近年来，世界航天大国集中进入主力火箭更新换代期，例如，美国的“航天发射系统”（SLS）火箭、“猎鹰”火箭、“星舰”、“新格伦”火箭、“火神”火箭，欧盟“阿里安”6火箭，日本H-3火箭，俄罗斯“安加拉”火箭等，这些火箭的研发均将低成本、高效率作为突出要求，特别是美国太空探索技术公司（SpaceX）“猎鹰”火箭的商业发射报价大幅下调，更刺激了各航天大国对新型主力火箭成本控制的追求。
除了控制火箭研发、制造成本之外，从火箭测试发射技术角度来看，世界航天大国通过最大限度追求火箭的重复使用及优化测试发射模式来降低测试发射成本。
当前，我国正处于常规推进剂火箭和新一代火箭更新换代期，也正在经历航天发射场密集建设期，世界航天大国在新型主力火箭测试发射模式与发射场建设方面的选择结果体现了其多年的技术累积和发展方向，对我国新型火箭测试发射模式的选择与发射场建设具有借鉴意义。
一、火箭测试发射经典模式
测试发射模式是指火箭和航天器在发射场总装、测试、转运过程中的技术状态，经典模式包括“三平模式”“三垂模式”“一平两垂模式”等。
在“三平模式”下，火箭在发射场测试发射流程的典型特点是水平总装、水平测试、水平整体转运起竖，即火箭在技术准备区完成水平总装和水平测试后，以水平状态整体转运至发射区，整体起竖后完成加注发射。
在“三垂模式”下，火箭在发射场测试发射流程的典型特点是垂直总装、垂直测试、垂直整体转运，即火箭在技术准备区完成垂直总装和垂直测试后，以垂直状态整体转运至发射区，完成加注发射。
在“一平两垂模式”下，火箭在发射场测试发射流程的典型特点是水平分段运输、垂直总装、垂直测试，即火箭在技术准备区完成准备测试后，以水平状态分段转运至发射区，在发射区完成垂直总装、垂直测试、加注发射。
二、国外新型主力火箭测试发射模式及发射场特点分析
1. SLS火箭
SLS火箭由美国国家航空航天局（NASA）设计，芯级直径为8.4m，采用液氢液氧推进剂；捆绑2个固体助推器，直径为3.7m。载人构型火箭的近地轨道（LEO）运载能力为70t，货运构型火箭的LEO运载能力为130t。SLS火箭在肯尼迪航天中心的39B发射工位发射，延续采用航天飞机的垂直总装、垂直测试、垂直转运的“三垂”测试发射模式，如图1所示，主要特点如下：
（1）充分利用航天飞机原有的测试发射设施，节约发射场的建设投资。
（2）在技术区垂直总装测试厂房完成芯级、助推级、星罩组合体的垂直总装、垂直测试后，火箭、发射台垂直整体转运至发射工位，保持箭地连接状态不变，测试发射技术成熟。
（3）火箭发射台继承航天飞机的发射台技术，附带功能完备的脐带塔，设置了多层摆臂，用于布设箭地连接气、液、电管路，火箭起飞时摆臂带动箭地连接器摆开至安全净空以外，如图2所示。
（4）发射区取消了航天飞机任务的复杂发射塔，发射工位更加简洁高效。
图1 SLS火箭的“三垂”测试发射模式
图2 SLS火箭的发射台与发射工位
2. “猎鹰”火箭
“猎鹰”火箭由SpaceX公司研制，包括“猎鹰”9和“猎鹰”重型两种经典构型，“猎鹰”9的直径为3.7m，为两级液氧煤油火箭，LEO运载能力为22.8t，地球同步转移轨道（GTO）运载能力为8.3t；“猎鹰”重型一级由3个“猎鹰”9芯一级并联捆绑而成，二级与“猎鹰”9相同，LEO轨道运载能力为63.8t，GTO轨道运载能力为26.7t。
