國外重型運載火箭發展趨勢述評①

馬志濱，何麟書

(北京航空航天大學宇航學院，北京 100191)

0 引言

重型運載火箭是指將起飛質量在2 000 t以上，或者近地軌道(200 km圓軌道)運載能力達到90～100 t以上的運載火箭。該種火箭具有結構尺寸大、起飛推力大、研制和發射成本高等特點。20世紀60年代以來，美、俄(或前蘇聯)兩國先后研制出重型運載火箭，借助重型運載火箭，人類登上月球，實現了天地往返，在人類開發利用外空資源上發揮了重要作用。進入21世紀，美國政府提出了重返月球計劃，計劃實施載人登陸小行星，進而實現載人探測火星計劃，并提出研制新型重型運載火箭的規劃設想。雖然目前這一計劃已轉向航天發射系統(Space Launch System，SLS)，但新型重型運載火箭的規劃設想主旨不變。

運載火箭發展規劃的核心問題是總體構型方案，包括箭體直徑、發動機選型問題，同時兼顧解決技術繼承性問題。本文通過對國外重型運載火箭發展脈絡進行分析，以期找出一些趨勢性規律結果，為我國重型運載火箭后續發展規劃工作，特別是總體構型方案選擇提供借鑒。

1 國外重型運載火箭情況

迄今為止，世界上已經投入使用或計劃研制的重型運載火箭有美國的土星-5號載人運載火箭［1］、可重復使用的航天飛機［1］、前蘇聯的N-1載人運載火箭、能源號火箭［1］、美國星座計劃中的戰神-5火箭［2］以及剛剛公布的美國航天發射系統(SLS)［3］。美、俄(或前蘇聯)先后研制的多種重型運載火箭的主要技術參數見表1。

1.1 土星-5火箭

土星-5火箭是美國Apollo載人登月計劃使用的重型載人運載火箭，火箭為三級結構。一子級箭體直徑10.06 m，使用5臺大推力F-1液氧煤油發動機，單臺推力達到6 806 kN;二子級直徑10.06 m、三子級直徑6.6 m，均使用液氫液氧推進劑，分別安裝了5臺、1臺J-2氫氧發動機，J-2發動機單臺真空推力為1 030 kN。土星-5火箭總長110.6 m、起飛質量2 946 t，起飛推力3 472 t，近地軌道運載能力117 t，奔月軌道運載能力約47 t。1957年開始研制，1967年11月成功實現首飛，共進行了13次發射，并全部成功。

1.2 N-1 火箭

N-1火箭是前蘇聯用于載人登月的重型運載火箭。火箭采用五級的構型方案，火箭各級均使用液氧煤油推進劑。一子級使用30臺NK-33發動機捆綁組成，其布局為中心6臺，周圍24臺;二子級、三子級、四子級和五子級分別使用了8臺、4臺、1臺、1臺液氧煤油發動機。火箭呈錐形，一子級最大直徑達到17 m。N-1起飛質量為3 080 t，起飛推力達4 620 t，近地軌道運載能力約為100 t。該型火箭研制過程極為不順利，4次飛行試驗全部以失敗告終。在美國Apollo計劃率先實現了人類的首次載人登月后，蘇聯終止了N-1火箭的研制，并取消了載人登月計劃。

表1 國外重型運載火箭主要技術參數表Table 1 Parameters of heavy-lift launch vehicles of foreign countries

1.3 美國航天飛機

美國航天飛機是世界上第一種往返于地面和宇宙空間的部分重復使用的航天運載器，按設計要求每架軌道飛行器可重復使用100次。航天飛機由軌道飛行器、外貯箱、固體助推器等3大部分組成。軌道飛行器采用氫氧主發動機，單臺發動機真空推力約213 t，推進劑全部貯存于外貯箱中，主發動機關機后外貯箱被拋棄，外貯箱直徑8.38 m;2個大型固體助推器，直徑3.7 m，單個助推器推力約為1 315 t。起飛質量約2 041 t，起飛推力3 143 t，入軌有效載荷質量約30 t(不含軌道飛行器)。航天飛機共進行了135次飛行，遭受2次重大事故，2011年退役。

