重型運載火箭大比拼中美俄三國爭鋒

□ 張雪松 展鵬飛

重型運載火箭大比拼中美俄三國爭鋒

□ 張雪松 展鵬飛

▲ SLS重型火箭示意圖

在2017年6月北京召開的全球航天探索大會上，中國航天再次公布了未來的重型火箭方案，并提到火箭預計2028年進行首次發射。巧合的是，6月8日塔斯社報道俄羅斯提前進行重型火箭的研制，同樣打算2028年在東方發射場進行首次發射。美國的SLS重型火箭將于2019年首飛，但完全版SLS Block II也將在2028年左右發射。中美俄三國的重型火箭將幾乎同時投入使用，將在十余年后開展載人深空探索競賽。

重型火箭一般是指近地軌道運載能力大于50噸的火箭，目前這類火箭主要用于地球軌道之外的飛行任務，其典型代表就是美國的“土星5號”運載火箭。“土星5號”運載火箭是為載人登月研制的重型火箭，近地軌道運力118噸，月球轉移軌道運力45噸，可以將“阿波羅”飛船和登月艙一次射入月球轉移軌道。自“阿波羅”登月以來，雖然航天商業化發展日益興盛，但重型火箭仍然沒有商業需求，需求始終來自政府推動的深空載人航天計劃。21世紀初美國提出“重返月球”的星座計劃，后來又提出飛向小行星和火星，帶動了重型火箭的發展，最終成為現在即將首射的SLS火箭。面對美國載人航天的發展，俄羅斯和中國也先后將目光轉向載人登月概念研究，中俄兩國的重型火箭，其首要目標正是支持本國的深空探測計劃。

坎坷頗多的美國SLS火箭

美國航宇局有世界第一的預算支持，又有“土星5號”和航天飛機的成功經驗和技術，不過21世紀初美國總統小布什決定重返月球后，“戰神5號”重型火箭的研制并不順利。為了發射越來越重的載人登月艙，“戰神5號”火箭近地軌道運力從130噸一路飆升到188噸，火箭不斷更改設計方案，結果續任的總統奧巴馬決定中止重返月球的星座計劃時，“戰神5號”火箭目前還停留在紙面上。奧巴馬將目標指向小行星和火星，而重型火箭在美國參議院力保之下繼續推進，只不過名字換成了空間發射系統（SLS）。SLS火箭吸取了“戰神5號”火箭好高騖遠反而一事無成的教訓，直接使用航天飛機和“戰神5號”已有的技術，比如SSME發動機和5段式固體助推器，還有來自德爾塔4火箭的氫氧低溫上面級iCPS，構成了腳踏實地的SLS Block I型火箭。SLS Block I火箭的近地軌道運載能力可達70噸，月球轉移軌道運力也有約24噸，可以將一艘“獵戶座”飛船射向月球。美國2019年的SLS首次發射，就是使用SLS Block I發射一艘不載人的“獵戶座”飛船繞月后返回。SLS火箭要是只能發射一艘載人飛船，那實在是難堪大用，美國接下來要研制改進型的SLS Block IB型火箭，這種火箭把臨時的iCPS上面級換成了專門研制的EUS上面級，8.4米直徑的EUS上面級使用RL10-C3氫氧發動機，近地軌道運載能力提高到105噸，月球轉移軌道運載能力更是達到了40噸，足以進行類似“阿波羅”的載人登月任務。

根據美國宇航局的載人深空探索計劃，2021年后將使用SLS Block IB火箭發射月球門戶站的生活艙和服務艙，以及載人和貨運飛船。美國2028年左右還將推出SLS火箭的終極型號，也就是SLS Block II型火箭，它主要的改進是使用了性能大幅度提升的先進助推器，將近地軌道運載能力提高到130噸，月球轉移軌道運載能力可達50噸，從而更好地服務美國未來的載人登月和載人火星任務。

自求多福的俄羅斯重型火箭

▲ 俄羅斯重型火箭示意圖

俄羅斯航天繼承了蘇聯時代雄厚的航天工業基礎，同樣在重型火箭上擁有豐厚的儲備。蘇聯由于N-1重型火箭的連續失敗，最終輸掉了載人登月競賽，痛定思痛之后蘇聯下大力氣發展重型火箭，耗費巨資研制了強大的“能源”號火箭。“能源”號火箭雖然只有兩次發射，但它為俄羅斯留下了RD-0120大推力氫氧發動機和RD-170/171大推力液氧煤油發動機，以及大直徑氫氧芯級儲箱的技術。基于這筆豐厚的資產，俄羅斯不僅研制了RD-180液氧煤油發動機出口美國創匯，還研制了RD-191液氧煤油發動機成為新一代“安加拉”火箭的基礎。

21世紀俄羅斯國力有所恢復，加上美國重返月球的刺激，俄羅斯也提出了載人登月的規劃，并決定研制重型運載火箭。由于俄羅斯經濟不時出現反復，2014年后烏克蘭危機帶來的封鎖，更是讓俄羅斯經濟和財政雪上加霜，俄羅斯航天部門甚至提出了研制“安加拉”5V火箭湊合的想法，不過現在看來，研制重型火箭的一派又占了上風。

俄羅斯的重型火箭將在能源設計局的“能源”-5VR和“能源”-5V兩種方案中選擇一種，它們都源自更早的“能源”-5K方案，在發動機技術上和蘇聯時代的“能源”號火箭也有著切不斷的聯系。目前來看，能源-5V/ VR重型火箭方案都將使用RD-171液氧煤油發動機作為助推器和芯一級，芯二級將使用新研制的RD-0150氫氧發動機，5VR構型芯三級直接使用 R D-58MF液氧煤油發動機，而5V構型增加了一個使用RD-0146氫氧發動機的芯三級，把 R D-58MF發動機放到第四級。“能源”-5V/VR起飛質量約2400噸，近地軌道運載能力約為100噸，但這種簡化版重型火箭的研制同樣花費不菲，有報道稱“能源”-5系列重型火箭及其發射場的研制和建設，將耗資260億美元。如果未來俄羅斯航天預算沒有較大幅度的增長，2028年如期發射能源-5V/VR重型火箭是不現實的。

穩步推進的中國大火箭

▲ 新一代火箭家族

中國嫦娥探月的“繞、落、回”三步走計劃即將進行第三步，有外媒分析無人探測之后我國可能展開“探、登、駐”的后續大三步計劃，也就是實現載人登月和月球基地（駐月）。去年11月3日，我國成功發射了長征五號大型運載火箭，但它的同步轉移軌道運載能力只有14噸，月球轉移軌道運力更是只有約8.2噸，換句話說也就是能把一艘神舟飛船打入飛向月球的軌道，這對載人登月和建立月球基地是遠遠不夠的。中國航天科技集團公司一直開展重型火箭的預研，目前我國正在開展長征九號關鍵技術的攻關。

根據2017年全球航天探索大會上中國航天科技集團公司一院公開的方案，暫命名為長征九號的重型運載火箭將使用捆綁4個液體助推器的構型，火箭近地軌道運載能力可達140噸，月球轉移軌道運力為50噸。如果研制順利的話，按計劃2028年前后長征九號火箭將進行首次發射，它以強大的運載能力，將為中華民族實現登月的千年夢想提供有力的支持。★