目前，“猎鹰”火箭发射租用卡纳维拉尔角空军基地SLC-40发射工位、肯尼迪航天中心SLC-39A发射工位、范登堡空军基地SLC-4E发射工位，火箭采用“三平”测试发射模式，一级实现回收和可重复使用，如图3所示，极致追求高效率和低成本，主要特点如下：
（1）火箭、星罩组合体在火箭总装测试厂房完成水平总装、水平整体测试后，水平整体转往发射区，箭地连接保持不变。
（2）星箭组合体由一体化运输起竖车运往发射区，起竖臂兼做脐带塔，布设箭地气、液、电连接管线，起竖后，起竖臂留在发射区，运输车返回技术区；起竖臂在箭地连接器脱落后、火箭起飞的同时后倒。
（3）支撑火箭的发射台台体框架与起竖臂集成在一起，起竖后整体落在导流槽入口承力结构上，简化了发射区火箭和发射台的对接操作。
（4）发射工位非常简化，卫星发射任务无需发射塔，载人任务设置发射塔主要用于航天员登舱，如图4所示。
（5）火箭一级分别实现了海上平台回收和发射场场坪回收，并完成了“二手”火箭的多次重复使用，极大地降低了运载火箭的发射成本，提高了火箭的使用效率。
图3 “猎鹰”9火箭的“三平”测试发射模式
图4 “猎鹰”9火箭的发射工位
3. “星舰”
“星舰”是SpaceX公司正在研制的超重型火箭，为直径9m的两级液氧甲烷火箭，起飞推力约为76000kN，LEO最大运载能力约为250t，“星舰”和助推器可回收，并可多次重复使用。
该火箭计划在美国肯尼迪航天中心SLC-39A发射工位附近和得克萨斯州博卡奇卡新建专用发射场发射。任务测试发射模式和发射场设计结合“星舰”的特点和回收需要进行了创新，以改进的“三垂”（火箭分段垂直运输、垂直总装、垂直测试）模式组织测试发射，如图5所示，主要特点如下：
（1）火箭基础级在技术区测试准备厂房完成垂直测试后，以垂直状态转运至发射工位，由独具特色的夹持机械臂夹起，与发射台对接。
（2）飞船在技术区测试准备厂房完成垂直测试后，以垂直状态整体转运至发射工位，同样由夹持机械臂夹起，与基础级组装对接，火箭在发射工位上完成垂直总装测试。未来形成发射能力后，助推器和飞船返回后直接由夹持机械臂捕获，回收复测后，再次与固定发射台对接，准备下一次发射。
（3）采用固定式发射台，与SLS火箭庞大、复杂的发射台相比，显得非常简洁，建设成本显著降低。
（4）发射塔非常简洁，设置了一对独特的夹持机械臂，具备起升、回转、平移功能，兼顾火箭基础级、飞船的吊装和回收捕捉功能，满足必要的箭地气、液、电连接管线支撑需要。发射塔采用分段预制钢结构，集成度高，在发射区进行拼装，建设速度快，维修方便。预计执行载人任务时，还会增加人员登舱臂。
由于火箭、飞船集成度很高，发射区所需测试、操作少，因而不会因在发射区进行组装、测试而降低发射效率。整体上，“星舰”一如既往贯彻了SpaceX公司极致追求效率与低成本的风格。
图5 “星舰”的发射工位
4. “新格伦”火箭
“新格伦”火箭由蓝色起源公司研发，直径为7m，为二级火箭，芯一级采用液氧甲烷推进剂，芯二级采用液氢液氧推进剂，起飞推力约为17100kN，LEO轨道运载能力为45t，GTO轨道运载能力为13t。一级采用垂直着陆返回技术实现重复使用。从公开的火箭发射概念视频来看，该火箭采用“三平”测试发射模式，如图6所示，主要特点如下：
（1）火箭、星罩组合体在技术区总装测试厂房完成水平整体总装、水平整体测试，之后水平整体转运至发射区，箭地连接保持不变。
（2）星箭组合体由一体化运输起竖车运往发射区，起竖臂兼做脐带塔，布设箭地连接气、电、液管线，起竖后，起竖臂留在发射区，运输起竖车返回技术区。
