际合作等方式，印度有望逐步推进可重复使用运载火箭的发展，为其航天事业的进一步发展提供新的动力，在亚洲及全球航天市场中发挥更大的作用。

## 第四节 国外可重复使用运载火箭技术发展趋势

国外可重复使用运载火箭技术将朝着更高的可靠性、更低的成本、更强的适应性和智能化方向发展。在可靠性方面，随着火箭复用次数的增加，对各系统和部件的可靠性要求将进一步提高。通过改进设计、采用更先进的制造工艺和质量控制手段，降低部件故障概率，确保火箭在多次重复使用过程中的安全性和稳定性。例如，发动机的关键部件将采用更高强度、更耐高温疲劳的材料，并进行更严格的可靠性测试。在成本降低方面，除了继续优化火箭的设计和制造流程，降低原材料成本和运营成本外，还将探索新的商业模式和技术手段。例如，通过大规模生产降低单位成本，开发更高效的回收技术减少回收过程中的损耗和维护费用，以及利用大数据和人工智能优化火箭的任务规划和资源配置，进一步提高成本效益。

在适应性方面，未来的可重复使用运载火箭将能够适应更多样化的任务需求。不仅可以用于发射各种类型的卫星，包括低轨道、中轨道、高轨道卫星，还将能够执行深空探测任务、载人航天任务以及太空旅游等新兴业务。为此，火箭的构型设计、推进系统和有效载荷搭载能力都将更加灵活和可扩展。例如，通过模块化设计，方便根据不同任务需求快速更换或组合火箭的部件和模块。在智能化方向，可重复使用运载火箭将集成更多的人工智能和自动化技术。在火箭的设计阶段，利用人工智能算法进行优化设计，提高设计效率和质量；在飞行过程中，实现自主导航、制导与控制，能够根据飞行环境和任务要求自动调整飞行参数和策略；在健康管理方面，通过人工智能的深度学习和数据分析能力，更精准地预测故障、诊断问题并提出解决方案，提高火箭的智能化运维水平，降低人工干预和运营风险。

# 第二章 国外可重复使用运载火箭动力技术发展研究

## 第一节 国外可重复使用运载火箭动力基本方案

### 一、液氧/煤油火箭发动机

液氧/煤油火箭发动机以液态氧为氧化剂，煤油为燃料，具有较高的比冲和推力。这种发动机组合在可重复使用运载火箭中应用广泛，例如俄罗斯的“联盟”系列火箭部分型号就采用了液氧/煤油发动机，其技术相对成熟。液氧/煤油发动机的优点在于煤油的成本相对较低且易于储存和处理，在地面操作和运输过程中较为方便。同时，该发动机能够产生较大的推力，适合用于火箭的起飞和加速阶段，为火箭提供强大的动力支持，使其能够快速克服地球引力，进入预定轨道。然而，液氧/煤油发动机也面临一些挑战，如燃烧过程中会产生积碳等污染物，可能会影响发动机的性能和可靠性，需要定期进行清理和维护。并且在高室压和重复使用条件下，发动机的一些部件如涡轮泵、喷管等面临着较高的热负荷和机械负荷，对部件的材料和结构设计要求较高。

### 二、液氧/甲烷火箭发动机

液氧/甲烷火箭发动机近年来备受关注并在一些新型可重复使用运载火箭中得到应用，如美国 SpaceX 公司的“猛禽”发动机。甲烷作为燃料具有一些独特的优势，它的结焦温度相对较高，燃烧过程中产生的积碳较少，这有利于发动机的重复使用和维护，减少了因积碳清理和部件更换带来的成本和时间消耗。此外，甲烷在地球上储量丰富，并且可以通过一些可再生能源方法如利用天然气或生物质合成，从长远来看，具有较好的资源可持续性。在性能方面，液氧/甲烷发动机能够实现较高的比冲，在火箭的上升段和轨道维持阶段都能表现出良好的性能。其缺点是甲烷的密度相对较低，需要更大的燃料储存体积，这对火箭的结构设计和布局提出了一定的挑战，需要在火箭整体设计时综合考虑燃料储存罐的大小、形状和位置，以确保火箭的性能和可靠性不受影响。

### 三、液氧/液氢火箭发动机

液氧/液氢火箭发动机以液态氢为燃料，具有极高的比冲，是目前所有化学火箭发动机中比冲最高的类型之一。这种发动机在一些大型运载火箭和对性能要求极高的任务中得到应用，如美国 NASA 的“航天飞机”主发动机就采用了液氧/液氢发动机组合。液氢的燃烧产物主要是水，对环境无污染，符合现代航天对环保的要求。在深空探测任务中，由于需要长时间的轨道飞行和高能量的机动，液氧/液氢发动机的高比冲优势能够显著减少燃料携带量，提高火箭的有效载荷能力，为探测器携带更多的科学仪器和物资提供可能。然而，液氢的沸点极低，需要极低的温度进行储存和处理，这对燃料储存和输送系统的隔热、绝热性能要求极高，增加了火箭系统的复杂性和成本。同时，液氢的密度非常小，储存相同质量的燃料需要更大的体积，这也给火箭的结构设计带来了较大的挑战，需要精心设计燃料罐和整个火箭的布局，以确保火箭的稳定性和安全性。

## 第二节 国外可重复使用运载火箭发动机关键技术研究

### 一、高温组件热结构抗疲劳及延寿技术

在可重复使用运载火箭发动机中，高温组件如燃烧室、喷管等面临着极为苛刻的热环境和机械应力环境。在火箭发动机工作过程中，燃烧室内部的燃气温度可高达数千摄氏度，高温燃气对燃烧室壁面产生强烈的热辐射和对流换热，使壁面温度急剧升高。同时，发动机工作时的高压燃气产生的压力波动以及火箭飞行过程中的振动等机械载荷，会使高温组件承受复杂的应力状态。例如，喷管在高温高速燃气的冲刷下，不仅要承受高温热应力，还要承受因燃气流动产生的气动载荷和发动机振动引起的机械应力。为了提高这些高温组件的抗疲劳性能和延长其使用寿命，需要研发先进的热结构材料和设计优化技术。采用新型的高温合金材料、陶瓷基复合材料或碳 - 碳复合材料等，这些材料具有较高的熔点、良好的高温强度和抗氧化性能。在结构设计方面，通过优化高温组件的壁厚、形状和冷却通道设计，使热量能够更均匀地分布和有效散失，减少局部热应力集中，提高组件在反复热循环和机械载荷作用下的耐久性，确保发动机在多次重复使用过程中高温组件的可靠性。

### 二、运动组件摩擦磨损关键技术

火箭发动机中的运动组件，如涡轮泵中的涡轮叶片、轴颈、轴承等，在高速旋转过程中会产生严重的摩擦磨损问题。涡轮泵是发动机的关键部件，负责将燃料和氧化剂以高压输送到燃烧室。在高转速下，涡轮叶片与周围流体介质之间、轴颈与轴承之间存在强烈的摩擦作用。例如，涡轮叶片在高速旋转时，其表面与高温燃气和液态燃料或氧化剂的高速流动产生摩擦，容易导致叶片表面磨损、腐蚀和疲劳裂纹的产生。轴颈与轴承之间的摩擦则会引起磨损、发热甚至咬死等故障，影响发动机的正常运行。为了解决这些问题，需要研究高性能的润滑材料和先进的润滑技术。开发特殊的高温润滑油、润滑脂或采用自润滑材料，如含固体润滑剂的复合材料，能够在高温、高压和高速的恶劣工况下提供良好的润滑效果，减少摩擦系数，降低磨损速率。同时，优化运动组件的表面处理技术，如采用离子注入、涂层等方法，提高表面硬度、耐磨性和抗腐蚀性能，延长运动组件的使用寿命，确保发动机在多次重复使用过程中的可靠性和性能稳定性。

### 三、深度推力调节技术

可重复使用运载火箭在不同的飞行阶段和任务需求下，需要发动机具备深度推力调节能力。在火箭起飞阶段，需要发动机提供较大的推力以克服地球引力，实现快速起飞；在上升段后期和轨道转移阶段，随着火箭速度的增加和任务要求的变化，需要发动机能够降低推力，以精确控制火箭的飞行轨迹和速度；在回收阶段，发动机又需要根据着陆要求提供合适的推力来实现软着陆。例如，美国 SpaceX 公司的“猛禽”发动机就具备宽范围的推力调节能力，能够在不同飞行阶段灵活调整推力大小。实现深度推力调节技术面临诸多挑战，需要精确控制发动机的燃料流量、氧化剂流量以及燃烧过程。通过采用先进的流量调节装置，如高精度的电磁阀、调节阀等，能够快速、准确地控制燃料和氧化剂的供给量。同时，优化发动机的控制系统，利用先进的传感器技术实时监测发动机的工作状态和飞行参数，根据反馈信息通过控制算法精确调整推力大小，实现发动机在不同工况下的稳定、可靠的深度推力调节，满足可重复使用运载火箭在整个飞行生命周期中的各种任务需求。

