航天运载器机构技术发展及展望

一、航天运载器与机构技术发展

航天运载器是把有效载荷从地面运送到太空预定位置（轨道）、从太空某位置运回地面或运送到太空另一位置的运载工具的统称。1926年，美国物理学家罗伯特•戈达德研制的人类历史上第一枚液体火箭成功发射，开启了航天运载器的发展历程。1957年，苏联“卫星”运载火箭将世界第一颗人造卫星“斯普特尼克”1发射入轨，此后航天运载器需求开始急剧增长，也带动了航天运载器技术的不断突破。我国的运载火箭发展始于20世纪60年代中期，1970年4月24日，“长征”一号运载火箭搭载“东方红”一号卫星成功升空。经过50余年的技术积累与迭代，我国已经形成以“长征”五号、“长征”六号、“长征”七号及“长征”八号为代表的新一代运载火箭体系，具备了发射任意地球轨道有效载荷的能力，达到了国际领先的入轨精度、安全性和可靠性水平，并探索了包括重型运载、载人登月、重复使用等在内的下一代运载火箭的发展方向，为我国在2045年前全面建成航天强国的目标奠定了坚实的基础。

随着航天运载器技术的不断发展，军、民、商等用户领域也对航天运载器提出了更多、更高的多功能化需求，主要体现在以下几个方面。

近年来，随着航天运输需求的显著增加，航天运载器已经进入高密度发射阶段。虽然设计人员在飞行弹道的设计过程中会充分考虑并预测包括助推器、子级、整流罩等在内的航天运载器分离体可能的坠落范围，并使其尽量避开人口密集地区，但一方面由于社会飞速发展和人口不断增加，居住地区扩大，绝对的无人区数量及面积均明显减小；另一方面由于目前航天运载器分离体的坠落为无控过程，落点分布范围较大，因此难以保证残骸的落点完全避开有人居住或活动的区域。为了落实安全、绿色的发展理念，积极履行社会责任，减少航天运载器发射对落区人民带来的影响，航天运载器分离体的落区可控技术需求日渐突出。

航天运输需求的大量增加对航天运载器提出了高运输效率、低制造成本和低发射费用的新需求，可重复使用航天运载器技术即为满足上述需求的有效手段之一。可重复使用航天运载器具有廉价、快速、机动、可靠等特点，可减少航天运载器一次性使用后昂贵的箭体、发动机、箭上设备等被抛弃所造成的浪费，通过多次使用部分甚至全部结构及设备，可以降低航天运载器的制造和发射成本。另外，可重复使用航天运载器可在较短的时间内自由进出空间、按需返回地面，功能灵活多样，因此成为现今及未来航天运载器的重要发展方向。

航天运输成本的下降也反过来带动了航天运载器的商业化需求，包括商业载人航天需求和商业卫星的组合、组网发射等。商业载人航天需求即将商业客户通过航天运载器运载至轨道、亚轨道等，满足客户失重体验、空间站参观等需求。商业卫星的组网发射即星座建设，是指通过部署一定数量的卫星形成规模组网，从而向地面提供全面覆盖的通信、遥感等服务。快速商业卫星组网发射也对航天运载器的“一箭多星”发射能力，以及多种不同尺寸、质量、功能卫星的组合发射能力提出了更高的要求。另外，也要求航天运载器能够灵活、快速完成空间发射、应急补网和系统重构等任务。

航天运载器任务适应能力的不断拓展（如轨道备份、深空探测、星际运输等新型运载任务）对航天运载器的长期在轨能力提出了新的需求，即要求航天运载器额外具备强任务适应性、可长时间工作、高真空比冲、可多次启动、结构轻质化等能力和特点，并可完成智能滑轨飞行、多次变轨、多轨道撒布、长期在轨待命等多功能新型任务。另外，临近空间航天运载器需兼顾减少能量消耗、有效提高航程和航时的高效率需求，以及飞行过程中出色的爬升、冲刺或机动性能的高性能需求。而临近空间航天运载器的智能可变外形功能可作为实现上述需求的有效手段之一，即通过精确调整自身形状的可变外形功能，来适应不同速度、高度、温度和其他飞行条件下的升阻比要求，从而实现运载器在临近空间中远程高超声速滑翔飞行。

