0 引言
20世纪50年代出现的航天技术开辟了人类探索宇宙空间的新纪元，对人类社会发展产生了重大而深远的影响。随着人类社会的不断发展，航天活动日益频繁，世界航天正在以更大的规模进入空间，并逐步迈向更远的深空。
本文在梳理世界航天发展态势的基础上，开展了未来航天运输发展需求分析工作，进一步调研了当前航天运输系统发展现状，从大规模进出空间、空间转移运输、载人火星探测三个方面针对未来航天运输系统的发展提出了思考。
1 航天发展态势
1.1 国际发展态势
1.1.1 美国
1.1.1.1 积极制定顶层发展战略，描绘美国深空探索新愿景
2020年7月，美国国家太空委员会发布《月球持续探索与开发规划》和《深空探索与发展新时代》报告，以美国现有的太空探索相关政策，特别是《国家太空战略》和《太空政策指令—1》（SPD-1）为基础，提出对包括月球在内的深空探索的新愿景，逐步开展深空探索计划[1]。报告指出，美国将以“阿尔忒弥斯（Artemis）”计划为抓手，开展长期经济与科技活动，并支持21世纪30年代的首次载人火星探测。
1.1.1.2 重视维护太空资产安全，推进太空立法
2021年4月，美国大西洋理事会发布了《太空安全的未来：美国三十年战略》报告。该报告认为太空资产的安全将对未来的陆地冲突产生决定性的影响，并呼吁美国全面改革外太空的国际法律框架，建立新联盟以抵制中俄太空活动[2]。报告建议在未来三十年里分阶段在短期（2021—2025年）、中期（2025—2040年）和长期（2040—2050年）逐步采取行动：一是更新并完善太空法律法规管理框架；二是建立太空集体安全联盟；三是通过明确的监管和针对性的投资加速太空贸易；四是积极开发地月空间。另外，报告还提出太空原位资源利用体系发展规划。
1.1.1.3 以Artemis计划为基点，实施重返月球战略，全力维持美国在宇航领域的技术优势
Artemis月球探测计划旨在通过在月球表面建造宇航员活动基地和在月球轨道部署环月空间站等科技设施和多项月球探测、深空探测任务的实施，为未来美国的载人火星探测奠定基础[3]。当前，美国已先后与加拿大、日本、意大利等39国签署协定，深化与盟国在太空领域的合作，构筑太空联盟利益共同体，共同为美国“重返月球”项目提供支持。
1.1.1.4 大力发展全球极速运输、航班化进出空间与空间在轨操作与转移等技术发展
充分利用国际空间站的平台作用，开展各类空间在轨操作等新技术的验证，定期开展在轨维护，同时陆续开发和部署新舱段，进一步扩展空间站在轨能力。
1.1.2 俄罗斯
1.1.2.1 出台多项围绕月球探索与开发的政策并制定月球计划，全面加快俄罗斯月球探索步伐
以月球无人探测器为先遣，继而开展载人登月，最终实现月球基地永久驻留的发展路线日渐清晰[1]。2016年，俄罗斯政府出台了国家顶层指导文件《2016—2025年联邦航天规划》，将月球计划列为优先发展方向之一，计划实施一系列月球无人探测任务，为2025年后载人登月和建立月球基地做准备。2018年11月，俄罗斯公布《月球计划实施路线图》，提出近月轨道站或于2030—2035年间建成，首批俄罗斯航天员将从近月轨道站登月并开展为期两周的月球任务。俄罗斯与中国联合发布《国际月球科研站路线图》，开展“月神”（Luna）计划，与中国合作建设国际月球科研站。
1.1.2.2 加快超重型火箭研发，积极探索低轨道空间应用
2018年4月，普京总统签署研制超重型火箭的命令。超重型火箭首次发射计划在2028年。超重型火箭主要用于向低地球轨道发射新一代载人飞船，向地球同步轨道、高椭圆轨道、高圆形轨道及分离轨道发射航天器，向地球同步转移轨道及同步轨道进行航天器的商业发射[4]。目前，俄罗斯航天国家集团与能源火箭航天集团已正式签署联盟-5火箭的研制合同，但首飞延迟。
1.1.3 欧洲
1.1.3.1 发布多项战略规划，从宏观层面描绘了未来欧洲航天发展的方向和途径
1.1.3.2 提出“月球村”倡议和EURO2MOON计划，参加Artemis计划，营造欧洲对地月空间探索的牵引态势
