问题描述

SpaceX火箭一级重复使用已达到17次以上，基于商业公司和NASA航天飞机原有实践已建立了系统的复用后试验验证、损伤认证与寿命评估技术体系。发展重复使用技术可实现快速、低成本和高频次进出空间，支撑未来规模化发射、应急发射等高密度发射活动，支撑航天强国建设。而试验验证、损伤认证和寿命评估是影响重复使用飞行器的关键和复用效率的瓶颈。研究不同损伤模式及损伤程度对重复使用性能的影响，突破寿命消耗快速评估技术，形成不同等级复用评估准则、流程和规范，确保每次重复飞行可靠性不下降。可满足重复使用运载器快速、高效复飞要求。提升航天运输系统综合能力。

问题背景

可重复使用运载火箭是未来航天运输系统的主要发展方向，具有重要的应用价值。可重复使用运载火箭能够有效降低发射成本，但也会遇到许多技术难题。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》等纲要和规划中明确提出了可重复使用运载火箭和飞行器发展的要求，中国运载火箭技术研究院已开展重复使用航天运载器的研制，初步形成重复使用航天运载系统发展谱型，近地载人运载火箭明确提出了一级重复使用10次的具体要求。国外SpaceX火箭一级重复使用已达到17次以上，基于商业公司的实践和NASA航天飞机原有的实践已建立了系统的复用后的试验验证、损伤认证与寿命评估技术体系，形成了不同级别维修规范，国内在航天领域多为一次性使用弹/箭结构，尚未建立重复使用相关的试验验证、认证与寿命评估技术体系。每次使用都会对贮箱、舱段、增压输送系统、电子机电设备、热防护结构、防热承载一体化结构产生一定的影响甚至损伤。运载火箭与航空飞行器完整性评估存在一定差异，在恶劣载荷、高应力、低循环、高可靠重复使用的设计、验证试验和评估方面存在差距，运载火箭材料体系的复用性能数据库欠缺。局限于天地一致性差异，设计寿命和使用寿命必然存在偏差，甚至尚未形成基于重复使用的设计准则、飞行后的检测准则、试验验证准则。

最新进展（截止问题发布年度）

重复使用是航天运输系统实现安全、可靠、快速、自由、低成本进出空间的有效途径。当前，垂直起降、重复使用方案渐趋成熟，“猎鹰”9火箭已经实现常态化的回收复用，“超重-星舰”或将借此实现全箭复用，美俄欧日等国家和地区的主力火箭也都采用不同方案实现重复使用。可重复使用运载火箭需要具备重复执行飞行任务的条件，在全寿命周期内需要进行相关重复使用箭体和关键部件的健康监测，返回期间需要对其进行严格的检测，对关键易损部件要进行维护、维修或更换。另外对其是否可以进行再次使用要进行有效的评估。因此需要对箭体回收后的检测内容、检测方法、检测流程和维修方法以及重复使用评估手段进行研究。

可重复使用运载火箭回收后只需经过简单维修和加注燃料就能再次使用是降低成本、提高快速响应能力的关键。返场后需要在短时间内对箭体状态进行检测分析与维修，但传统手段主要通过拆卸箭上产品进行逐个检测，出现故障主要依靠人力进行故障分析定位，且通常为了复现问题需要做大量的重复试验，对发射周期与成本造成较大影响。为了缩短发射周期和降低成本，可重复使用运载火箭的返回复测需要按快速、智能、高效的原则，采用无拆卸快速检测与维护技术。通过结合箭上专家系统快速复测，对运载器的全箭健康状态和预期寿命进行自动评估分析，并对出现故障或寿命预期较低的部件进行及时维修或更换，在短期内给出箭体可再次发射的结论。箭上各系统在设计中需要融入健康管理的理念，统筹设计。

为了达到快速检测与维护的目的，SpaceX一方面从设计入手，改进“猎鹰9”运载火箭着陆支架的闭锁装置以实现快速复位，将发动机机架从焊接式连接改为螺栓连接，以方便拆解、检查和维护等；另一方面，采用了健康管理的理念，尤其是发动机的健康监测和故障诊断，大大减少了回收后监测和评估的工作量；此外，“猎鹰9”运载火箭一级在海上平台回收后还使用了机器人来对箭体进行固定，提高了安全性和响应速度。目前，“猎鹰9”运载火箭一级最短再次发射时间间隔已缩短至21天。数据不仅表明“猎鹰”9火箭的垂直起降复用技术愈加成熟，而且也初步显现出类似航班化运营的模式，新制造的硬件越来越来少，复用次数越来越多，复用周期和间隔越来越短。SpaceX公司更关注复用准则方面的探索，关注工艺流程的每一个环节，包括助推器维护、发射台、回收小组、整流罩，研究如何优化、加快回收速度和缩短发射间隔。通过振动试验验证重要部件的疲劳寿命能达到15次飞行任务时长的4倍，建立3个级别复用检测维护准则，即每次任务后都进行A级检测，执行6~7次飞行任务后进行B级定期维修，发射次数最多（13次以上）和执行载人任务后需进行C级彻底维护。

为提升重复使用设计性能，如重复使用次数、使用维护性等，需要实现载荷精细化设计，这就需要开展载荷环境高精度预示，为动力系统、防热系统和结构系统等设计提供精确的输入。除回收一子级外，如果要回收入轨级，箭体将从轨道再入，其环境更为恶劣，面临防热、控制等更严峻的挑战，对载荷环境预示精确度要求更高。需要研究全任务流程载荷与力学环境激励源作用机理，揭示动态载荷与力学环境的传播规律，形成适用于重复使用运载火箭的外激励表征—动载荷识别—响应预示至载荷与力学环境试验能力。研究复杂构型气动力热环境高精度预示方法，揭示气动力热物理效应和流动机理，发展适用的数值计算方法和力热环境高精度预示模型，缩小天地差异。可重复使用航天器的力学环境试验条件设计方法是面临的关键难点之一。在全寿命周期内进行箭体严格的检测，对关键易损部件进行维护、维修或更换；制定维护维修策略，对回收后是否可以再次使用要进行有效的评估。应考虑系统易组装和易拆卸设计，应用增材制造等先进工艺大幅减少或消除焊缝；采用模块化设计，可独立快速拆卸，或在尽可能少影响其他部件的前提下实现快速拆卸。研究箭体结构无损、集成化、微型化自感知的理论和方法，构建系统薄弱部位与关键结构一体化监测网络，获得强环境适应性、宽感知范围和高精度的温度、应变、振动等数据，实现性能状态快速评估。采用智能化技术提升快速试验发射和检测维护的效率、准确度及全面性，全面提高使用维护快速性、便捷性和有效性也是未来面临的挑战。

重要意义

当前，航天运输正在由“解决如何进入空间”问题转向“解决如何低成本进入空间”问题。发展重复使用技术可实现快速和高频次进出空间。确保安全、可靠、快速、低成本进出空间是大规模开发利用空间资源的前提，实现低成本、快速周转发射进出空间，将有力支撑未来规模化发射、应急发射等高密度发射活动，有利于发展绿色航天。运载火箭和航天飞行器因设计准则、使用应力相较航空飞行器有较大的不同，尤其是经历的环境更为恶劣，复用次数相对较少而可靠性要求高，其重复使用特点和航空飞行器耐疲劳的特点显著不同，形成重复使用试验验证、损伤认证、寿命评估方法和准则，掌握关键技术，解决再次飞行时评估验证问题，可保证和提升我国在重复使用领域的核心竞争力。