（3）发射台支撑框架与起竖臂集成在一起，起竖后整体落在导流槽入口承力结构上，省去了发射区火箭和发射台的对接操作。
（4）发射区非常简单，设置了简易操作塔并兼做避雷塔，从效果图上分析，主要是为航天员或太空乘客提供进入太空舱的通道。
图6“新格伦”火箭的发射工位
5. “火神”火箭
“火神”火箭由美国发射联盟（ULA）公司研制，取代“德尔他”4和“宇宙神”5火箭，为两级捆绑火箭，芯级直径为5.4m，芯一级采用液氧甲烷推进剂，芯二级采用液氢液氧推进剂；捆绑0~6个1.62m直径固体助推器。LEO轨道运载能力最大为35t，GTO轨道运载能力最大为15t，计划利用卡纳维拉尔角SLC-41发射工位、范登堡空军基地SLC-3E发射工位发射，采用“三垂”测试发射模式，如图7所示，主要特点如下：
（1）火箭、星罩组合体在火箭垂直测试总装厂房完成芯级、助推、星罩组合体的垂直总装、垂直测试，之后垂直整体转运至发射工位，保持箭地连接状态不变，测试发射技术成熟。
（2）火箭发射台与“宇宙神”5火箭类似，带有脐带塔，功能紧凑，塔上没有摆臂，箭地气、液、电连接管线敷设在脐带塔上，火箭起飞时牵制连接器脱落。
（3）发射区建设了简易的发射塔，主要用于航天员登舱使用。
“火神”火箭基本利用ULA公司“宇宙神”5火箭的测试发射模式和测试发射设施，以节约建设投资，火箭垂直总装测试厂房位于发射区，距离发射工位约550m。
图7 “火神”火箭的“三垂”测试发射模式与发射工位
6. “阿里安”6火箭
“阿里安”6火箭由空客公司与赛峰集团联合研制，为两级捆绑火箭，直径为5.4m，芯一级、芯二级采用液氢液氧推进剂，捆绑2个或4个3m直径固体助推器，GTO轨道运载能力为11t。该火箭计划在库鲁发射场新建的ELA4发射工位发射，位于“阿里安”5发射工位（ELA3）以西4km。
与“阿里安”5火箭的“三垂”测试发射模式相比，“阿里安”6火箭测试发射模式的突出特点是：火箭芯级采用“三平”模式，固体助推器采用类似“三垂”模式，如图8所示，主要特点如下：
（1）火箭芯一级和芯二级在技术区火箭水平组装测试厂房进行水平总装、水平测试后，水平整体转运至发射区活动勤务塔中整体起竖，这一点借鉴了“联盟”火箭在库鲁发射场的相关技术，没有沿用类似“阿里安”5火箭的垂直总装模式。
（2）固体助推器在技术区的流程沿袭了“阿里安”5火箭的做法，利用“阿里安”5火箭的固体助推器测试准备厂房以垂直状态完成测试。之后，助推器垂直转运至发射区，在活动勤务塔中完成与芯级的捆绑连接及全箭组装。
（3）航天器、整流罩在技术区完成测试、加注与整流罩装配后，组合体垂直运至发射区，与火箭在活动勤务塔内完成组装，进行垂直状态整体测试、加注、发射。
与“阿里安”5火箭发射场相比，“阿里安”6火箭的技术区取消了火箭整体垂直总装测试厂房，放弃了庞大复杂的活动发射台，采用固定简单发射台，发射区增设了活动勤务塔（见图9），整体上降低了维护成本和建设投资。虽然发射工位占位时间有所增加，但通过采用箭地一体化设计，最大程度地简化了航天器、整流罩组合体与火箭的总装操作及发射日操作，时间成本可以接受。
图8 “阿里安”6火箭的组装、测试
图9 “阿里安”6火箭的发射工位效果图
7. H-3火箭