将月球作为探索太阳系的重要跳板，营造对地月空间探索的牵引态势。持续保持欧洲多家科研院所、公司在空间科学及专项技术方面优势。英国、意大利等国家参与Artermis计划，开展月球地月空间探索。
1.1.3.3 落地欧空局保卫地球的“赫拉”任务，实施小行星无人探测。
欧空局与德国卫星制造商OHB公司联合研制“赫拉”小行星探测器。拟定于2024年10月发射，将在2026年底飞抵由“双胞胎”（Didymos）主星和“双形态”（Dimorphos）子星构成的双小行星系统，并对其开展至少6个月的观测研究。“赫拉”不仅将是第一个探索双小行星（Binary Asteroid）系统的航天器，还会成为第一个探索最小小行星的航天器。
1.1.4 日本
1.1.4.1 将月球视为未来前沿，主动掀起月球工业革命
日本于2021年4月成立月球工业愿景委员会，并在同年7月提交《月球工业愿景：地球6.0》白皮书。该报告提出月球将与地球的经济活动领域融为一体，将包括地球到月球在内的宇宙空间作为一个生态系统。报告内容包括关于日本建设月球工业愿景的六项决心和七项政策建议。同时，日本将参与Artemis计划，与美国联合开展地月空间探索与应用。
1.1.4.2 抢先一步实现小行星探测突破，实现人类对地外的一次重大探索
日本的小行星探测技术走在国际前列[7]。2003年发射的隼鸟1号是人类历史上第一个小行星采样探测器，隼鸟2号于2014年进入太空，2019年到达目标小行星“龙宫”表面，2020年采样返回地球。
1.2 中国发展态势
中国近期将地月空间视为人类迈出地球摇篮、走向太阳系的第一步。地月空间将成为未来人类发展的战略空间。中国重视近地小行星的资源勘探利用，因为近地小行星不仅能够提供工业所需的稀贵金属，还能提供星际航行所需的可持续的水资源[8]。从远期来看，载人火星探测将是载人登月之后人类下一个标志性成就，代表人类科技的突破和文明延续。
目前我国已完成探月工程的三期任务以及中国空间站建造，月球探测能力和载人航天活动能力有了较大程度的提升，正在开展载人登月、火星采样返回任务、国际月球科研站等任务研制，同时针对地月空间资源大规模开发与利用、载人探火、空间太阳能电站等开展发展规划。
2 未来航天运输发展需求分析
通过发展态势分析，世界航天活动范围不再局限于近地空间，而是瞄向了更远的大规模深空探测。然而深空探测等任务对于航天运输发展提出了以下需求。
（1）进出空间能力需进一步提升。表1 给出了国际主流大型及重型运载火箭的能力，但面对载人月球探测、大规模深空探测等重点任务，以及载人火星探测等潜在重大任务需求，进出空间的运载能力还需进一步提升。
表 1 国际主流大型及重型运载火箭能力Table 1 Capability of main large and super-heavy launch vehicles |
| 国家 | 型号 | LEO运载能力/t | 状态 |
| 中国 | CZ-5B | 25 | 服役中 |
| 美国 | SLS | 90~130 | 已成功首飞 |
| 猎鹰-重型 | 64 | 服役中 | |
| 超重-星舰 | 150 | 已轨道飞行试验 |
表 2 国际主流运载火箭能力与成本Table 2 Specifications of main launch vehicles |
| 型号 | LEO | GTO | ||
| 运载能力/t | 单位成本/ 万美元 | 运载能力/t | 单位成本/ 万美元 | |
| 猎鹰9（一次性） | 22.8 | 0.27 | 8.3 | 0.83 |
| 联盟号5 | 18 | 0.33 | 5 | 1.20 |
| 阿里安62 | 10 | 0.60 | 5 | 1.20 |
| H-3 | — | — | 7 | 0.71 |
| CZ-3B | — | — | 5.5 | 1.18 |
表 3 未来空间发射需求Table 3 Launch requirements for future space activities |
| 需求 | 2031年 | 2035年 | 2040年 | 2045年 |
| 太空发电站 | 40000 | 70000 | 100000 | 130000 |