航天运载器机构为航天运载器中完成规定动作或运动的机械组件，是不同于承受载荷、贮存推进剂与安装仪器的航天运载器结构产品的新类型。航天运载器的多功能化需求为航天运载器机构技术发展提供了全新的机遇，而航天运载器机构技术的突破及发展可在极大程度上推动航天运载器技术进步，可有效应对日益丰富、多功能化的航天运载需求。目前，美国太空探索技术公司（SpaceX）的“猎鹰”9火箭及“超重-星舰”运输系统已经基本实现了全面机构化，通过气驱分离机构、着陆缓冲机构、栅格舵等机构实现运载器的高度可回收及重复使用。因此，航天运载器机构技术成为未来航天运载器的重要支撑技术之一。反之，航天运载器多功能化的发展趋势也对机构技术提出了缓冲支撑、分离推冲、变形传动、开合等功能需求及更加严苛的性能需求。

图1 航天运载器及机构技术的发展

图2 重复使用航天运载器及新型机构需求

二、航天运载器机构的功能与性能需求

截至目前，航天运载器机构的功能需求大体可分为以下几大类。

1.缓冲支撑功能

航天运载器机构的缓冲和支撑功能通常用于实现对箭体、有效载荷、仪器设备等的有效支撑，同时减小航天运载器的飞行振动、分离等因素及过程对上述构成部分的冲击作用，改善其使用环境。例如，“新谢泼德”可重复使用运载火箭箭体尾部设置的4部着陆缓冲机构，以及“超重-星舰”运输系统中“星舰”末级尾群内沿的6部着陆缓冲机构，一方面其需要可回收部段再入着陆后支撑箭体，使其在地面尤其是海上回收平台上保持直立状态而不倾倒；另一方面还需在着陆时承受、吸收并耗散高达数十吨自重的箭体及较大着陆速度所带来的着陆冲击，以减小箭体、有效载荷等受到的冲击作用。我国也已在“长征”八号R运载火箭垂直着陆返回关键技术攻关中开展面向工程应用的1:1着陆缓冲机构样机研制工作，并已完成地面着陆冲击试验，但尚未进行飞行试验。另外，在“长征”二号F载人火箭研制过程中，为改善航天员的乘坐体验，研制团队在其上、下支撑机构中采用了堆叠式摩擦片机构，保证在逃逸过程中保持刚性支撑的同时，实现正常任务中航天员乘坐时的振动缓冲。

2.分离推冲功能

分离推冲机构是航天运载器中使用最为广泛、可靠性要求最高的产品，用于实现航天运载器各部件间、航天运载器与有效载荷间、航天运载器与地面附件间的分离与导向。常规分离推冲机构通常基于火工品和分离火箭，具有承载能力大、作动迅速、分离可靠、环境适应性强等优点，但其具有对有效载荷分离冲击大、安全性差、污染环境、不可检不可测、不可重复使用等缺陷，也限制了其在未来航天运载器中的应用。因此，非火工分离与推冲机构技术在近年来获得了较多的研究与发展。例如，重型“猎鹰”运载火箭的助推器分离机构即采用了冷气推冲分离机构，“超重-星舰”运输系统中“星舰”末级与“超重”推进级分离采用基于气驱连接解锁机构的旋转抛撒分离方式，以实现级间的可重复连接与分离。“猎鹰”9运载火箭的一二级和整流罩分离推冲机构均采用了气动推杆机构，从而使得“猎鹰”9的芯一级和整流罩实现完全可重复使用。我国目前也在“长征”二号F、“长征”七号等运载火箭中成功运用了基于柔性包带和分离弹簧等的分离推冲机构，并进行了刚性包带技术的研究。此外，冷气推冲分离机构也已成功应用于中国科学院抓总研制的“力箭”一号运载火箭的三四级分离过程，并已随运载火箭参与完成了首次遥测飞行试验。