### 四、健康监控技术

健康监控技术对于可重复使用运载火箭发动机的可靠性和安全性至关重要。发动机在运行过程中，各个部件的工作状态会不断变化，任何一个部件出现故障都可能导致发动机性能下降甚至失效，危及火箭的飞行安全。健康监控系统通过在发动机的关键部位安装大量的传感器，如温度传感器、压力传感器、振动传感器、应变传感器等，实时采集发动机的运行数据。例如，温度传感器可以监测燃烧室壁面、涡轮叶片等部位的温度变化，压力传感器可以测量燃烧室、涡轮泵进出口等位置的压力值，振动传感器能够检测发动机整体的振动情况，应变传感器则可用于测量关键部件的应变状态。采集到的数据被传输到数据处理单元，利用先进的数据分析算法和故障诊断模型，对发动机的健康状况进行实时评估。通过对比正常工作状态下的数据特征和当前采集的数据，及时发现异常情况，如局部温度过高可能预示着燃烧不稳定或冷却系统故障，异常振动可能暗示着部件松动或不平衡等问题。一旦检测到故障隐患，系统能够及时发出警报，并提供故障定位和可能的故障原因分析，为发动机的维护和修复提供依据，确保发动机在每次飞行任务前都处于良好的工作状态，提高可重复使用运载火箭的安全性和可靠性。

### 五、新材料与制造技术

随着可重复使用运载火箭发动机性能要求的不断提高，新材料与制造技术的研发成为关键。在材料方面，除了上述提到的高温合金、陶瓷基复合材料、碳 - 碳复合材料等用于高温组件和运动组件的材料外，还在不断探索新型的金属间化合物材料、智能材料等。金属间化合物材料具有独特的物理和化学性质，如高强度、高温抗氧化性和低密度等优点，有望在发动机的一些特定部件中得到应用，提高部件的性能和减轻质量。智能材料如形状记忆合金、压电材料等，可以根据发动机的工作环境和应力状态自动调整自身的性能，例如形状记忆合金可以在温度变化时恢复到原来的形状，可用于制造一些具有自修复功能的部件或传感器。在制造技术方面，采用先进的增材制造技术（3D 打印）可以实现发动机部件的复杂结构制造，提高材料利用率和制造精度。例如，通过 3D 打印可以制造出具有内部冷却通道的复杂形状的燃烧室或喷管部件，优化部件的热结构设计，提高发动机的性能和可靠性。同时，高精度的机械加工技术、特种焊接技术等也在不断发展，以满足发动机部件对尺寸精度、连接强度和密封性等方面的严格要求，为可重复使用运载火箭发动机的高性能、高可靠性和长寿命提供技术保障。

## 第三节 国外可重复使用运载火箭发动机技术发展趋势

国外可重复使用运载火箭发动机技术将朝着更高性能、更高可靠性、更长寿命和更低成本的方向发展。在性能提升方面，将继续优化发动机的设计和材料，提高比冲、推力和推力调节范围。通过研发新型的燃烧技术，如高效的预混燃烧、分级燃烧等，提高燃烧效率，增加发动机的比冲。同时，改进发动机的喷管设计，采用先进的扩张段形状和冷却技术，提高喷管的效率，进一步提升发动机的整体性能。在可靠性方面，加强对发动机关键部件的可靠性设计和测试，采用冗余设计、故障诊断与容错技术等，降低部件故障概率，确保发动机在多次重复使用过程中的稳定运行。例如，对涡轮泵等关键部件采用冗余设计，当一个部件出现故障时，备份部件能够立即接替工作，保证发动机的正常运行。

在寿命延长方面，深入研究高温组件的抗疲劳和抗磨损技术，提高材料的耐久性和部件的维修性。通过开发更先进的热防护涂层、优化冷却系统和改进部件的结构设计，减少高温、高压和机械振动对部件的损伤，延长发动机的使用寿命。例如，研发新型的陶瓷基复合材料热防护涂层，提高燃烧室壁面的抗热冲击和抗氧化能力，延长其在高温环境下的使用寿命。在成本降低方面，一方面通过大规模生产和技术成熟化降低发动机的制造成本；另一方面，通过提高发动机的可维护性和重复使用性，减少运营成本。例如，采用标准化的部件设计和制造工艺，便于大规模生产和维修更换；开发更高效的发动机检测和维护技术，缩短维护时间和降低维护成本，使可重复使用运载火箭发动机在商业航天市场中更具竞争力，推动航天产业的快速发展。

# 第三章 国外可重复使用运载火箭导航、制导与控制技术发展研究

## 第一节 国外垂直回收可重复使用运载火箭制导技术研究

### 一、回收修航段制导技术

在回收修航段，可重复使用运载火箭需要精确调整自身姿态与轨道，以确保后续回收过程的顺利进行。此阶段，火箭通常利用惯性导航系统与卫星导航系统相结合的方式获取自身位置、速度等关键信息。例如，惯性导航系统凭借其自主性强的特点，在卫星信号可能受干扰或遮挡的情况下，依然能够持续提供较为准确的姿态和速度数据。而卫星导航系统，如 GPS、GLONASS 等，则可对火箭位置进行高精度的修正与补充。基于这些信息，制导系统会规划出一条最优的修正航线，通过控制发动机推力矢量和气动舵面，逐步将火箭引导至预定的回收走廊。这一过程需要精确计算修正量，以平衡火箭剩余燃料、气动阻力以及目标轨道要求等多方面因素。例如，若修正量过大，可能导致燃料过度消耗，影响后续回收动作；若修正量过小，则可能无法使火箭准确进入回收走廊，增加回收失败的风险。

### 二、气动减速段制导技术

当火箭进入气动减速段，空气动力学效应开始显著影响火箭的飞行状态。此时，制导技术的重点在于利用火箭的气动外形和可操控部件，如栅格舵等，在空气阻力的作用下实现减速与姿态稳定。制导系统需要根据实时的飞行环境参数，包括大气密度、风速、风向等，精确计算并控制火箭的攻角、侧滑角等姿态角。通过调整这些姿态角，使火箭在气动阻力的作用下，既能实现有效的减速，又能保持稳定的飞行姿态，避免因气动不稳定而导致翻滚或失控等情况。例如，在高超声速飞行条件下，气动加热严重，火箭周围的气流特性复杂多变，制导系统必须快速准确地应对这些变化，确保火箭沿着预定的减速轨迹飞行。这需要先进的传感器技术来实时监测气动参数，以及高效的控制算法来处理这些数据并生成精确的控制指令，以实现火箭在气动减速段的安全、稳定减速。

### 三、回收着陆段制导技术

回收着陆段是垂直回收可重复使用运载火箭的关键环节，制导技术直接决定了火箭能否精确、平稳地降落在预定着陆点。在这一阶段，火箭通常依靠多种传感器，如激光雷达、视觉相机、微波雷达等，对自身与着陆点之间的相对位置、速度和姿态进行精确测量。例如，激光雷达可以提供高精度的距离信息，视觉相机能够获取着陆场的图像特征，用于识别地标和判断相对位置，微波雷达则在恶劣天气条件下仍能保持较好的探测性能。基于这些传感器数据，制导系统采用先进的轨迹规划算法，如基于模型预测控制的方法，综合考虑火箭的剩余推力、质量、气动阻力以及着陆点的地形等因素，生成一条从当前位置到着陆点的最优着陆轨迹。在着陆过程中，通过精确控制发动机的推力大小和方向，以及利用着陆腿的缓冲机构，实现火箭的软着陆。例如，当火箭接近着陆点时，制导系统会根据实时测量的高度和速度信息，精确调整发动机推力，使火箭的下降速度逐渐减小，直至平稳接触地面，确保火箭和有效载荷的安全，并为火箭的重复使用做好准备。

## 第二节 国外垂直回收可重复使用运载火箭回收姿态控制技术研究

在回收姿态控制方面，国外可重复使用运载火箭采用了多种先进技术。首先，利用高精度的姿态传感器，如光纤陀螺、星敏感器等，实时精确测量火箭的姿态角和姿态角速度。这些传感器具有高灵敏度、低噪声和高可靠性等特点，能够在复杂的飞行环境下准确获取火箭的姿态信息。基于这些测量数据，姿态控制系统采用先进的控制算法，如反馈线性化控制、自适应控制等，对火箭的姿态进行精确控制。例如，反馈线性化控制可以将非线性的姿态动力学模型转化为线性模型，从而便于设计稳定的控制器，实现对姿态的精确控制。自适应控制则能够根据火箭的飞行状态和环境变化，自动调整控制参数，提高姿态控制系统的适应性和鲁棒性。