H-3火箭由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和日本三菱重工公司共同研发，为两级捆绑火箭，直径为5.2m，芯一级、芯二级采用液氢液氧推进剂；捆绑0个、2个或4个固体助推器。GTO轨道最大运载能力为6.5t，LEO轨道最大运载能力为20t。H-3火箭在种子岛空间中心发射，沿袭H-2火箭的“三垂”测试发射模式，如图10所示。
为了降低发射场建设、运营和维护成本，提高快速、连续发射能力，H-3火箭测试发射流程与发射场设计中采取了如下措施：
（1）强调继承性，充分利用发射场H-2火箭现有测试发射设施，通过适当更新改造保障H-3火箭的测试发射任务，利用H-2火箭垂直总装测试厂房第二总装测试工位完成H-3火箭的垂直总装测试工作，减少发射场建设投资。
（2）强调箭地一体化设计，合理分配火箭与地面设施之间的操作接口，将减少人力或操作时间作为优先考虑因素，提高测试发射效率，降低发射成本。
（3）发射区采取无人值守设计，不设发射塔，箭地发射支持操作由移动发射平台保障。火箭竖立到发射工位之后，不再进行设备安装、连接或移除电缆等操作。
图10 H-3火箭的发射工位
8. “安加拉”火箭
“安加拉”火箭由俄罗斯研制，以通用火箭模块+上面级的组合方式形成系列型谱。火箭一级由通用模块（URM）搭建，按照使用的通用模块数量，分为“安加拉”1、“安加拉”3、“安加拉”5、“安加拉”7等构型，代号为A1、A3、A5、A7。每台通用模块直径为2.9m，安装1台RD-191液氧煤油发动机。
依据构型的不同，选用微风-KM上面级、通用模块URM-2、KVTK上面级等构成二级，或选用URM-2+微风-KM或KVTK上面级构成二、三级，以适应高轨或深空探测等发射需求。“安加拉”火箭主要在普列谢次克和东方发射场发射，沿袭俄罗斯一以贯之、独具特色的铁路“三平”测试发射模式，如图11所示。
图11 “安加拉”A5火箭的“三平”测试发射模式
“安加拉”A5火箭测试发射模式的主要特点如下：
（1）火箭、星罩组合体在技术区厂房进行水平整体组装、整体测试，完毕后整体转往发射区。
（2）星箭组合体由一体化铁路运输起竖车水平、整体运往发射区，火箭起竖后，起竖臂与运输起竖车一起返回技术区。
（3）采用固定发射台，发射区设置固定门式简易发射塔，塔上设置多层摆臂，布设箭地连接气、电、液管线，并满足发射区的操作保障要求，射前连接器脱落后摆臂摆开。
三、测试发射模式综合分析与启示
1. 国外主力火箭测试发射模式与发射场特点综合对比分析
从表1可以看出，国外主力新型火箭选择的测试发射模式具有以下趋势：
（1）测试发射模式聚焦在两种典型的模式：“三平”模式和“三垂”模式，或以这两种模式为基础进行适应性改进，可见这两种模式是公认的高效率测试发射模式。
（2）纯液体火箭构型大多采用了“三平”测试发射模式，优点是发射场建设投资少，地面设施设备简单，测试发射效率较高，运行维护投入较少，发射能力能够快速、低成本扩展。唯一例外的是“星舰”，基于其高度集成化设计和特殊的回收复用方式，其选择了变形“三垂”模式。
（3）捆绑固体火箭型号大部分采取“三垂”测试发射模式，只有“阿里安”6火箭选择了中间道路，综合了“三平”和“三垂”测试发射模式的特点。由于固体助推火箭质量大，与芯级火箭进行水平组装对芯级结构设计强度要求较高，因此，捆绑固体助推器的火箭构型均选择在液体芯级垂直状态下进行捆绑操作，差别仅在于是在技术区完成总装还是在发射区完成总装。
