漫話大重型運載火箭

尹懷勤

太空發射系統（SLS）的設計概念圖

運載火箭是把各種航天器送入空間軌道的運載工具，它是人類克服地球引力進行宇宙航行的重要手段。換句話說，火箭是天地往返的運載動力裝置，其運載能力決定一個國家的航天能力。在運載火箭家族中，大型、重型火箭代表著一個國家的最高科技水平，是國家綜合實力的體現。

經過幾十年的努力，美、俄、中等國相繼推出了自己的大重型運載火箭或新的研制方案。據報道，中國新一代大型運載火箭——長征五號計劃于今年在海南文昌衛星發射中心進行首次發射;美國新一代運載火箭——太空發射系統（SLS）近日對其火箭助推器進行了一次成功的試驗發射;無獨有偶，俄羅斯新一代重型運載火箭也將在今年確定最終方案。那么，什么是大重型運載火箭？人類研制成功過哪些大重型運載火箭？研制大重型運載火箭有何重要意義呢？

運載火箭的分類

按照運載能力劃分，運載火箭分為小型、中型、大型和重型4類。由于各國運載火箭技術發展階段的不同，所以對運載火箭的規模定義劃分也是不同的。

在我國，一般將近地軌道運載能力為2噸及其以下的火箭稱為小型運載火箭;近地軌道運載能力為2～20噸的火箭稱為中型運載火箭;近地軌道運載能力為20～50噸的火箭稱為大型運載火箭;近地軌道運載能力為50噸及其以上的火箭稱為重型運載火箭。

2014年12月19日，印度研制的GSLV-MK3火箭成功進行了亞軌道飛行試驗，該型火箭近地軌道運載能力達到10噸、地球同步轉移軌道運載能力達到4噸。雖然印方將GSLV-MK3稱為重型火箭，但按上述標準，它其實與我國長征二號E、長征三號乙同屬于中型運載火箭。

2014年12月23日俄羅斯成功發射的安加拉A5火箭，與我國正在研制的長征五號B火箭能力相當，同屬于大型運載火箭，還不能算作重型運載火箭。安加拉A5發射重量達到773噸，近地軌道的最大運載能力達到24噸。長征五號B運載火箭是長征五號系列里近地軌道運載能力最大的火箭，達到25噸，將用來發射重量約20噸的未來中國空間站的核心艙。

重型運載火箭爭雄

最后一枚土星五號火箭用于發射阿波羅17號飛船

直至目前，世界上只有美、蘇兩國研制過重型運載火箭。土星5號運載火箭是美國發射阿波羅載人登月飛船用的動力裝置，也是世界上首次成功使用的第一種重型運載火箭。發射前，飛船安裝在火箭的項端，加上逃逸塔整個系統高達110米，總重達3200噸，完全是一個龐然大物。

土星5號火箭自身高度85米，最大直徑為10.1米，可把127噸重的人造地球衛星送入近地軌道，能把50噸重的飛船送入奔月軌道，乃是迄今為止世界上已經投入使用的推力最大的運載火箭。發射阿波羅飛船時，自下而上的一、二、三級火箭逐級工作。高為42米的一級火箭，中心是一個以煤油和液氧為推進劑的F-5發動機，周圍捆綁著4個同樣型號的發動機。發動機上面是裝有2000多噸煤油和液氧的推進劑貯箱，還有推進劑輸送系統。煤油是燃燒劑，液氧是氧化劑。發射時5臺發動機同時點火啟動，產生3500多噸的推力。工作兩分半鐘使火箭和飛船達到每秒2.7千米的速度并處于60多千米的高空后一級火箭脫離。5臺J-2型發動機組成的二級火箭點火工作，其推進劑用的是400多噸的液氫和液氧，推力達521噸，可工作6分多鐘。當其完成任務脫離時火箭和飛船速度達到每秒6.8千米并進入180千米的高空。隨即由一臺能多次啟動的J-2型發動機構成的三級火箭點火工作，它產生的推力為102噸，分兩次點火。當其推進劑耗盡而船箭分離時，速度可達到每秒10.8千米，最終能把飛船送上預定的奔月軌道。

土星5號火箭共進行了13次發射，全部成功，曾把12名航天員送上月球。這對于零部件達500多萬個的重型運載火箭來說，簡直就是一個奇跡。在冷戰的大背景下，土星5號火箭主要針對阿波羅載人登月任務的單一需求而研制，因此在阿波羅計劃結束后，土星5號火箭就被送進了博物館。