在控制执行机构方面，火箭通常配备了多种类型的执行器，如推力矢量发动机、气动舵面和反作用轮等。推力矢量发动机通过改变发动机喷管的方向，产生控制力矩，实现对火箭姿态的快速调整。气动舵面则利用空气动力学原理，在火箭飞行过程中通过改变舵面的角度，产生气动控制力矩，对火箭姿态进行微调。反作用轮通过自身的高速旋转或反转，产生反作用力矩，用于精确控制火箭的姿态角和姿态角速度。在回收过程中，姿态控制系统根据不同飞行阶段的需求，合理协调这些执行机构的工作，实现对火箭姿态的高效、稳定控制。例如，在高空稀薄大气环境下，主要依靠推力矢量发动机和反作用轮进行姿态控制；而在低空稠密大气环境下，则充分利用气动舵面和推力矢量发动机的协同作用，确保火箭在回收过程中始终保持稳定的姿态，为安全着陆奠定基础。

## 第三节 国外导航制导与控制技术其他难点及关键技术研究

### 一、全任务自适应轨迹规划

全任务自适应轨迹规划是国外可重复使用运载火箭导航制导与控制领域的重要研究方向。由于可重复使用运载火箭在不同的飞行任务、发射条件和回收要求下，需要灵活调整飞行轨迹，因此全任务自适应轨迹规划技术应运而生。该技术基于先进的优化算法和人工智能方法，如遗传算法、粒子群优化算法以及深度学习算法等，能够根据火箭的初始状态、目标轨道、任务约束（如有效载荷要求、发射窗口限制、回收场地条件等）以及飞行过程中的实时环境变化（如大气扰动、发动机故障等），快速生成最优的飞行轨迹。例如，在面对发动机突发故障时，轨迹规划系统能够迅速重新评估火箭的剩余能力，结合当前的飞行位置和速度，在满足安全回收要求的前提下，规划出一条新的轨迹，使火箭能够利用剩余动力和气动特性，尽可能地接近预定目标或安全着陆点。这种全任务自适应轨迹规划技术提高了可重复使用运载火箭在复杂多变任务环境下的适应性和可靠性，为其成功执行各种航天任务提供了有力保障。

### 二、高精度抗扰着陆控制

高精度抗扰着陆控制是确保可重复使用运载火箭安全、精确着陆的关键技术之一。在着陆过程中，火箭会受到多种外部干扰因素的影响，如大气湍流、地面风、地形起伏等。为了克服这些干扰，实现高精度的着陆控制，国外采用了一系列先进技术。在传感器层面，通过多传感器融合技术，将激光雷达、视觉相机、微波雷达等多种传感器的数据进行融合处理，提高对火箭位置、速度和姿态的测量精度，增强对外部干扰的感知能力。例如，当激光雷达受到大气尘埃或雾气影响时，视觉相机或微波雷达的数据可以进行补充和修正，确保系统能够准确获取火箭与着陆点的相对关系。在控制算法方面，采用鲁棒控制、滑模控制等先进的控制方法，这些方法具有较强的抗干扰能力和稳定性。例如，滑模控制通过设计滑模面，使系统在受到干扰时能够快速切换控制策略，保持在滑模面上稳定运行，从而实现对火箭着陆姿态和速度的精确控制，确保火箭在各种干扰条件下都能平稳、精确地降落在预定着陆点，为可重复使用运载火箭的重复使用和后续任务的顺利开展奠定基础。

### 三、智能一体化协作设计

智能一体化协作设计理念在国外可重复使用运载火箭导航制导与控制技术发展中逐渐得到重视。该理念旨在打破传统的各子系统独立设计模式，将导航、制导与控制等多个子系统进行深度集成和协同优化。通过采用人工智能技术和系统工程方法，实现各子系统之间的信息共享、资源优化配置和功能协同互补。例如，在导航系统获取火箭位置和速度信息后，制导系统能够实时利用这些信息进行轨迹规划，而控制系统则根据轨迹规划结果和当前火箭的姿态信息，直接生成精确的控制指令，减少了信息传递和处理的延迟，提高了系统的整体响应速度和控制精度。同时，智能一体化协作设计还考虑了火箭在不同飞行阶段和任务场景下的需求变化，能够自动调整各子系统的工作模式和参数设置，实现全任务周期的高效运行。这种智能一体化协作设计模式有助于提高可重复使用运载火箭的整体性能和可靠性，降低系统复杂度和成本，是未来可重复使用运载火箭导航制导与控制技术发展的重要趋势。

# 第四章 国外可重复使用运载火箭结构与热防护技术发展研究

## 第一节 国外可重复使用热防护材料发展研究

### 一、机身大面积部位热防护材料

对于可重复使用运载火箭机身大面积部位，常用的热防护材料包括隔热陶瓷瓦和隔热毡等。隔热陶瓷瓦具有低密度、高熔点和良好的隔热性能等特点。例如，美国航天飞机机身大面积部位采用的高温可重复使用表面隔热陶瓷瓦（HRSI），由二氧化硅纤维制成，表面涂有硼硅酸盐玻璃涂层。这种陶瓷瓦能够承受高温气流的冲刷，有效地阻挡热量向机身内部结构传递，在航天飞机再入大气层时，可将机身表面温度高达 1200°C 以上的热量大幅降低，确保机身内部设备和结构处于安全温度范围内。隔热毡则相对更为柔软和轻便，如美国航天飞机上使用的低温可重复使用表面隔热毡（LRSI），它由石英纤维等材料制成，适用于机身温度相对较低的部位，在保证一定隔热效果的同时，减轻了火箭的整体质量，提高了运载效率，并且在多次重复使用过程中表现出较好的耐久性和可靠性。

### 二、头锥、翼前缘及控制面热防护材料

头锥、翼前缘及控制面等部位在可重复使用运载火箭飞行过程中受热更为严重，通常采用耐高温性能卓越的碳 - 碳复合材料。碳 - 碳复合材料是以碳纤维为增强体，以碳为基体的复合材料。它具有极高的熔点（超过 3000°C）、高强度、低密度以及良好的抗热震性能。例如，在火箭高速再入大气层时，头锥部位面临着最为强烈的气动加热，碳 - 碳复合材料能够承受高达数千摄氏度的高温而不熔化，保持结构的完整性，确保火箭的飞行稳定性和安全性。翼前缘及控制面采用碳 - 碳复合材料，不仅可以有效抵御高温，还能在高温环境下保持良好的力学性能，保证对火箭姿态的精确控制。此外，为了进一步提高碳 - 碳复合材料的抗氧化性能和使用寿命，往往还会在其表面涂覆抗氧化涂层，如硅基或硼基抗氧化涂层，以减少在高温有氧环境下材料的氧化损耗，延长其在可重复使用过程中的有效工作时间。

### 三、控制面材料

可重复使用运载火箭的控制面除了采用碳 - 碳复合材料以满足高温要求外，还需要考虑其在不同飞行条件下的力学性能和操控性。一些新型的金属基复合材料也被应用于控制面设计。例如，以钛合金为基体，添加碳化硅等陶瓷颗粒增强的金属基复合材料，具有较高的强度、刚度和良好的耐高温性能，同时在室温至高温范围内能够保持较为稳定的力学性能，有利于火箭在不同飞行阶段，尤其是在高速飞行和机动过程中，实现精确的姿态控制。这种金属基复合材料的密度相对较低，与传统金属材料相比，减轻了控制面的质量，降低了火箭的整体惯性，提高了火箭的响应速度和机动性，在可重复使用运载火箭的结构设计中具有重要的应用价值，有助于提升火箭的飞行性能和可重复使用性。

## 第二节 国外可重复使用运载火箭回收方式

### 一、伞降回收

伞降回收是一种较为传统且相对简单的可重复使用运载火箭回收方式。在火箭完成任务后，通过打开降落伞来降低下降速度，实现软着陆回收。这种回收方式的优点在于技术相对成熟，降落伞系统的可靠性较高，并且成本相对较低。例如，一些小型可重复使用运载火箭或火箭的子级部分采用伞降回收方式。在回收过程中，当火箭达到预定的回收高度和速度时，先启动降落伞的展开程序，降落伞逐渐张开，利用空气阻力使火箭减速。然而，伞降回收也存在一些局限性。降落伞的展开和控制精度相对较低，受大气环境影响较大，如风向、风速等因素会导致火箭着陆点的不确定性较大，这对于需要精确回收的火箭来说可能会带来不便。此外，降落伞系统本身的质量和体积也会占用一定的火箭有效载荷空间，在一定程度上影响火箭的运载能力。