图3 航天运载器机构功能和性能需求

3.变形传动功能

航天运载器的变形功能指改变航天运载器部分部件位置或形状的功能，传动功能指运动方式传递转换和运动能量传递的功能，将伺服机构、气驱机构的作动转变为相应机构的相应运动形式。随着航天运载器功能及控制的复杂程度逐渐加大，变形机构及传动机构在航天运载器上的应用呈逐渐增加的趋势。早期的变形及传动机构主要为推力矢量机构，随着可重复使用运载器的发展，逐渐产生了如栅格舵、可折叠着陆腿等其他变形及传动机构。以可重复使用运载火箭为例，在目前已实现成功发射和一级回收的运载火箭中，“猎鹰”9运载火箭采用了外翻式三角形着陆腿机构及栅格舵气动控制机构，“新谢泼德”运载火箭则采用了可展开的平行四边形着陆腿机构及减速板、扇形翼气动控制机构。另外，维珍银河公司的“太空船二号”运载器采用了平起平降的发射-回收方式，待“太空船二号”达到预定高度后返回时，基于尾桁架和一系列杠杆结构的尾翼变形机构会将尾翼变形至顺翼状态，改变其气动外形，增加阻力并减缓下降速度，实现运载器安全返航。我国目前也已通过“长征”二号C和“长征”四号B等运载火箭成功完成了基于折叠-展开式栅格舵机构的落区控制。

4.开合功能

航天运载器机构的开合功能主要指航天运载器在任务过程中，执行部分可开闭部件的开合运动。例如，航天飞机及美国X-37B等新型轨道飞行器在轨运行期间，需要实现舱门打开、太阳能电池阵和辐射器展开等功能，在返回地面前则需要收回太阳能电池阵及辐射器等，并关闭锁紧舱门。上述功能均需由开合机构执行，且上述机构需能够承受发射及返回过程中的苛刻环境，同时还需能够在空间中正常工作，并可实现多次重复使用。另外，为实现航天运载器内部的压力控制，通常需在表面设置开闭式充排气口，其口盖的开闭也通过开合机构实现。

航天运载器的多功能化发展也对以下机构的性能提出了更高要求。

1.环境适应性更高

航天运载器机构通常需要在航天运载器高速飞行、大承载或真空等苛刻条件下工作，需要承受强烈振动、高载荷、高温或低温及高真空度等恶劣环境，并仍需满足工作稳定、性能达标、可靠性高等要求，且由于航天运载器从发射到分离、入轨乃至返回的过程中，工作环境可能产生明显变化，因此要求机构对多种环境均呈现高适应性。例如，星箭分离机构不仅需要满足日益增大的有效载荷在发射等过程中的高连接载荷需求，同时需使得分离时对有效载荷的冲击作用尽可能低。又如在航天运载器飞行过程中，温度剧烈变化可能带来运载器机构及结构的变形，从而对材料性能及内部匹配尺寸等因素产生影响，进而影响机构功能的实现。

2.可靠性更高

航天运载器机构的可靠性直接影响航天运载器发射、飞行、返回、着陆等各个环节中关键动作的执行效果与效能，以及主要能源的输送传递，可直接影响航天运载器任务的成败。此外，由于航天运载器任务过程中面临可预见及不可预见的复杂环境因素，对机构可靠性的要求比地面机构的要求更高。例如，载人运载火箭中飞行可靠度指标需不小于0.97，对应分解到伺服机构单个摇摆方向上的可靠度指标则在0.999以上。因此，对相应机构的冗余设计、降额设计等可靠性设计、可靠性分析与试验技术的要求均需高于甚至远高于地面机构。

3.轻质性更高

航天运载器除了需要追求运载任务的成功实现，同时也需满足高运载效率与高经济性的需求。尤其在航天运载过程中，单位质量的运载成本显著高于地面运输形式。近年来，商业航天蓬勃发展，这使得在保证可靠性要求的同时降低运载成本的重要性越来越高。在航天运载中，降低运载器结构及机构质量可作为降低运载成本重要且有效的手段之一。降低航天运载器机构质量一方面可以明显降低整个系统或部段的质量，提高运载效率；另一方面可以降低对机构驱动能源及控制系统的要求，提高驱动效能及控制效率。