（4）无论是“三平”测试发射模式还是“三垂”测试发射模式，提高发射场特别是发射区的工作效率依然是主流趋势，新型主力火箭普遍采用了箭地一体化设计、合理分配箭地操作功能、精简发射区测试项目、简化发射区地面设施、缩短发射区占位时间等措施。
（5）“猎鹰”“星舰”等火箭成功突破了火箭回收技术，并实现了“二手”火箭的可重复使用，极大降低了运载火箭的发射成本，引领了当前新研火箭的技术路线，也是未来我国火箭的发展目标。
表2从发射效率、发射场建设投资、技术复杂度、高密度发射任务拓展代价、发射区意外爆炸事故后恢复代价等维度，对“三平”“三垂”“一平两垂”等3种经典测试发射模式进行了对比分析。综合对比发现，“三平”测试发射模式综合最优，“三垂”测试发射模式次之。
表1 各型火箭测试发射模式及发射场特点对比表
表2 经典测试发射模式特点对比表
2. 对我国发射场测试发射模式选择及建设的启示
国外主力火箭测试发射模式与发射场建设特点对我国的启示主要有以下几点：
（1）火箭、地面一体化设计是优化发射成本、提高发射效率的最根本途径。通过箭地一体化设计，合理分配箭地操作项目与操作功能，简化发射区操作和保障要求，是降低发射成本、提高发射效率最有效的途径。
反之，火箭在发射区的测试操作越多，地面发射支持设备就会越复杂，不仅发射区占位时间长、发射效率低，发射场建设、运行维护成本也会显著增加。同时，结合发射场的气候环境特点、任务组织模式和火箭技术方案不断优化测试发射流程，也是优化发射成本、提高发射效率的有效途径。
（2）简化发射区是“三平”和“三垂”测试发射模式的核心要义。简化发射区的核心前提条件是火箭操作的精简、流程的优化和火箭环境适应能力的增强，如果火箭不能有效简化发射区操作和保障要求的“三平”“三垂”测试发射模式，则难以对其发射效率、发射工位建设与运行成本进行有效控制，也难以达到这两种模式的最佳状态，是不完全“三平”和“三垂”模式。
（3）“三平”测试发射模式应该作为液体火箭的首选测试发射模式。综合对比分析发现，“三平”模式效率最高、发射场建设投资最省、技术复杂度适中、高密度发射任务拓展能力和发射区爆炸事故后恢复能力最强，宜作为未来主力液体火箭的优选模式。
（4）技术成熟度和继承性是选择测试发射模式的重要考量因素。从技术角度分析或许存在最优测试发射模式，但对于具体型号来讲，成熟可靠的模式或许才是最合适的测试发射模式。
从世界各航天大国新型主力火箭测试发射模式的选择结果来看，传统国家队都非常注重测试发射技术的成熟度和继承性，如SLS火箭、“火神”火箭、“阿里安”6火箭、H-3火箭、“安加拉”火箭等；而新兴商业航天公司大多具有较强的创新动力，围绕降低成本、提升效率目标，对测试发射模式和发射场建设进行了大胆的创新。
四、结束语
对国外各航天大国的新型主力运载火箭测试发射模式和发射场特点进行系统分析发现，其测试发射模式的选择聚焦于“三平”和“三垂”模式，并通过箭地一体化设计、优化测试发射流程，有效提升发射效率，降低发射成本，这对我国航天发射场建设具有借鉴意义。
目前，我国主力火箭主要采用“一平两垂”和不完全“三垂”测试发射模式，发射区操作项目多、保障要求高、占位时间长，发射工位状态复杂，建设周期长，运行成本高，尚有较大的改进优化空间，还需找准切入点，开展系统创新，进一步提升发射效率和发射场的综合建设效益。
（本文原刊载于《中国航天》2023年第7期）
本文来自微信公众号：中国航天（ID：zght-caecc），作者：张志成、崔展鹏、刘俊林、聂涛（北京特种工程设计研究院）