### 二、有翼水平回收

有翼水平回收方式类似于飞机的着陆方式，火箭配备有机翼等升力部件，在返回地球时利用机翼产生升力，实现水平滑翔飞行并最终着陆。这种回收方式的优势在于着陆精度较高，火箭可以像飞机一样在跑道上平稳降落，便于回收后的维护和再次使用。例如，美国的航天飞机采用了有翼水平回收方式，它在再入大气层后，通过机翼的升力控制飞行姿态和轨迹，能够较为精确地降落在预定的跑道上。同时，有翼水平回收方式在再入大气层过程中，由于机翼的存在，可以对气动加热进行一定程度的分散和缓解，降低热防护的难度。但是，有翼水平回收方式也面临诸多挑战。火箭需要配备复杂的机翼结构和飞行控制系统，这增加了火箭的设计和制造难度以及质量。而且，有翼水平回收对火箭的飞行速度、高度和姿态控制要求非常严格，在整个回收过程中需要精确的导航、制导与控制技术保障，一旦出现故障或偏差，可能导致着陆失败甚至坠毁事故。

### 三、垂直回收

垂直回收是目前一些新型可重复使用运载火箭广泛采用的回收方式，如美国 SpaceX 公司的“猎鹰 9 号”火箭。在垂直回收过程中，火箭在完成任务后，通过发动机点火产生反向推力，精确控制火箭的下降速度和姿态，使其垂直降落在预定的着陆平台或地面上。这种回收方式的最大优点是着陆精度高，可以实现定点回收，便于对火箭进行快速检测、维护和再次发射。例如，“猎鹰 9 号”的一级火箭能够在海上或陆地的狭小着陆平台上成功垂直降落，其着陆误差通常在数米范围内。同时，垂直回收方式对火箭的结构设计和发动机性能要求较高，需要火箭具备强大的推力调节能力和精确的姿态控制能力。在回收过程中，火箭发动机要根据实时的高度、速度和姿态信息，精确调整推力大小和方向，确保火箭平稳下降。此外，垂直回收方式还需要解决发动机多次点火、热防护以及着陆腿设计等一系列技术难题，但随着技术的不断发展，垂直回收方式在可重复使用运载火箭领域展现出了巨大的潜力和优势。

### 四、旋翼回收

旋翼回收方式是一种较为新颖的可重复使用运载火箭回收概念。这种回收方式类似于直升机，在火箭的尾部或其他部位安装旋翼装置，当火箭返回时，启动旋翼，利用旋翼产生的升力来控制火箭的下降速度和姿态，实现软着陆回收。旋翼回收的优点在于其具有较好的机动性和垂直起降能力，能够在较为狭小的空间内实现回收，并且对地形的适应性较强。例如，在一些不具备大型着陆平台或跑道的地区，旋翼回收方式可以使火箭灵活地选择着陆地点。然而，旋翼回收方式也面临着诸多技术挑战。首先，旋翼系统的设计和制造需要考虑火箭的高速飞行环境和气动特性，确保旋翼在高速气流下能够正常工作。其次，旋翼回收需要额外的动力源来驱动旋翼旋转，这增加了火箭的结构复杂性和质量。此外，旋翼回收方式的可靠性和安全性还需要进一步验证和提高，在实际应用前还需要进行大量的试验和技术研发工作。

### 五、几种回收方式对比分析

伞降回收方式虽然成本低、可靠性较高，但着陆精度差、受环境影响大且占用有效载荷空间；有翼水平回收方式着陆精度高、能缓解热防护压力，但设计制造复杂、对飞行控制要求高；垂直回收方式着陆精度极高、便于快速复用，但对发动机和姿态控制能力要求苛刻；旋翼回收方式机动性好、对地形适应强，但技术尚不成熟、结构复杂且需额外动力。不同的回收方式适用于不同类型、不同任务需求的可重复使用运载火箭，在实际应用中需要综合考虑火箭的规模、用途、成本、技术可行性等多方面因素，选择最适合的回收方式，以实现可重复使用运载火箭的高效、安全回收和重复使用。

## 第三节 国外可重复使用运载火箭栅格舵设计与制造工艺

### 一、栅格舵的设计与选型

栅格舵是可重复使用运载火箭在回收过程中用于姿态控制和气动减速的重要部件。在设计方面，栅格舵的外形尺寸、栅格结构参数以及材料选择等都需要精心考虑。栅格舵的外形尺寸要根据火箭的整体尺寸、飞行性能要求以及回收过程中的气动特性来确定。例如，较大尺寸的栅格舵能够产生更大的气动控制力矩，但同时也会增加空气阻力和质量，因此需要在控制效果和其他性能之间进行权衡。栅格结构参数包括栅格的间距、厚度、高度等，这些参数会影响栅格舵的强度、刚度、气动效率以及热防护性能。例如，较小的栅格间距可以提高栅格舵的强度和刚度，但可能会增加气动阻力；而较大的栅格间距则有利于降低空气阻力，但可能会影响舵面的稳定性。在材料选择上，通常采用耐高温、高强度的金属材料或复合材料，如钛合金、碳纤维增强复合材料等。钛合金具有良好的耐高温性能、高强度和较好的加工性能，适用于承受高温和高应力的栅格舵结构；碳纤维增强复合材料则具有低密度、高比强度和良好的热稳定性等特点，能够在减轻栅格舵质量的同时，满足其在高温环境下的性能要求。根据不同的火箭型号和任务需求，通过综合考虑上述因素，选择最合适的栅格舵设计方案和材料选型，以确保栅格舵在回收过程中能够有效地控制火箭的姿态和速度。

### 二、栅格舵的制造工艺技术

国外在可重复使用运载火箭栅格舵的制造工艺上采用了多种先进技术。其中，精密机械加工技术是制造栅格舵的基础工艺之一。对于金属栅格舵，如钛合金栅格舵，采用高精度的数控加工设备，能够精确地加工出栅格的形状、尺寸和表面质量要求。在加工过程中，需要严格控制切削参数，如切削速度、进给量和切削深度等，以确保栅格舵的加工精度和表面完整性。例如，采用高速切削技术可以提高加工效率和表面质量，但同时也需要考虑刀具的磨损和切削热对材料性能的影响。对于复合材料栅格舵，采用先进的复合材料成型工艺，如热压罐成型工艺、树脂传递模塑工艺（RTM）等。热压罐成型工艺能够在高温、高压环境下使复合材料充分固化，提高材料的强度和质量稳定性；RTM 工艺则可以精确控制树脂的含量和分布，制造出复杂形状的栅格舵结构，并且具有较高的生产效率。此外，在栅格舵制造过程中，还需要采用先进的检测技术，如无损检测技术，对栅格舵的内部缺陷、材料性能和尺寸精度进行检测，确保制造出的栅格舵符合设计要求，在可重复使用运载火箭的回收过程中能够可靠地发挥作用。

## 第四节 国外可重复使用运载火箭箭体快速检测和维修技术研究

### 一、可重复使用运载火箭箭体结构检测

国外在可重复使用运载火箭箭体结构检测方面采用了多种先进技术手段。首先，利用无损检测技术对箭体结构进行全面检查。例如，采用超声检测技术可以检测箭体金属结构内部的缺陷，如裂纹、气孔、夹杂物等。超声检测通过发射高频超声波，根据超声波在材料内部的传播特性和反射回波情况，判断材料内部是否存在缺陷以及缺陷的位置、大小和形状等信息。射线检测技术则可以对箭体结构进行透视检查，清晰地显示出结构内部的情况，对于检测焊缝质量、材料内部的密度变化等非常有效。此外，还采用激光检测技术，如激光全息干涉检测和激光散斑检测，用于检测箭体表面的变形和应力分布情况。激光全息干涉检测通过记录和分析激光干涉条纹的变化，能够检测出箭体表面微小的变形，从而判断箭体结构是否存在局部应力集中或损伤。激光散斑检测则可以快速、非接触地测量箭体表面的位移和应变场，为箭体结构的健康评估提供重要依据。通过综合运用这些无损检测技术，能够全面、准确地掌握可重复使用运载火箭箭体结构的健康状况，及时发现潜在的安全隐患，为箭体的维修和再次使用提供可靠的技术支持。