4.空间与能源利用率更高

航天运载器机构通常需不影响航天运载器的结构设计，因此应在结构设计的基础上，充分利用运载器结构内的有限空间，合理设计、布置机构能源、控制、执行等构件。因此，航天运载器机构通常采用零部件小型化、装填装配密集化设计。同时，由于航天运载器机构通常需要能源驱动，因此驱动能源的选择及携带量也需进行额外细致的考虑，且机构能源驱动也需进行优化，这是航天运载器结构产品通常所不具备的。以“猎鹰”9运载火箭为例，其栅格舵机构和着陆腿机构设计为在发射过程中需处于折叠状态以减小气动阻力和对飞行过程的影响，在返回及着陆时需展开以实现对应的气动控制、着陆缓冲等功能，因此在箭体结构的基础上增加了气驱推杆、伺服机构等构件，并对其所对应的气瓶等能源构件与传动构件安装及布置进行了独立设计。

5.可重复性更高

传统的一次性运载火箭由于不需考虑多次使用，因此对其机构产品无使用寿命、重复性等要求。而随着可重复使用航天运载器的发展，对机构产品在保证可靠性基础上的可重复性的要求逐渐提高，即需要机构产品可以实现多次重复使用且无明显的效率、可靠性、环境适应性等的衰减，在多次使用过程中仍可以保证机构功能的成功执行。此外，在重复使用过程中，航天运载器结构通常无明显外形及状态变化，而机构产品通常在执行功能过程中和之后存在明显的外形和状态改变，因此需要机构产品能自主或人工进行复原，且性能几乎无损失。“猎鹰”9运载火箭单个芯一级目前已经实现高达16次的重复使用，即其分离、栅格舵、着陆腿等机构可实现16次执行—复原循环而依然保持可靠，其如蜂窝铝缓冲器等少部分一次性使用的构件也可实现低成本化及快速更换，而不需机构系统整体重制。

6.试验验证及检测简易性更高

航天运载器机构的功能执行通常发生在运载器飞行、入轨及返回的过程中，其所面临的工作环境十分特殊且复杂，一般不宜采用常规方法进行设计试验验证。通常采用的地面模拟试验方法虽可作为机构设计方案合理性和可靠性的主要试验验证手段，但由于航天运载器工况的复杂性和与地面环境的巨大差异，因此对机构试验验证方法的可行性与简易程度提出了更高的要求。此外，可重复航天运载器的短发射间隔需求也使得航天运载器机构产品需兼顾考量与设计任务前、任务中和任务后的检测手段的高可靠性、低难度和高速度。

三、航天运载器机构技术发展的挑战与展望

综合上述分析，航天运载器机构技术的发展仍面临以下挑战。

1.任务适应能力增强化

近年来，航天运载任务的需求及要求与以往相比有明显的提升，有效载荷的质量和数量不断增加，有效载荷的精密程度也在不断提高；与此同时，对重复使用次数的预期及对安全可靠的要求也在不断提高。具体而言，在有效载荷质量方面，我国空间站的“问天”“梦天”实验舱质量都达到了23t，且均需一次整体发射入轨；2023年7月29日，由重型“猎鹰”运载火箭发射的最大商业卫星“木星”3质量超过9t，天线和太阳翼收起状态下约有一台标准校车大小。在有效载荷数量上，目前国际上已实现了“一箭143星”的纪录。在有效载荷的精密程度上，2021年发射升空的“詹姆斯•韦伯”望远镜要求在经历发射过程的振动及分离过程的冲击后，仍能保证镜面展开后的平整度低于10nm。另外，在可重复使用及安全可靠性方面，SpaceX公司的“猎鹰”9运载火箭已经实现了单个芯一级的16次成功重复使用，更多次数的重复使用则要求各机构具有更高的作动效率、更高的可重复性及在多次使用的寿命周期内更高的可靠性与安全性。上述的航天运载需求对航天运载器机构的复杂任务适应能力提出了更高的挑战。

