面向可持续运载火箭开发的LCA-MDAO集成方法：参数化生命周期清单与发射排放耦合

《Acta Astronautica》：A methodology for integrating Life Cycle Assessment into a multidisciplinary design analysis and optimization framework for sustainable launcher development

　　

研究人员提出一种将生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）集成到面向可持续运载火箭开发的多学科设计分析与优化（Multidisciplinary Design Analysis and Optimization, MDAO）框架中的方法。一个LCA模块被集成到运载火箭设计框架中；定义参数化生命周期清单（Life-Cycle Inventory, LCI），以支持快速的LCA影响计算；将发射排放模型与优化轨迹剖面耦合；展示不同环境影响类别之间的拮抗行为；探索运载火箭性能与环境影响之间的权衡。

研究人员围绕运载火箭早期设计中的环境评估问题开展研究。空间产业正在经历深刻变化，可重复使用发射系统改变了进入空间的经济性，降低了发射成本并重塑任务设计；商业空间应用和巨型星座快速发展。发射成本下降可能带来反弹效应，即发射频率增加并导致总体环境负担上升，近期分析提示到2050年空间活动的气候影响可能增至九倍。尽管空间碎片受到关注，但无论可重复使用还是可消耗运载火箭，其更广泛环境足迹仍未充分量化；除气候变化外，还涉及臭氧耗竭、金属/矿物/化石资源稀缺、土地和水使用等。商业航空等领域已将可持续性纳入系统设计，而空间产业仍缺乏针对环境性能的综合监管框架。欧洲空间局（European Space Agency, ESA）推动LCA标准化，欧盟委员会环境足迹（Environmental Footprint, EF）方法提供协调框架。然而，多数LCA研究在运载火箭设计完成后才开展，难以在概念和初步设计阶段指导环境知情决策；早期设计本质上是涉及气动、结构、推进和轨迹优化的多学科过程，MDAO通常以总起飞重量（Gross Lift-Off Weight, GLOW）或成本等为目标并满足多种约束。已有将环境评估纳入MDAO的研究多只部分集成LCA，主要关注气候变化（如辐射强迫和全球变暖潜势，Global Warming Potential, GWP），且限于发射飞行阶段，忽略运载火箭生产和装配阶段；同时还面临LCA模型保真度、数据可得性、与工程模型兼容性、运载火箭专用数据集缺乏、多大气层排放建模复杂和高空排放影响未充分量化等挑战。为此，De Oliveira等在同一作者前期方法基础上，将LCA作为学科嵌入MDAO框架，以在性能、成本与环境影响间进行知情权衡；其核心是定义依赖MDAO设计与耦合变量的参数化生命周期清单，使LCA影响可快速计算并随优化更新，范围包括级部件和推进剂从原材料开始的生产及关联运输，并增强对发射排放对应大气影响的考虑。研究人员以中型两级入轨（Two-Stage-To-Orbit, TSTO）液氧/液甲烷（Liquid Oxygen/Liquid Methane, LOx/LCH₄）运载火箭为案例，将应用从敏感性和参数分析扩展到多目标优化，主要贡献是提出将LCA作为学科集成到MDAO框架的成熟方法，使生态设计从整体多学科视角开展，而非逐学科处理，并支持优化、敏感性和参数分析及不确定性传播。其重要意义在于为运载火箭早期设计阶段纳入环境考量、开展性能与环境权衡提供方法基础。

关键技术方法不超过250字：研究人员采用多学科可行（Multidisciplinary Feasible, MDF）架构的MDAO框架，集成推进（NASA CEA）、结构质量估计、气动系数表、二维轨迹优化和LCA学科；LCA遵循ISO 14040/14044四阶段和EF方法，用Brightway2与lca_algebraic构建参数化前景/背景LCI；一次排放由NASA CEA估算，二次排放采用Fischer等模型并以Kriging代理模型加速，以GWP₁₀₀表征；多目标优化用COMO-CMA-ES与NSGA-II。无样本队列；案例为从圭亚那航天中心发射、向800 km赤道圆轨道运送21 t载荷的TSTO LOx/LCH₄运载火箭。