### 二、可重复使用运载火箭箭体维护

在可重复使用运载火箭箭体维护方面，国外主要根据箭体结构检测的结果和火箭的使用情况制定相应的维护方案。对于箭体表面的热防护材料，如果存在磨损、剥落或其他损伤情况，需要进行修复或更换。例如，对于隔热陶瓷瓦或隔热毡的损伤部位，可以采用特殊的粘结剂或修补材料进行修复，确保热防护性能不受影响。对于金属结构部件，如发现有疲劳裂纹或腐蚀等问题，根据裂纹的长度、深度和位置等情况，采取相应的修复措施，如焊接修复、局部更换部件等。在发动机维护方面，对发动机的各个部件进行详细检查，包括燃烧室、喷管、涡轮泵等，清洗、更换磨损或损坏的部件，调整发动机的性能参数，确保发动机在下次发射时能够正常工作。此外，还对火箭的电气系统、液压系统、气动系统等进行全面检查和维护，更换老化的电缆、密封件、阀门等部件，补充液压油、气体等介质，保证火箭各个系统的可靠性和协调性。通过精心制定和实施箭体维护方案，可重复使用运载火箭能够在多次发射任务之间保持良好的性能状态，延长其使用寿命，提高其经济性和实用性。

# 第五章 国外重点可重复使用运载火箭技术研究

## 第一节 美国“超重 - 星舰”运输系统

### 一、总体设计

美国“超重 - 星舰”运输系统采用了独特而大胆的总体设计。它由超重型助推器和星舰飞船两部分组成。超重型助推器拥有强大的推力，配备了多达 33 台“猛禽”液氧/甲烷发动机，能够为整个系统提供巨大的起飞动力，使其具备将大量货物和人员送往地球轨道甚至更远深空的潜力。星舰飞船则是用于载人或载货的部分，其设计注重可重复使用性和多功能性，能够在不同的轨道高度执行任务，如地球轨道的卫星部署、月球和火星的载人登陆等任务。在外形上，星舰采用了不锈钢结构，这种材料选择既考虑了其在高温环境下的性能表现，又兼顾了成本因素。整个系统的设计高度集成化，各个子系统之间紧密协作，以实现高效的太空运输任务。例如，超重型助推器与星舰飞船之间的分离机制经过精心设计，确保在不同飞行阶段能够顺利分离，并且在回收过程中也便于各自独立操作。

### 二、“猛禽”液氧/甲烷液体火箭发动机

“猛禽”发动机是“超重 - 星舰”运输系统的核心动力部件。它采用液氧/甲烷作为推进剂组合，具有多项先进技术特征。在推力方面，单台“猛禽”发动机能够产生约 230 吨的推力，多台发动机组合使得超重型助推器拥有了强大的总推力。其具备深度推力调节能力，能够在较大范围内调节推力大小，以适应火箭在不同飞行阶段的需求，如在起飞时提供最大推力，在上升段后期和轨道转移阶段则可根据需要降低推力。在燃烧技术上，采用了全流量分级燃烧循环，这种循环方式提高了燃烧效率，使得发动机的比冲较高，能够更有效地利用推进剂，减少燃料消耗。此外，“猛禽”发动机在材料和制造工艺上也有创新之处，采用了耐高温的合金材料和先进的制造技术，如 3D 打印技术，用于制造发动机的一些复杂部件，提高了部件的性能和可靠性，同时也缩短了制造周期，降低了成本，为“超重 - 星舰”运输系统的频繁使用和快速周转提供了有力支持。

### 三、超重助推器回收“筷子夹”技术

超重助推器回收采用了独特的“筷子夹”技术。在回收过程中，当超重助推器完成任务并与星舰飞船分离后，它会通过发动机点火调整姿态并返回发射场附近。在接近地面时，位于发射场两侧的一对巨大的机械臂，也就是所谓的“筷子”，发挥作用。这对机械臂高度可达数十米，具有强大的承载能力和精确的操控性。它们能够在助推器下降过程中准确地抓住助推器，将其稳定地放置在预定的回收位置。这种回收方式的优势在于能够实现较为精确的回收操作，减少助推器在着陆过程中因地面不平或其他因素导致的损坏风险。同时，与其他回收方式相比，“筷子夹”技术不需要庞大的着陆腿等辅助回收设备，减轻了助推器的额外质量，有利于提高火箭的运载能力和整体性能。通过多次试验和改进，该技术在提高超重助推器回收成功率和可靠性方面取得了显著进展，为“超重 - 星舰”运输系统的可重复使用性奠定了坚实基础。

### 四、热防护技术

“超重 - 星舰”运输系统面临着严峻的热防护挑战，尤其是在高速再入大气层时。其采用了多种热防护技术措施。对于星舰飞船的机身大面积部位，采用了特殊的隔热材料和结构设计。例如，使用了一种类似瓦片的隔热材料，这些隔热瓦片能够有效地阻挡热量向内部结构传递，并且在材料和结构上具备一定的抗冲击和抗磨损能力，以应对再入大气层时的高速气流冲刷和气动加热。对于头锥、翼前缘等受热更为严重的部位，则采用了碳 - 碳复合材料，并结合抗氧化涂层技术。碳 - 碳复合材料具有极高的熔点和良好的高温力学性能，能够承受高达数千摄氏度的高温，抗氧化涂层则进一步提高了材料在高温有氧环境下的稳定性，延长了热防护材料的使用寿命。此外，在热防护系统的设计上，还考虑了可重复使用性因素，通过优化材料的连接方式和结构布局，便于在每次飞行任务后对热防护材料进行检查、修复和更换，确保热防护系统在多次重复使用过程中始终保持良好的性能状态。

### 五、第五次试验产品改进细节

在经历了多次试验后，“超重 - 星舰”运输系统的第五次试验产品在多个方面进行了改进。在结构强度方面，对星舰飞船和超重型助推器的连接部位进行了强化设计，提高了在发射和飞行过程中两者之间连接的可靠性，减少了因结构应力导致连接失效的风险。在发动机系统上，对“猛禽”发动机的一些关键部件进行了优化，如改进了涡轮泵的叶片设计，提高了涡轮泵的工作效率和可靠性，降低了发动机在运行过程中的故障概率。在热防护材料方面，对隔热瓦片的安装工艺进行了改进，提高了瓦片的贴合度和稳定性，减少了在飞行过程中隔热瓦片脱落的可能性。同时，在导航、制导与控制方面，采用了更先进的传感器和算法，提高了火箭在飞行过程中的姿态控制精度和轨迹跟踪精度，尤其是在回收阶段，能够更精确地控制火箭的下降速度和着陆位置，进一步提高了回收的成功率和安全性。这些改进措施是基于前几次试验中发现的问题和积累的经验而进行的，体现了美国在“超重 - 星舰”运输系统研发过程中的持续改进和创新精神，为该系统未来的成功应用奠定了更坚实的基础。

## 第二节 美国“猎鹰”9 号运载火箭

### 一、发展历程

美国“猎鹰”9 号运载火箭有着丰富的发展历程。自首次发射以来，它经历了多次技术升级和改进。在早期，“猎鹰”9 号主要致力于证明其基本的发射能力和可重复使用概念。随着发射次数的增加，SpaceX 公司不断收集飞行数据，对火箭的各个方面进行优化。例如，在发动机性能方面，对“梅林 1D”发动机进行了持续改进，提高了发动机的推力、可靠性和可重复使用性。在回收技术上，从最初的尝试性回收逐渐发展到成熟的海上和陆地平台垂直回收技术。早期回收试验中，火箭面临着着陆精度不高、发动机点火失败等诸多问题，但通过不断调整控制算法、改进发动机点火系统和完善回收程序，“猎鹰”9 号的回收成功率不断提高。同时，在火箭的结构设计上，也根据回收需求进行了优化，如改进了着陆腿的设计，使其能够更好地适应不同地形和着陆条件，并且减轻了着陆腿的质量，提高了火箭的有效载荷能力。随着时间的推移，“猎鹰”9 号已经成为世界上最具代表性的可重复使用运载火箭之一，广泛应用于商业卫星发射、国际空间站补给等任务，其发射成本也随着技术的成熟和复用次数的增加而显著降低，对全球商业航天市场产生了深远的影响。

### 二、“梅林 1D”液体火箭发动机

“梅林 1D”发动机是“猎鹰”9 号运载火箭的关键动力装置。它采用液氧/煤油作为推进剂，具有一系列独特的技术特点。在推力性能上，单台“梅林 1D”发动机能够产生约 85 吨的推力，多台发动机组合为“猎鹰”9 号提供了足够的起飞动力。该发动机的设计注重可重复使用性，其结构相对简单，便于维护和修复。例如，发动机的一些关键部件采用了易于拆卸和更换的设计，在火箭回收后，可以快速对发动机进行检查和维修，降低了运营成本。在燃烧技术方面，采用了燃气发生器循环，通过合理设计燃气发生器的参数和燃烧过程，确保了发动机在不同工况下的稳定燃烧。同时，“梅林 1D”发动机在材料选择上也兼顾了性能和成本，采用了一些常规但性能可靠的金属材料，通过优化制造工艺提高了部件的质量和可靠性。例如，发动机的燃烧室采用了特殊的冷却通道设计，利用煤油作为冷却剂，有效地带走燃烧室内的热量，保证了燃烧室的结构完整性，使发动机能够在多次重复使用过程中保持良好的性能状态，为“猎鹰”9 号的成功运营提供了坚实的动力保障。