2.驱动能源多样化

以往航天运载器机构多采用火工品能源、弹簧类机械式能源或运载火箭动力系统的燃料压力能源，但这些能源形式往往存在冲击大、安全性差、不可检不可测、不可重复使用等缺陷。随着航天运载器的发展及对机构技术更高的要求，机构的驱动能源也可向多样化发展。气驱机构已经在SpaceX公司的“猎鹰”9运载火箭及“超重-星舰”运输系统中实现了大量使用，如着陆机构中的气驱拔销器、整流罩分离机构的气动推杆等，电驱分离螺母已经完成产品化，伺服机构也由电液伺服机构逐渐向机电伺服机构和机电静压伺服机构等方向发展。除此之外，地面机构中应用较为广泛的电机及液压驱动形式在航天运载器机构中的应用也得到较多论证，但目前仍受到航天运载器能够携带的电池有限、功率不足、航天运载器飞行的特殊环境等因素制约。另外，如电磁、电热、智能材料等也仍需解决电磁兼容、作动时间较长、响应较慢、承载能力较低等问题。

图4 航天运载器机构技术的挑战与展望

3.载荷环境恶劣化

未来航天运输的需求将使得航天运载器机构面临更加恶劣的载荷环境。在连接分离机构方面，超大型通信卫星、星座建设、空间站建设、地外行星探索等任务需求将使得有效载荷的质量越来越大，数量也会越来越多，“大尺寸大载荷”“强连接弱解锁”等工作载荷环境将更加极端化。在着陆缓冲方面，可重复使用航天运载器为了实现更高的运载能力，其可回收部段的质量将越来越高，例如，“猎鹰”9的芯一级空重约27.2t，在着陆时由于额外燃料的存在，着陆质量更高，而“超重-星舰”运输系统的“星舰”末级空重则达到了约85t，“超重”助推器空重更是达到了180t，返回着陆时缓冲和支撑机构将面临更加巨大的冲击载荷。另外，水平降落的可重复使用航天运载器的降落速度通常可达400km/h，显著高于一般飞机的300km/h，着陆时其起落架机构的滚动机构、动能吸收缓冲机构及刹车机构所面临的载荷环境也更加恶劣。在机构系统整体工作环境方面，航天运载器长期在轨等需求也使得航天运载器机构需要能够更长时间耐受真空、极限高温或低温等空间恶劣环境。

4.机构系统复杂化

航天运载器的高速发展使得机构在多功能化方面面临巨大的挑战，常规的机构单机越来越难以满足多功能化需求。因此，通过多个或多种机构单机组成机构系统成为机构多功能化的一种有效解决方式。此外，考虑到航天运载器机构轻质化的需求，上述机构系统同时也需要具有较高的系统集成度。前文所述“长征”二号F逃逸机构系统即为我国运载火箭机构系统复杂化的成功案例。另外，“猎鹰”9运载火箭在垂直返回着陆时，其着陆腿需进行展开、锁定、着陆缓冲及回收完成后的重新折叠等动作，因此需要其具备变形、传动、缓冲、支撑等功能，并达到高度的可重复性。其着陆腿机构系统集成了气驱推杆、气动部署臂、蜂窝铝缓冲器、锁存器等子机构，分别用于实现着陆腿初步推出、支撑杆展开及锁定、缓冲吸能及着陆腿折叠后锁紧等功能。该着陆腿机构系统高度集成，在火箭飞行时折叠在侧壁上而不影响气动外形，展开动作同步可靠，展开后可提供充分缓冲及稳定支撑，同时也充分考虑轻质化以将有效载荷损失降至较低水平。未来，航天运载器功能的多样化及机构轻质化需求也将使航天运载器机构面临更严峻的系统复杂化及高度集成化的挑战。

5.产品化需求扩大化

机构设计制造的效率与成本是影响未来航天运载器的设计周期与发射成本的重要因素之一。未来航天运载器发射需求呈现商业化、常态化甚至航班化趋势，例如，航天运载器同一型号大量服役，需对多种有效载荷或有效载荷组合进行适配，以适应不同发射对象和组合发射任务要求，这也是航天运载器机构技术面临的挑战之一。航天运载器机构可融合机构单机平台化、零组件货架化的产品化设计制造理念，形成专用技术和管理标准，综合考虑不同型号的使用需求，以最大包络和可扩展性作为设计方案的选择标准，配备模块化接口，同时提高制造装备和工装的通用性，建立并丰富产品模型库，助力实现设计通用化和生产批量化目标，提升设计制造效率，降低设计制造成本及技术风险。