1.4 能源號火箭

能源號火箭是前蘇聯研制的一種通用重型運載火箭，它可以運送暴風雪號軌道飛行器，還可以向近地軌道發射大型軍用和民用衛星。火箭由芯級、助推器組成。芯級捆綁了4個相同的液體火箭助推器，芯級直徑7.75 m，安裝4臺真空推力1 962 kN的RD-0120氫氧發動機;助推器直徑3.9 m，每個助推器采用1臺海平面推力7 252 kN的RD-170液氧煤油發動機，火箭全長約 58.7 m，起飛質量約 2 220 t，起飛推力約3 616 t。近地軌道運載能力100 t。

1.5 戰神-5火箭

戰神-5火箭是美國星座計劃中研制的重型貨運火箭，采用了兩級全氫氧芯級捆綁大推力固體助推器的構型方案。芯一級、二級直徑為10 m，芯一級使用6臺RS-68B氫氧發動機，單臺推力3 122 kN;二級使用1臺J-2X氫氧發動機，推力1 059 kN;固體助推器直徑3.7 m，單臺推力16 860 kN。火箭全長110 m，起飛質量為3 705 t，起飛推力5 352 t，近地軌道運載能力160 t，奔月軌道運載能力63 t。

1.6 航天發射系統(SLS)

美國奧巴馬政府在終止了星座計劃和戰神-5火箭研制的同時，提出了“2025年實現載人登陸小行星，2030年載人登陸火星并安全返回”的遠期探索目標。研制近地軌道運載能力130 t的重型運載火箭(SLS)，如圖1所示。

SLS研制計劃分為3個階段:

(1)第一階段。到2017年，SLS首次執行無人環月飛行任務，火箭研制最大化地基于現有航天飛機技術和生產設施，采用航天飛機外貯箱改造芯一級+航天飛機主發動機RS-25D+航天飛機固體助推器的基礎級，配以新研制的德爾它-4載人火箭上面級，構造近地軌道運載能力70 t的重型載人火箭。

(2)第二階段。通過競爭，在液體助推器和固體助推器中最后選出確定的構型，到2024年實現新構型火箭首飛，2025年執行載人登小行星任務。

(3)第三階段。到2032年，通過一系列改進，包括采用改進后的RS-25E發動機、增加芯一級發動機臺數、上面級改用J-2X發動機并增大規模，實現近地軌道130 t的最終目標。

2 國外重型運載火箭發展特點和趨勢分析

通過分析，重型火箭的構型特點和發展趨勢具有以下4個特點:

(1)重型運載火箭由傳統的串聯構型向捆綁助推器構型發展，以提高任務適應性

美國和前蘇聯早期研制的重型運載火箭，如土星-5和N-1火箭，都使用了多級串聯構型方案。該類火箭的優點是在同等發動機條件下系統的結構緊湊、對接結構簡單、裝配、運輸簡單、運載效率較高、所需研制時間較短;缺點是火箭需要大直徑箭體結構，飛行中第二級及以后各級發動機需要高空低壓點火，帶來高空點火的復雜性和可靠性問題，火箭長細比大，對飛行中彈性穩定性不利，火箭拓展性不好，只能滿足單一特定任務［4］。

阿波羅計劃后的重型運載火箭，如航天飛機、能源號火箭、戰神-5火箭及新一代重型運載火箭SLS，都采用了捆綁助推器的構型。這種構型可以縮短火箭長度，穩定性好，一級半構型發射近地軌道有效載荷時，所有發動機均可地面點火，發射可靠性高，通過對助推器數量、火箭級數或推進劑加注量的調整，可衍生出系列拓展構型，運載能力覆蓋面大，任務適應性好。

(2)重型運載火箭采用大直徑箭體和大推力發動機

箭體直徑是決定火箭運載能力最重要的因素之一，箭體直徑大小決定了火箭的的規模和能力。從對國外十余種大型、重型運載火箭的箭體直徑和運載能力的統計分析結果(圖2)可以看出，火箭運載能力與箭體直徑之間存在著接近線性的正相關關系。正是因為存在這樣的關系，其突出共性特點是都使用了大直徑箭體。