### 三、栅格舵

“猎鹰”9 号运载火箭在回收过程中巧妙地运用了栅格舵技术。栅格舵作为一种气动控制部件，在火箭返回大气层时发挥着重要作用。其设计上，栅格舵的外形尺寸、栅格结构参数以及材料选择都经过了精心优化。栅格舵的面积和形状根据“猎鹰”9 号的气动特性和回收要求确定，能够在不同的飞行速度和高度下产生合适的气动控制力矩。例如，在高超声速飞行阶段，栅格舵能够有效地调整火箭的姿态，使其保持稳定的飞行状态；在亚声速飞行阶段，栅格舵则可辅助控制火箭的下降速度和着陆方向。在材料方面，通常采用耐高温、高强度的金属材料，如钛合金，以承受再入大气层时的高温和高气动载荷。在制造工艺上，采用了精密机械加工技术，确保栅格舵的尺寸精度和表面质量，提高了栅格舵的可靠性和性能。通过栅格舵与发动机推力矢量控制的协同作用，“猎鹰”9 号能够在回收过程中实现精确的姿态控制和着陆点控制，大大提高了回收的成功率和精度，成为可重复使用运载火箭回收技术中的一个重要创新点。

### 四、“猎鹰 9”运载火箭着陆腿

“猎鹰 9”运载火箭的着陆腿是其实现垂直回收的关键部件之一。着陆腿的设计需要综合考虑多种因素，包括结构强度、质量、展开可靠性以及对不同地形的适应性等。在结构强度方面，着陆腿要能够承受火箭在着陆时的巨大冲击力，采用了高强度的金属材料，并设计了合理的结构形式，如采用液压或气动缓冲装置，在火箭接触地面的瞬间，缓冲装置能够有效地吸收冲击力，保护火箭的主体结构和内部设备。在质量方面，通过优化设计和材料选择，尽量减轻着陆腿的质量，以提高火箭的有效载荷能力。例如，采用轻质合金材料制造着陆腿的一些非关键部件，同时在保证强度的前提下，对结构件进行减重设计。在展开可靠性方面，着陆腿的展开机构经过了严格的测试和优化，确保在火箭回收过程中能够准确、迅速地展开，并且在各种恶劣环境条件下都能正常工作。此外，着陆腿的设计还考虑了对不同地形的适应性，其底部通常采用了特殊的防滑和缓冲材料，能够在沙地、草地、混凝土等不同地形上实现稳定着陆，为“猎鹰”9 号在不同发射场和回收场的运营提供了便利，进一步提高了火箭的可重复使用性和灵活性。

### 五、高精度导航及姿态控制技术

“猎鹰”9 号运载火箭具备高精度的导航及姿态控制技术。在导航方面，它采用了多种导航系统相结合的方式，包括卫星导航（如 GPS）、惯性导航以及光学导航等。卫星导航系统能够提供火箭在全球范围内的精确位置信息，惯性导航系统则在卫星信号可能受干扰或丢失的情况下，依靠自身的惯性测量装置继续提供准确的姿态和速度信息，光学导航系统在火箭靠近目标（如国际空间站或着陆点）时发挥作用，通过对目标的光学成像和特征识别，进一步精确修正火箭的位置和姿态。在姿态控制上，“猎鹰”9 号利用发动机推力矢量控制、栅格舵以及反作用轮等多种控制手段。发动机推力矢量控制通过改变发动机喷管的方向，产生强大的控制力矩，实现对火箭姿态的快速调整；栅格舵在大气层内飞行时，利用空气动力学原理产生气动控制力矩，对火箭姿态进行微调；反作用轮则主要用于精确控制火箭的姿态角速度，在火箭的微小姿态调整和稳定控制方面发挥重要作用。通过这些导航及姿态控制技术的协同作用，“猎鹰”9 号能够在发射、飞行和回收的全过程中实现高精度的姿态控制和轨迹跟踪，确保火箭准确地将有效载荷送入预定轨道，并在回收时平稳、精确地降落在预定着陆点，为其成功的商业运营和可重复使用奠定了坚实的技术基础。

## 第三节 美国“火神”运载火箭

### 一、总体设计

美国“火神”运载火箭在总体设计上融合了多种先进技术和创新理念。它采用了两级半的火箭构型，这种构型在保证火箭具备足够推力和运载能力的同时，兼顾了结构的合理性和可操作性。一级火箭配备了两台 BE - 4 液氧/甲烷发动机，这两台发动机为火箭提供了强大的起飞推力，能够将火箭快速推出大气层。二级火箭则采用了一台可重新启动的发动机，这种设计使得“火神”运载火箭在执行不同轨道任务时具有更大的灵活性。例如，在将卫星送入地球同步转移轨道时，二级火箭发动机可以多次启动，进行轨道调整和修正，确保卫星准确进入预定轨道。在箭体结构设计上，“火神”运载火箭注重减轻质量和提高结构强度，采用了新型的轻质材料和优化的结构设计方案。例如，箭体外壳部分采用了高强度的铝合金材料，并结合了先进的制造工艺，如焊接技术和机械加工工艺的优化，使得箭体结构既轻巧又坚固，能够承受发射和飞行过程中的各种力学载荷，同时提高了火箭的有效载荷能力，使其在商业航天市场中具有较强的竞争力。

### 二、BE - 4 发动机

BE - 4 发动机是“火神”运载火箭一级的核心动力源。它采用液氧/甲烷作为推进剂组合，具有多项显著的技术优势。在推力性能上，单台 BE - 4 发动机的推力可达约 240 吨，两台 BE - 4 发动机的组合为“火神”运载火箭的起飞提供了强劲动力。该发动机的设计强调可靠性和可重复使用性，在发动机的关键部件设计上，采用了冗余设计理念，例如在涡轮泵、阀门等部件上设置了备份系统，一旦主系统出现故障，备份系统能够立即接替工作，确保发动机的正常运行，提高了火箭发射的可靠性。在燃烧技术方面，采用了先进的燃烧循环方式，提高了燃烧效率，使得发动机的比冲较高，能够更有效地利用推进剂，减少燃料消耗。此外，BE - 4 发动机在材料和制造工艺上也有诸多创新之处，采用了耐高温、高强度的新材料，如新型的镍基合金材料，用于发动机的高温部件，提高了部件的耐热性能和使用寿命。同时，利用先进的制造工艺，如 3D 打印技术，制造一些复杂的发动机部件，不仅提高了部件的精度和性能，还缩短了制造周期，降低了制造成本，为“火神”运载火箭的大规模生产和商业运营提供了有力支持。

### 三、回收技术

“火神”运载火箭在回收技术方面进行了积极探索和创新。其一级火箭的回收方案采用了类似于垂直回收的方式。在火箭发射后，一级火箭完成任务并与二级火箭分离后，通过发动机点火调整姿态并返回地面。在回收过程中，利用发动机的推力矢量控制和高精度的导航、制导与控制技术，精确控制火箭的下降速度和姿态，使其能够垂直降落在预定的着陆平台或回收区域。为了实现精确回收，“火神”运载火箭配备了先进的传感器系统，包括激光雷达、微波雷达和视觉相机等，这些传感器能够实时监测火箭与着陆点之间的相对位置、速度和姿态信息。基于这些传感器数据，回收控制系统采用了先进的控制算法，如基于模型预测控制的算法，能够根据火箭的当前状态和目标着陆点的要求，预测未来的飞行轨迹，并生成精确的控制指令，确保火箭在回收过程中始终保持稳定的姿态和准确的下降速度，实现安全、高效的回收。此外，在火箭的结构设计上，也考虑了回收的需求，例如对发动机的布局和结构进行了优化，以便在回收过程中更好地保护发动机等关键部件，同时也便于对火箭进行检测、维护和再次使用，提高了火箭的可重复使用性和经济性。