在美國宣布實施阿波羅計劃后不久，蘇聯也制定并開始實施自己的載人登月計劃，N-1火箭就是蘇聯為實現載人登月而研制的重型運載火箭，但遺憾的是，由于前4次飛行試驗全都失敗了，導致該計劃提前告終。

根據設計，N-1火箭呈錐形，總高度105米，起飛推力約4626噸，近地軌道運載能力約100噸。由于N-1火箭沒有使用高性能的液氫液氧推進劑，且在高緯度地區發射，能夠利用的地球自轉速度較小，因此其運載效率受到了影響，雖然起飛推力超過了土星5號火箭，但運載能力卻比土星5號火箭低了不少。

能源號運載火箭則作為蘇聯的重型運載系統得以成功發射，其近地軌道的最大運載能力為105噸。該火箭在1988年把暴風雪號航天飛機送上了太空，但后來蘇聯停止了航天飛機計劃，加之該火箭運載能力太大，找不到用武之地，后來就被俄羅斯政府取消了。但從能源號火箭的發動機發展出的天頂號火箭仍在服役。

長征五號火箭家族

長征五號系列運載火箭分為6種構型，用字母A～F表示。其中構型A、B、C為捆綁著助推器的一級半火箭結構，主要用于發射近地軌道航天器;構型D、E、F為捆綁著助推器的二級半火箭結構，主要用于發射高軌道航天器。其中構型D為基本型。

長征五號火箭通過多種組合形成不同的構型

長征五號采用模塊化設計，火箭各組成部分對應不同的模塊：芯一級對應5米直徑火箭芯級模塊，芯二級對應5米直徑火箭上面級模塊，3.35米直徑助推器對應3.35米直徑火箭助推級模塊，2.25米直徑助推器對應2.25米直徑火箭助推級模塊。4種基礎模塊根據不同方式搭配再加上整流罩等火箭部件就形成6種不同構型的火箭。

長征五號E運載火箭是長征五號系列中最大的火箭。該火箭采用二級半構型，由整流罩、5米直徑的芯級和4個3.35米直徑的助推器構成。火箭全長63.2米，起飛質量850噸，地球同步轉移軌道的運載能力將達到14噸，可能被用于發射中國返回式月球探測器。

長征五號運載火箭是中國新一代運載火箭中的主力軍，其發射平臺正在海南文昌發射場組裝調試。與長征三號系列運載火箭相比，長征五號有很多新特性，比如運載能力大、無毒無污染、可靠性高、投入產出比更大。長征五號還有一個特點：系列化、通用化、組合化，一種火箭多種構型，具有較全的各級推力火箭體系，適應能力更寬。此外，長征五號的最大起飛重量可達784.5噸，有效載荷大，近地軌道載荷達25噸。長征五號未來主要用于深空探測和登月計劃，包括嫦娥五號衛星的發射。

中國已于2011年制定了重型運載火箭的方案，近地軌道的運載能力為100噸，通過模塊的重組可以達到125～130噸，計劃2028年首飛。

新一代大重型運載火箭

完成總裝的長征五號運載火箭近日正式亮相，它是我國在研運載能力最大、尺寸最大的火箭。

美蘇的重型運載火箭之爭隨著冷戰的結束而落幕，但新一代大重型運載火箭的開發又被提上了日程。

為了進行載人登陸火星和小行星的任務，美國于2011年確定了新一代太空發射系統（SLS）的設計，包括研制太空發射系統重型運載火箭和獵戶座載人飛船。初期的太空發射系統全長97.5米，起飛質量2495噸。3臺液氫液氧發動機外加2臺固體助推器，提供了高達3810噸的起飛推力，比發射阿波羅載人登月飛船的土星5號火箭的起飛推力還高了10%。不過太空發射系統初期使用的低溫上面級發動機推力太小，只具備將70噸的有效載荷發射送入軌道。

最終版本的太空發射系統全長122米，起飛質量增加到2948噸。第一級將改用5臺液氫液氧發動機，上面級直徑也增加到和芯級一樣的8.4米，發動機為1～3臺大推力的J-2X低溫發動機，能夠將130噸的有效載荷送入太空預定軌道。有了如此強大的火箭，就可以將各種深空探測器送入更遙遠的宇宙空間，探索太陽系的各個角落。

為了重振雄風，俄羅斯正在研發安加拉運載火箭系列，最新的安加拉A5大型運載火箭已于2014年12月23日發射成功。未來還可能研發近地軌道最大運載能力達到35噸的安加拉A7大型火箭，以及近地軌道運載能力可達110噸的安加拉100重型火箭。根據規劃，運載能力為80～85噸的重型火箭將于2028年首次執行探月任務。

【責任編輯】龐 ?云