研究结果如下。**4.1 测试用MDAO框架描述**：通过单目标最小化GLOW获得基线TSTO LOx/LCH₄运载火箭，GLOW约550.85 t；按EF方法计算，基线GWP₁₀₀约276.3 tCO₂-eq·t_payload^?1，水使用约982 658.53 m³world-eq·t_payload^?1，化石燃料资源耗竭潜势（Abiotic Depletion Potential, ADP）约2 450 407.96 MJ·t_payload^?1，金属/矿物ADP约16.75 kgSb-eq·t_payload^?1，臭氧耗竭潜势（Ozone Depletion Potential, ODP）约0.01 kgCFC-11-eq·t_payload^?1，产品环境足迹（Product Environmental Footprint, PEF）单一得分约3983.28 pts·t_payload^?1；GWP贡献约为部件生产35%、推进剂生产33%、发射排放32%、运输0%。与已有运载火箭LCA研究比较，GWP处于同一数量级但偏低，可能反映系统边界和建模假设差异。**4.2 多目标优化**：通过将LCA学科嵌入优化回路，构建以GLOW和环境指标为双目标的Pareto优化，采用COMO-CMA-ES与NSGA-II混合策略，并对代表解进行K-medoids聚类分析。**4.2.1 最小化GLOW与GWP**：通过GLOW-GWP双目标Pareto分析，最小GWP解相比最小GLOW解GLOW增加约1.3%、GWP降低约1.5%；一级O/F₁增加约10.8%，二级推进剂质量m_prop,2降低约12.3%，二级质量流率?₂降低约13.8%，二级长度降低约10.4%，二级干质量降低约9.9%，一级干质量增加约1.9%；总推进剂增加约7 t导致GLOW升高。约75%的GWP降低来自发射排放，增加O/F₁减少甲烷消耗并降低飞行排放；液氧生产气候影响较低，故推进剂生产影响未增加；二级更轻且含航电和电源系统等高GWP贡献部件，使部件生产影响略降。PEF单一得分分析显示，最小化GWP会显著增加水使用，主要因液氧生产耗水，水使用对PEF变化的贡献绝对值常大于气候变化，故PEF常恶化；金属/矿物ADP与干质量及级间分配相关，化石ADP与甲烷生产相关。结论是GWP与其他环境影响存在拮抗，单一得分定义很关键。**4.2.2 最小化GLOW与水使用**：通过GLOW-水使用双目标Pareto分析，最小水使用解相比最小GLOW解GLOW增加约0.7%、水使用降低约0.7%；O/F₁降低约8.0%，O/F₂降低约1.7%，m_prop,2降低约1.6%，?₂降低约3.9%，二级干质量降低约1.8%，GWP增加约2.1%。主要驱动是降低O/F₁以减少液氧消耗并增加甲烷份额；其他环境影响多增加，尤其GWP和化石ADP；金属/矿物ADP不随GLOW或水使用单调变化，与干质量在两级间重分配及航电、电源系统等高材料强度子系统有关。结论是水使用设计空间接近最小GLOW解，性能与水使用权衡较弱，但与GWP等指标明显拮抗。**4.2.3 最小化GLOW与PEF单一得分**：通过GLOW-PEF双目标Pareto分析，最小PEF解相比最小GLOW解GLOW增加约1.5%、PEF降低约1.4%；m_prop,2降低约21.0%，?₂降低约25.5%，二级干质量降低约17.4%，二级长度降低约17.1%，一级干质量增加约1.4%，一级长度增加约6.4%；GWP降低约0.1%，水使用增加约0.7%，金属/矿物ADP降低约2.6%。PEF主要由金属/矿物ADP支配，最小化PEF在现行定义下近似等价于降低二级相对一级的质量，以减少部件生产影响；发射排放贡献基本恒定，推进剂生产相对增加但被部件生产减少抵消；PEF分布约为部件生产69%、推进剂生产25%、发射排放6%。结论是不同环境指标驱动冲突的设计选择。**4.3 方法综合与展望**：通过上述多目标优化综合可见，GLOW-GWP优化主要调整O/F₁和发射排放，GLOW-水使用优化方向相反，GLOW-PEF优化偏向最低干质量并以更高推进剂质量为代价；PEF单一得分受金属/矿物ADP支配，可能掩盖其他指标变化和子系统级权衡。这些耦合无法通过逐学科方法一致捕捉，只能在集成LCA学科的全局MDAO框架中处理。趋势依赖案例定义、运载火箭架构、推进剂组合、学科物理建模假设和LCI细节；Pareto前沿较窄反映固定架构和推进剂组合下设计自由度有限；将推进剂组合等作为离散设计变量、纳入更多环境指标、改进高空排放表征和空间专用数据是未来方向；方法模块化，可随更准确数据、排放模型和表征因子逐步改进。

讨论部分总结：研究人员强调环境优化不能以单维视角处理，需在运载火箭生态设计中明确环境优先级，因为指标选择直接驱动设计决策和权衡；结果依赖架构、物理建模假设和清单细节；高空发射排放表征仍有显著知识缺口，相关热点可能随认识提高而改变；方法具有通用性和模块化，可适配不同MDAO问题表述并逐步改进。研究结论部分可译为：研究人员提出一种将LCA学科集成到运载火箭设计MDAO框架的方法，以在运载火箭性能与环境影响之间实现知情权衡。该方法依赖参数化生命周期清单，其依赖MDAO框架的设计与耦合变量并可快速计算环境影响，使LCA沿优化过程持续更新；范围包括级部件和推进剂生产及运往发射场的运输；并利用文献中现有模型从优化轨迹剖面评估发射排放，基于可用指标以GWP表征气候变化影响。所得LCA学科适合MDAO集成，使环境考量可在运载火箭早期设计阶段与成本和性能等准则一并纳入。该方法应用于代表性中型可消耗TSTO LOx/LCH₄运载火箭设计案例；多目标优化最小化GLOW与GWP、与水稀缺相关的水使用或PEF单一得分，结果揭示影响类别间存在竞争效应，表明环境优化不能通过单一维度处理，并凸显明确环境优先级的必要性；分析依赖所选运载火箭架构、学科物理建模假设和生命周期清单细节；方法支持多准则优化、纳入额外设计变量并随更准确数据逐步改进学科模型，为将LCA纳入运载火箭早期设计过程奠定了基础。