## 第四节 美国“电子号”小型运载火箭

### 一、总体概述

美国“电子号”小型运载火箭主要针对小型卫星发射市场而设计。它采用了较为简洁的火箭构型，由一级火箭和上面级组成。一级火箭采用了多台自研的发动机，这些发动机采用液氧/煤油作为推进剂，虽然单台发动机的推力相对较小，但多台发动机组合起来能够满足小型火箭的起飞需求。上面级则主要负责将卫星送入预定轨道，其发动机具备多次启动能力，可根据不同的任务要求和轨道参数进行轨道调整。在箭体结构方面，“电子号”小型运载火箭注重轻量化设计，采用了大量的轻质材料，如碳纤维复合材料等。碳纤维复合材料具有低密度、高比强度和良好的热稳定性等特点，使得箭体结构轻巧且坚固，能够在保证火箭结构强度的前提下，最大限度地提高火箭的有效载荷能力。例如，箭体外壳采用碳纤维缠绕工艺制造，既减轻了质量，又提高了箭体的抗气动载荷能力。此外，“电子号”小型运载火箭在设计上还考虑了快速组装和发射的需求，其部件的标准化程度较高，组装流程相对简单，能够在较短时间内完成火箭的组装和发射准备工作，为小型卫星的快速发射提供了便利，适应了当前商业航天领域中小卫星星座快速部署的需求。

### 二、回收技术

“电子号”小型运载火箭的回收技术具有独特之处。它采用了一种混合回收方式，结合了降落伞回收和直升机空中抓取的技术手段。在火箭完成任务后，首先启动降落伞系统，利用降落伞的空气阻力使火箭减速下降。降落伞系统的设计经过了精心优化，包括降落伞的面积、形状、材料以及展开程序等方面。当火箭下降到一定高度且速度降低到合适范围时，直升机飞抵预定位置，通过特殊的抓取装置在空中将火箭捕获并吊运至安全地点。这种回收方式的优势在于，降落伞回收能够在一定程度上降低火箭的下降速度，减少因高速撞击地面带来的损伤风险，同时直升机空中抓取则提高了回收的灵活性和精确性，相较于单纯的伞降回收，可避免火箭着陆在复杂地形或难以到达区域而造成回收困难或损坏。例如，在一些海上发射任务中，如果采用传统伞降回收，火箭可能落入海中，后续打捞和回收工作复杂且成本高昂，而“电子号”的混合回收方式可使直升机直接将火箭吊运回陆地基地，便于快速检测、维护和再次使用，有效降低了运营成本，提高了火箭的复用效率，为小型运载火箭在商业航天领域的可持续发展提供了有力支持。

## 第五节 国外其他可重复使用运载火箭

### 一、美国“新格伦”大型运载火箭

美国“新格伦”大型运载火箭由蓝色起源公司研发，其设计旨在满足多种商业航天任务需求，包括大型卫星发射、载人航天以及深空探测等任务的部分环节。在总体设计上，它采用了两级构型，一级火箭配备了多台 BE - 4 液氧/甲烷发动机，与“火神”运载火箭所使用的 BE - 4 发动机类似，具备强大的推力和良好的可重复使用性潜力。二级火箭则采用氢氧发动机，利用氢氧发动机高比冲的特点，在将有效载荷送入更高轨道时能更高效地完成任务。在可重复使用方面，“新格伦”计划实现一级火箭的垂直回收，通过精确的导航、制导与控制技术以及发动机推力矢量控制，使一级火箭在完成任务后能够返回预定着陆场并实现软着陆。其箭体结构设计注重减轻质量和提高强度，采用了新型材料和先进制造工艺，如碳纤维复合材料用于部分结构件，在保证结构可靠性的同时降低了整体质量，提高了运载能力。此外，“新格伦”在设计过程中充分考虑了与未来其他航天系统的兼容性和协同工作能力，例如与太空站的对接、为深空探测任务提供运输服务等，有望成为美国商业航天领域的重要力量，推动大型运载火箭技术的进一步发展和应用。

### 二、美国“新谢泼德”亚轨道飞行器

美国“新谢泼德”亚轨道飞行器主要用于亚轨道太空旅游以及开展一些科学实验和技术验证任务。它采用了垂直起飞和垂直降落的方式，其火箭助推器和乘员舱/货物舱是可分离的设计。火箭助推器在将乘员舱/货物舱加速到一定速度和高度后分离，然后利用自身发动机的推力矢量控制和气动舵面等手段实现返回并垂直降落，可多次重复使用。乘员舱/货物舱则继续上升至亚轨道高度，体验短暂的失重状态后，依靠降落伞系统减速并安全着陆。在技术特点上，“新谢泼德”的火箭助推器采用了液氧/煤油发动机，这种发动机技术相对成熟且成本较为可控。其导航、制导与控制技术能够精确控制火箭的飞行轨迹和姿态，无论是在起飞、上升、分离还是回收阶段，都能确保飞行器的安全稳定运行。在亚轨道飞行过程中，乘员舱/货物舱配备了必要的生命保障系统和实验设备接口，为太空旅游乘客提供相对舒适的体验环境，同时也为科学实验提供了合适的平台。随着太空旅游市场的逐渐兴起，“新谢泼德”亚轨道飞行器已经进行了多次成功的飞行试验和商业运营尝试，为亚轨道太空旅游产业的发展积累了宝贵经验，也为未来更先进的亚轨道飞行器设计和运营提供了参考范例。

### 三、美国“新星”火箭

美国“新星”火箭是一款具有创新性设计理念的可重复使用运载火箭概念。其总体设计采用了模块化的思想，可根据不同的任务需求组合不同的模块，包括不同类型的发动机模块、燃料储存模块、有效载荷模块等。例如，在执行低轨道卫星发射任务时，可以选择较小推力的发动机模块和适量的燃料储存模块，以降低成本和提高发射效率；而在执行深空探测任务时，则可组合更强大的发动机模块和更大容量的燃料储存模块，满足长时间、远距离飞行的需求。在动力系统方面，“新星”火箭计划采用多种新型发动机技术，如先进的液氧/甲烷发动机或其他高性能火箭发动机，以提高火箭的性能和可重复使用性。在回收技术上，探索多种创新方式，如利用可变形的机翼结构在返回大气层时实现有翼水平回收，或者采用特殊的降落伞与反推火箭相结合的方式，提高回收的成功率和精度。此外，“新星”火箭注重智能化设计，通过集成大量的传感器和先进的人工智能算法，实现火箭在飞行过程中的自主诊断、自主决策和自主控制，提高火箭的可靠性和适应性，尽管目前“新星”火箭仍处于概念设计或早期研发阶段，但它展现出的创新思路和技术方向为美国未来可重复使用运载火箭技术的发展提供了新的探索方向和潜在的技术突破点。

### 四、俄罗斯“阿穆尔”垂直起降重复使用火箭

俄罗斯“阿穆尔”垂直起降重复使用火箭项目旨在开发一种能够在近地轨道执行任务并实现垂直起降回收的运载火箭。其总体设计采用了单级火箭构型，这有助于简化火箭结构和操作流程，降低成本并提高可靠性。火箭配备了液氧/煤油发动机，俄罗斯在液氧/煤油发动机技术方面有着深厚的技术底蕴，这种发动机能够为“阿穆尔”火箭提供足够的推力以实现起飞和进入轨道等任务。在回收阶段，通过发动机的推力矢量控制和精确的导航、制导与控制技术，使火箭在完成任务后能够垂直降落在预定的发射场或回收场。例如，在返回过程中，火箭利用其发动机反向点火产生的推力来减速，同时根据实时的高度、速度和姿态信息，精确调整发动机推力大小和方向，确保平稳降落。在箭体结构设计上，考虑到垂直起降和重复使用的要求，采用了高强度、耐高温的材料，并且对结构进行了优化，以承受发射、飞行和回收过程中的各种力学载荷和热载荷。“阿穆尔”垂直起降重复使用火箭的研发对于俄罗斯在商业航天领域的发展具有重要意义，有望提高俄罗斯在全球卫星发射市场的竞争力，同时也为俄罗斯未来的航天探索任务提供了一种更经济、高效的运输工具。

### 五、俄罗斯“叶尼塞”（Yenisei）重型运载火箭

俄罗斯“叶尼塞”（Yenisei）重型运载火箭是俄罗斯航天领域的一项重要计划，旨在满足未来大型卫星、载人航天以及深空探测等任务对强大运载能力的需求。在总体设计上，它采用了两级或三级的火箭构型，一级火箭预计将配备多台高性能的发动机，可能采用液氧/煤油或其他先进的推进剂组合，以产生巨大的推力，确保火箭能够顺利将有效载荷推出地球引力场。二级及以上火箭则根据任务要求，选择合适的发动机和燃料，以实现不同轨道高度的任务目标，如将卫星送入地球同步轨道或执行月球、火星等深空探测任务的轨道转移。在可重复使用方面，“叶尼塞”火箭计划探索部分组件的回收利用，例如一级火箭或助推器的回收，通过采用垂直回收或其他可行的回收方式，降低发射成本。其箭体结构设计将结合俄罗斯在航天材料和制造工艺方面的最新成果，采用高强度、轻量化的材料，如新型合金材料和复合材料，优化结构布局，提高火箭的运载效率和可靠性。“叶尼塞”重型运载火箭的成功研发将有助于俄罗斯在国际航天领域保持其领先地位，推动俄罗斯航天事业向更深层次、更广阔的空间发展，为全球航天探索和开发做出更大的贡献。