| 核废料处理 | 12000 | 18000 | 24000 | 30000 |
| 小行星采矿 | 1000 | 2000 | 3000 | 5000 |
| 星际探测 | 100 | 200 | 300 | 350 |
| GEO新任务 | 347 | 365 | 389 | 400 |
| 太阳系探测 | 50 | 200 | 1000 | 5000 |
| 市场营销类发射 | 15 | 30 | 50 | 100 |
| L1点的基础设施 | 5000 | 10000 | 5000 | 3000 |
| GEO+LEO卫星 | 347 | 365 | 389 | 400 |
| 小计 | 58859 | 101160 | 134128 | 174250 |
(3) 空间转移运输能力需要建设。一方面，面对大规模月球和小行星探索与开发需求，未来单次地月往返载荷需求大，即使考虑现役较大能力的运输系统（见表1 ），传统单一火箭运输模式也难以胜任大规模深空探测能力需求，需要发展在轨加注、原位资源利用等技术；另一方面，面对火星以及更远深空载人探测需求，单次地火往返载荷数十吨到百吨，不仅需要发展在轨加注、原位资源利用等技术，还需发展以核推进为代表的新型推进技术[10]。
3 航天运输系统发展现状
3.1 国际发展现状
航天运输系统国际发展现状主要为以下3方面。
（1）发展重型运载火箭，实现进入空间能力跃升，开展载人深空探测。美国NASA全力推进“太空发射系统”（Space Launch System，SLS）的研制，SLS 构型I已于2022年完成首飞（LEO运载能力90 t），后续构型尚在研制中，最终构型将达到130 t。美国SpaceX公司也不断推进“超重-星舰”的研制。“超重-星舰”是两级完全复用航天运输系统，直径为9 m，全长约120 m，采用液氧甲烷推进剂，起飞规模达到5000 t，一次性使用入轨能力达到250 t，完全复用入轨能力达到150 t。截止2024年9月，“超重-星舰”已完成4次试飞。
俄罗斯的超重型运载火箭计划尽管因财政问题进展不顺，但俄罗斯国家航天集团还在不断推进。
（2）可复用技术已成为新型火箭基本特征，液氧甲烷动力备受青睐。可复用技术已成为未来航天运输系统的基本特征。该技术发展最为成熟的是美国SpaceX公司的猎鹰系列火箭，截止2024年9月其单模块已实现22次复用，2023年发射次数达到96次，2024年发射次数预计达到144次。由猎鹰-9火箭衍生形成猎鹰重型火箭，其运载能力LEO轨道63.8 t，GTO轨道26.7 t，火星转移轨道16.8 t。此外，“超重−星舰”瞄准未来航班化运输，采用两级完全重复，拟最终实现一天3次发射，每公斤200美元的目标，旨在全球快速运输、天地往返运输和深空运输。
此外，美国的火神火箭采用液氧甲烷动力，已完成首飞，新格伦火箭预计2024年首飞。欧空局计划在阿里安-NEXT火箭上采用多项可复用技术，并联合日本持续推进“塞弥斯”垂直起降验证机的研制。俄罗斯公布可复用“阿穆尔”火箭方案，采用液氧甲烷推进剂，一子级可垂直回收。英国持续开展组合动力“佩刀”发动机和“云霄塔”空天飞机的技术攻关。
（3）轨道转移瞄准更大运载能力和长期在轨应用。美国NASA采购SpaceX的星舰作为月面着陆与上升级以完成Artemis载人登月计划（实施3~5次在轨加注），将低温推进剂在轨贮存与加注列入旗舰计划并加以重点研究。DARPA开展核推进方案研究，旨在发展强机动大规模地月空间转移运输能力。同时，SpaceX公司全力推进星舰飞行试验和在轨加注技术攻关。此外，美国联合发射联盟公司（United Launch Alliance，ULA）也在全力推进先进低温半人马座空间转移级，推进长期在轨和在轨加注技术研究。
3.2 中国发展现状
中国的航天运输系统发展现状包括以下3方面。
（1）一次性运载火箭更新换代，火箭型谱日趋完善。以CZ-5、CZ-6、CZ-7、CZ-8为代表的新一代运载火箭陆续首飞，并已进入应用发射阶段。