國外重型運載火箭的另一個特點是都使用大推力發動機作為動力。使用大推力發動機可以有效減少發動機數量，降低火箭總體的復雜度，有利于提高可靠性。例如，土星-5火箭芯一級使用5臺單臺推力約700 t的F-1液氧煤油發動機，能源號助推器使用單臺推力達740 t的RD-170發動機，航天飛機和戰神-5火箭的固體助推器單臺推力超過1 000 t。N-1火箭是個例外，它的一級使用的NK-33發動機單臺推力只有154 t，而火箭起飛質量達到3 080 t，為了達到起飛推重比的要求，一級使用了多達30臺發動機，同時為保證發動機布局空間，一級直徑達17 m。由于起飛時發動機臺數多，系統復雜，火箭可靠性低，4次飛行試驗全部以失敗告終。

(3)動力系統選擇上充分發揮液體、固體發動機的優勢，實現最佳動力組合

液體發動機有其性能比沖高(最高可達460 s)、工作時間長、推力可調節、空中多次啟動等優點，是重型火箭芯級和上面級發動機的首選;固體發動機有其密度比沖高、可靠性高、使用維護簡單、研制成本低等優點［5］，使用在助推器上可有效降低運載火箭的規模。美國航天飛機、戰神-5火箭和新型航天發射系統均采用了這種組合方式，通過這種組合還可以減少一級箭體結構，發射近地軌道有效載荷時可采取一級半構型結構，所有發動機均地面點火，以提高發射可靠性。另外，固體助推器可以回收和可重復使用，可有效降低發射成本。

俄羅斯的大型、重型火箭采用捆綁液體助推器構型，這與俄羅斯在液體發動機研制方面有長期的技術積累和經驗，并與該領域達到了無人企及的水平有關。對于綜合實力一般、也沒有完全掌握液體發動機技術的國家，發展大推力固體發動機是提高火箭運載能力的一個相對簡便、快捷的途徑。由于固體發動機通過增加分段數提高推力較容易，使得捆綁固體助推器構型的火箭在提高運載能力方面更具優勢。

(4)發動機要充分利用成熟技術

采用成熟技術和通用組件有利于減小研制難度和風險，降低研制和發射成本，成為各國未來發展新型重型運載火箭的有效途徑。美國在研制戰神-1和戰神-5時就充分利用了航天飛機、土星-5、德爾它-4火箭的成熟技術，并在此基礎上加以改進。戰神-1的第一級與戰神-5的固體火箭助推器都是在航天飛機的可重復使用固體火箭助推器基礎上發展而來的，戰神-5的芯級由航天飛機外貯箱改進而來，6臺RS-68B氫氧發動機［6］是由德爾它-4火箭主發動機改進而來的。2種火箭的第二級發動機J-2X也完全相同，是在土星-5的J-2發動機基礎上改進的，如圖3所示。

美國新型重型火箭SLS也是借用了航天飛機的固體助推器和主發動機RS-25。前蘇聯在進行能源號火箭方案論證時，也是采用本國技術發展較為完善的液氧煤油發動機構建液體助推器。

3 結束語

(1)回顧國外重型運載火箭的演變可以看出，各國根據自身技術基礎和需求的不同，在選擇技術方案上各有特點，早期研制的重型火箭，主要強調滿足特定任務需要的符合性;近期計劃研制的重型火箭，強調技術先進性、多任務適應性和可持續性。

(2)重型運載火箭在基本型火箭論證中在運載能力上要考慮與現役火箭銜接，充分重視多任務的適應性和可拓展性，兼顧系列化發展。

(3)重型運載火箭研制要根據本國的國情、技術優勢和基礎，要關注繼承性和經濟性，充分利用成熟技術，最大限度地利用現有資源，降低研制風險和研制成本。

(4)通過重型運載火箭大推力固體助推器的發展，帶動我國固體發動機能力和技術水平整體上臺階，為我國固體運載火箭發展奠定堅實的技術基礎。

［1］《世界航天運載器大全》編委會.世界航天運載器大全(第2版)［M］.北京:宇航出版社，2007.

［2］Sumrall J.Foundation for heavy lift:Early developments in the ares V launch vehicle［R］.AIAA 2007-5833.

［3］佟艷春，才滿瑞.美國新一代重型運載火箭發展分析［J］.國外航天運輸系統動態.2011(4).

［4］《液體彈道導彈與運載火箭系列叢書》編委會.液體彈道導彈與運載火箭系列叢書:總體設計(上冊).［M］.北京:宇航出版社，1991.

［5］王之任.近代大型液體火箭發動機的特點［J］.推進技術，1991(4):29-35.

［6］Hart D M.The boeing company EELV/Delta IV family［R］.AIAA 98-5166.