### 六、欧洲“下一代阿里安”与“玛雅”可重复使用运载火箭

欧洲“下一代阿里安”与“玛雅”可重复使用运载火箭计划是欧洲航天局（ESA）及其成员国为应对商业航天市场战争和未来航天任务需求而推出的重要举措。“下一代阿里安”火箭在总体设计上预计将采用部分可重复使用技术，可能包括可回收的助推器或芯级。其动力系统将结合欧洲在火箭发动机技术方面的优势，采用液氧/氢或液氧/煤油发动机，以满足不同任务的推力和性能要求。在回收技术方面，正在研究多种方案，如垂直回收或有翼水平回收等，通过精确的导航、制导与控制技术以及先进的热防护技术，确保回收组件在返回过程中的安全和可重复使用性。例如，在热防护材料方面，欧洲正在研发新型的隔热材料和热防护结构，以应对火箭在再入大气层时的高温环境。“玛雅”可重复使用运载火箭则更侧重于小型到中型运载任务，其设计理念强调灵活性和快速响应能力。采用模块化设计，可方便地根据任务需求调整火箭的配置，如选择不同数量和类型的发动机模块、燃料储存模块和有效载荷模块。在回收方式上，也在探索适合其规模和任务特点的技术方案，如降落伞回收与其他辅助回收手段相结合的方式。欧洲的这两款可重复使用运载火箭计划通过国际合作和技术创新，有望提高欧洲在全球商业航天市场的份额，增强欧洲航天产业的自主性和竞争力，为欧洲的航天事业注入新的活力，促进欧洲在航天科学研究、卫星通信、地球观测等领域的进一步发展。

# 第六章 国内可重复使用运载火箭技术评估与发展建议

## 第一节 我国可重复使用运载火箭技术发展概述

我国在可重复使用运载火箭技术领域已取得了一系列显著进展。近年来，众多航天科研项目相继开展，逐步推动着相关技术的发展与成熟。例如，我国的长征系列运载火箭在传统一次性发射任务中积累了丰富的经验，为可重复使用技术的研发奠定了坚实基础。其中，部分型号火箭已开始尝试应用可重复使用技术概念，进行了一些关键技术的验证试验。

在动力技术方面，我国自主研发的液氧/煤油发动机和液氧/液氢发动机性能不断提升，为可重复使用运载火箭提供了可靠的动力选择。例如，某新型液氧/煤油发动机在推力调节范围、燃烧稳定性等关键性能指标上有了较大突破，能够更好地适应可重复使用火箭在不同飞行阶段的需求。在结构与热防护技术领域，我国科研团队积极探索适合可重复使用要求的材料与结构设计方案。针对热防护材料，研发了多种具有不同隔热性能和耐高温特性的材料，如新型陶瓷基复合材料等，并在一些试验飞行器上进行了应用验证。在导航、制导与控制技术上，我国不断提升相关系统的精度与可靠性，通过采用先进的传感器技术、优化的控制算法以及多源信息融合技术，确保可重复使用运载火箭在飞行过程中的精确导航、稳定制导与精准控制。例如，在某飞行试验中，导航、制导与控制技术成功实现了火箭在复杂环境下的高精度轨迹跟踪与姿态调整，为可重复使用技术的进一步发展提供了有力支持。

## 第二节 国内外可重复使用运载火箭技术发展差距

尽管我国在可重复使用运载火箭技术方面有了一定进步，但与国外先进水平相比，仍存在一些差距。

在技术成熟度方面，国外一些领先的可重复使用运载火箭，如美国的“猎鹰 9 号”和“超重 - 星舰”等，已经历了多次实际发射与回收任务，技术成熟度较高，回收成功率和复用次数不断提升。而我国的相关技术仍处于试验验证阶段，实际应用经验相对较少。例如，我国的可重复使用火箭在回收过程中的着陆精度、发动机多次点火可靠性等关键技术指标上，与国外先进水平尚有一定差距，需要进一步通过大量试验进行优化与完善。

在关键技术领域，国外在大推力可重复使用发动机技术上具有明显优势。以美国的“猛禽”发动机为例，其推力大、比冲高且具备深度推力调节能力，在“超重 - 星舰”运输系统中发挥了关键作用。我国在大推力可重复使用发动机的研发上，虽然取得了一定成果，但在推力大小、性能稳定性以及可重复使用次数等方面有待进一步提高。在热防护材料方面，国外先进的碳 - 碳复合材料等热防护技术已应用于实际火箭型号，且在抗氧化性能、使用寿命等方面表现出色。我国的热防护材料研发虽然有进展，但在材料性能、制造工艺以及大规模生产应用能力上还需加强。

在商业运营模式方面，美国的 SpaceX 等公司通过可重复使用运载火箭技术的应用，建立了较为成熟的商业航天运营模式，降低了发射成本，吸引了大量商业卫星发射订单，实现了商业航天市场的快速拓展。我国的商业航天产业仍处于发展初期，可重复使用运载火箭的商业运营模式尚未完善，在发射成本控制、市场开拓与客户服务等方面还需要不断探索与创新，以提高我国可重复使用运载火箭在国际商业航天市场中的竞争力。

## 第三节 对我国可重复使用运载火箭技术发展建议

为推动我国可重复使用运载火箭技术的快速发展，缩小与国外先进水平的差距，提出以下建议：

### 一、加强关键技术攻关

集中优势科研力量，加大对可重复使用运载火箭关键技术的研发投入。在动力技术方面，重点突破大推力可重复使用发动机技术，提高发动机的推力、比冲、推力调节范围以及可靠性和可重复使用性。例如，深入研究新型燃烧技术、高效冷却技术以及先进的发动机材料与制造工艺，加快研发具有国际竞争力的大推力可重复使用发动机。在热防护技术领域，持续优化热防护材料的性能，加强对碳 - 碳复合材料、陶瓷基复合材料等先进材料的研发与应用研究，提高材料的抗氧化能力、耐高温性能和抗热震性能，同时改进热防护材料的制造工艺，降低成本，提高生产效率，以满足可重复使用运载火箭的大规模生产需求。在导航、制导与控制技术上，进一步提升系统的精度与智能化水平，开展先进的传感器技术研发、优化控制算法设计以及加强多源信息融合与智能决策技术研究，确保火箭在复杂环境下能够实现高精度的导航、稳定的制导与精准的控制，提高可重复使用运载火箭的飞行安全性与任务成功率。

### 二、推进技术验证与飞行试验

加快可重复使用运载火箭技术验证平台和试验设施的建设，为技术研发提供有力支撑。通过建设专用的试验场地、模拟飞行环境的试验设备以及高精度的测试仪器等，全面开展关键技术的地面验证试验。例如，建立大型火箭发动机试车台，对可重复使用发动机进行全面的性能测试与可靠性验证；建设模拟火箭再入大气层环境的热防护试验装置，对热防护材料和结构进行高温、高压、高速气流冲刷等极端条件下的试验验证。在地面试验基础上，积极推进可重复使用运载火箭的飞行试验，按照从简单到复杂、从局部到整体的原则，逐步开展不同阶段、不同规模的飞行试验。例如，先进行火箭子级的回收试验，验证回收技术的可行性与可靠性；再进行整箭的可重复使用飞行试验，全面考核火箭在发射、飞行、回收等全过程的技术性能，通过大量的飞行试验数据积累与分析，不断优化火箭的设计与技术方案，加速我国可重复使用运载火箭技术的成熟与应用。

### 三、完善商业航天产业生态

构建完善的商业航天产业生态体系，促进可重复使用运载火箭技术的商业应用与发展。政府应出台相关政策，鼓励企业参与商业航天产业，加大对商业航天企业的扶持力度，如提供财政补贴、税收优惠、低息贷款等政策支持，降低企业进入商业航天领域的门槛与风险。加强航天产业链上下游企业之间的合作与协同发展，促进火箭制造企业、卫星运营企业、发射服务提供商以及相关配套企业之间的深度合作，形成完整的产业链条，提高产业整体效率与竞争力。例如，火箭制造企业与卫星运营企业建立紧密合作关系，根据卫星运营需求定制可重复使用运载火箭的设计与发射服务，实现资源共享与优势互补。同时，积极开拓国际商业航天市场，加强与国际航天组织、其他国家航天机构以及商业航天企业的交流与合作，参与国际航天项目竞争，提高我国可重复使用运载火箭在国际市场上的知名度与影响力，通过国际市场的拓展，进一步推动我国可重复使用运载火箭技术的发展与创新。