（2）可复用技术取得重要突破。亚轨道运载器重复使用飞行试验圆满成功，可重复使用试验航天器成功返回预定着陆场。航天科技集团、航天科工集团，以及蓝箭航天、星际荣耀、深蓝航天等民营航天公司完成公里级垂直起降飞行试验。
（3）具备常温推进轨道转移能力，正在发展低温空间运输系统。一方面，中国已完成两代轨道转移运输系统的研制，实现上面级动力从固体动力向液体动力的跨越，形成了远征系列上面级家族，在北斗工程全球组网建设中发挥了重要作用；另一方面，中国正在开展低温、大功率电推进等空间运输系统的预先研究，完成低温推进剂蒸发量控制地面集成试验验证及集成流体系统关键技术原理性试验验证。
4 未来发展思考
4.1 大规模进出空间
4.1.1 航班化天地往返运输系统
面向未来大规模进入空间需要，实施“航天运输革命”，发展航班化天地往返运输系统[11]。该系统具有高可靠、低成本、可复用、智能化、模块化、标准化、产业规模化等基本特征，并具备下述能力指标。
（1）入轨运载能力：根据载人月球探测、深空探测等国家重大工程任务要求，单运载器满足百吨级入轨能力。
（2）发射频次：根据未来每年总发射规模需求，发射频次每年需达千次级。
（3）发射成本和可复用次数：单位载荷发射成本下降1~2个量级，可复用次数达100次。
（4）可靠性安全性：空间站、载人深空探测及太空旅游等载人航天任务需求将持续增长，对进出空间的可靠性、安全性提出了更高的要求。在现有基础上提升1~2个量级，飞行可靠性不低于0.995，飞行安全性不低于0.9999。
值得一提的是，经过可复用成本分析，如图1 所示，火箭完全复用且复用次数足够多时，全箭制造成本将趋于零，最终发射成本集中于发射场、回收费和维护维修费之和。因此，只有完全复用，才能真正从量级上降低成本。
发展航班化天地往返运输系统，需要突破的关键技术包括[9]：跨空天域高动态航班运管技术、高频次长寿命航班化运载器技术、敏捷维修保障技术、航班化运载器狭窄走廊在线自适应制导控制技术以及基于小子样航班化大尺度复杂系统可靠性评估技术等。
4.1.2 新概念运载器
4.2 基于在轨加注的空间转移运输
大规模进出空间的迫切需求，不仅刺激了进入空间能力的不断提升，还催生了基于在轨加注的大规模深空探测与开发的新形态，结合成熟的空间对接技术，进一步拓展了深空运输能力，提供载荷在轨延寿、空间设施维修等空间服务。
在轨加注能够使空间转移运输段独立设计，不再受限于火箭规模，运载能力实现大幅提升[16]。以月球开发为例，采用星舰开展月球轨道往返，当前模式下并无运载能力，而采用在轨加注模式，运载能力能够拓展到最大150 t。
采用“空间转移运输级+在轨加注站”组合可拓展实现载人登月、载人小行星探测以及载人探火等多种大规模深空探测任务，而且可复用，能够大幅降低成本，提升任务灵活性。需要突破的关键技术包括：低温推进剂长期在轨贮存技术、推进剂在轨加注技术、推进剂贮箱压力控制技术、长期在轨能源供给与管理技术、推进剂在轨气液分离技术以及加注过程组合体高精度稳定控制技术。
4.2.1 载人登月任务
载人月球探测任务需要基于LEO和EML1点两个在轨加注站，其整体运输系统包括运载火箭、LEO加注站、EML1点加注站、载人再入飞船（Crew Re-entry Vehicle，CRV）、乘员转移飞行器（Crew Transfer Vehicle，CTV）、登陆器等，典型任务剖面如图2 所示。
4.2.2 小行星探测任务
4.3 载人火星探测
4.3.1 发展路线及任务模式选择
未来载人火星探测可采用三步走的总体发展路线，从最初的机器人探测，到初期载人探测，再到航班化载人探测[17]。
第一步：机器人探测（技术准备阶段）。本阶段也可称为载人火星探测任务的技术准备阶段。在正式实施载人探测之前，开展机器人探测任务，如载人火星着陆和基地建设的地点选择与考察、火星的采样返回等，验证后续载人探测所需的相关关键技术，降低载人探测的技术风险，包括验证星际运输和推进技术、再入着陆与返回技术、部分火星基地和地面基础设施所需技术等。这一阶段的典型任务模式包括LEO出发、典型脉冲式合式轨道和化学推进，如图4 所示。