1.智能驱动

材料技术的发展为航天运载器机构技术提供了新的可能性。形状记忆合金、形状记忆聚合物、介电弹性体、电流变液、磁流变液、离子聚合物—金属复合材料等集结构与功能于一体的新型智能材料可以自主感知外界刺激并作出响应。上述智能材料通常具有自主变形、质量轻和作动冲击及振动小等优点，因此可用于智能驱动连接分离等机构，理论上可有效减小分离冲击，实现柔性释放，同时具备较高的可重复性。但与机械机构相比，形状记忆合金和其他智能材料等新材料通常承载能力较低，且需要对机构使用的温度、电磁等环境进行额外的考虑和设计，因此目前智能材料相关机构技术的成熟度较低。在航天运载器机构技术未来的发展中，可充分利用先进智能材料机械变形与温度、电流、电场、磁场等变化的耦合性，增强相关机构的环境适应性，并助力航天运载器机构技术的智能化发展。

2.智能控制

现有的航天运载器机构多数为被动执行机构，单向执行控制系统发出的指令，执行结果在很大程度上取决于指令的准确性、机构自身的设计及精度等先决条件。而在航天运载器飞行过程中，被动执行机构可能会受到各类非线性因素和不确定干扰的影响而导致执行效果和效率的损失。例如，执行运动行为的机械机构各组成零件间配合间隙的存在可能导致零件在运动副处的配合位置随机构运动过程不断变化，使得偏差传递路径较多，且机构运动过程导致的相对位置变化及机构工作环境的变化也会使偏差传递路径更加复杂，从而在机构执行运动行为的过程中产生较大的难以预计的累积偏差。从控制系统检测机构执行偏差所导致的航天运载器姿态等参数的偏差，到控制系统给被动执行机构发送指令、被动执行机构执行运动指令，再到控制系统再次检测姿态偏差等因素的过程循环中，由于各参数关系的间接性，可能导致发生较大的时滞，降低控制效率和精度。因此，未来在航天运载器机构中可引入主动智能化机构技术，通过传感器对机构执行结果进行实时精确感知，并作为控制系统的输入，能够主动控制执行机构间隙非线性累计偏差、时滞诱发失稳、颤振引起的结构载荷等不确定扰动。航天运载器主动智能化机构技术可进一步提升航天运载器及其机构的环境适应能力及突发情况应对能力，助力提升航天运载器的可靠性与智能化水平。

3.智能监测

航天运载器的商业化对机构也提出了使用简单无差错、高故障适应性的需求。日本的“艾普斯龙”小型商业运载火箭已通过自动、自律检测系统发射控制设备，结合运载火箭各系统的自动检测功能及高速网络实现了智能化的自动发射和飞行、在线的火箭状态监测。发射控制设备可将控制系统的指令信息、火箭飞行过程中各系统的监测信息及检测步骤进行数据库化，尤其是将上述信息的正常数据波形生成标杆数据库，以及将故障模式下的数据波形生成监控数据库。在火箭飞行过程中通过将实时数据与标杆数据波形进行图像识别对比，实现火箭各分系统、元器件的智慧化自主、在线监测。在未来的航天运载器机构中，可通过运载器上的计算机、机构上的传感器等对机构状态进行实时自主监测，利用高速网络与地面实现状态数据的实时同步。同时，也可利用数字孪生技术，在数字空间建立真实机构的模型，并基于航天运载器的监测数据实现对航天运载器状态的实时映射与完全同步，减少地面控制人员的数据判读、故障分析和排查及故障应对的工作量，提高地面控制人员对航天运载器状态的了解程度，以及故障处理人工介入的实时性与可操作性。数字孪生技术的应用可帮助体系化、简易化地获得可重复使用航天运载器机构的单任务周期及全寿命周期过程中的状态数据，在每次飞行任务后即可根据机构现有的状态及过往的载荷等数据，及时分析评估机构是否需要维修、能否承受下次飞行任务的载荷等，从而助力航天运载器及其机构的重复使用和改进完善等。

四、结束语

在当今航天运载器功能多样、航天运载需求显著增加、航天运载器创新技术不断涌现的背景下，航天运载器机构技术获得了弥足珍贵的发展机遇，也面临着前所未有的挑战压力。