第二步：初期探测（技术成熟与初步应用阶段）。执行初期载人火星探测任务时，由于缺乏经验，面临如此复杂的任务，难度比较大，因此，正式的载人火星探测也需由易到难。在正式开展载人火星着陆探测之前，还可以实施载人火星环绕探测或火星卫星的载人着陆等任务。因此，一般情况，本阶段还可以分成以下子阶段：（1）载人火星环绕探测或火星卫星载人着陆探测；（2）首次载人火星登陆探测；（3）建立具备完备功能的火星基地。这一阶段的典型任务模式包括人货分运，大椭圆轨道（HEO）出发、合式轨道、核电+核热推进组合、气动捕获和原位资源利用，如图5 所示。
第三步：航班化载人火星探测（技术升级与地火经济圈形成阶段）。本阶段的任务模式将很大程度上取决于推进技术的发展情况。当核推进技术成熟时，采用核推进技术，运输系统的能力进一步增强，能够形成更加强大的地火经济圈，火星探测规模能够进一步扩大，但发射窗口和转移时间没有本质改变。该阶段地球系统与火星系统之间活动大大增加，互相支撑，地火经济圈规模日益扩大，并开始辐射到其他太阳系内行星。远期当核聚变技术成熟时，将极大地改变空间任务模式，发射窗口和转移时间选择将极大增加，具备更大规模的地火往返运输能力，随着核聚变推进运载器这类革命性运输技术的出现，地火经济活动规模快速增长，并全面辐射到全太阳系等更远空间的载人任务。这一阶段的典型任务模式包括空间基地出发、循环轨道、核推进、气动捕获和原位资源利用，如图6 所示。
4.3.2 航天运输系统方案研究
由于机器人火星探测当前正在实施，而航班化载人火星探测较为遥远，故本文重点研究初期载人火星探测的航天运输系统方案。
针对初期载人火星探测，综合权衡任务安全性和系统规模两个重点因素，航天运输系统涵盖运载火箭、摆渡级、地火转移运载器、火星着陆与上升飞行器等多个运载器，典型任务模式涵盖多次近地及环火交会对接，如表4 所示。
表 4 初期载人火星探测模式选择与特点分析Table 4 Initial human Mars exploration mode selection and analysis |
| 序号 | 设计因素 | 模式选择 | 特点 |
| 1 | 转移模式 | 人货分运 | 安全性高 |
| 2 | 推进技术 | 核推进+化学推进 | 兼顾安全性与系统规模 |
| 3 | 地球出发点 | 地球高轨 | 兼顾安全性与系统规模 |
| 4 | 火星达到点 | 火星轨道 | 安全性高 |
| 5 | 火星制动方式 | 载货转移级采用大气捕获 载人转移级采用动力制动 | 兼顾安全性与系统规模 |
地火转移运载器采用核热核电双模式，如图7 所示采用3台100 kN核热发动机作为主动力，利用核电系统为各分系统提供电源。摆渡级负责将无人转移运载器由近地轨道抬升至高轨，通过近地轨道加注，可以实现多次轨道往返转移任务，拟采用布雷顿热电方式及磁等离子体推力器。火星着陆与上升飞行器采用单级着陆与上升、垂直起降、载人载货通用模式。需要突破的关键技术包括：载人火星探测任务总体设计技术、大规模星际运输推进技术、载人火星探测精确制导与控制技术、可持续能源与星际测控通信网络技术和轻质防热结构与可靠机构设计技术。
5 结语
深空，对人类具有重要意义。深空探测是人类走出地球摇篮、探索生命起源、拓展生存空间的重要途径。本文通过梳理与总结世界航天大国的航天活动及规划，首先分析得出大规模进入太空，特别是深空，已成为世界航天发展的重要态势。这一发展态势对于航天运输系统提出了大规模、低成本进出空间的更高能力需求。随后，围绕这一能力需求，提出了未来航天运输系统发展的三方面思考：（1）针对天地往返运输场景，提出利用可复用技术发展航班化运输系统，同时探索电磁发射、天梯等新概念运载技术途径，以实现大规模低成本进出空间任务需求。（2）针对低轨到深空的运输场景，结合在轨加注技术与交会对接技术，遵循可复用理念，提出了基于在轨加注的大规模深空运输样式，以降低该场景下单发火箭能力需求的局限性，同时实现运输能力及任务灵活性的大幅提。（3）综合前述研究成果，拓展应用至能力需求更大的载人火星探测场景，提出了规模合理、技术可行的人货分运任务模式及对应的航天运输系统方案，为我国后续航天运输系统发展及规划提供参考。