馬志濱，何麟書

(北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100191)

0 引言

重型運(yùn)載火箭是指將起飛質(zhì)量在2 000 t以上，或者近地軌道(200 km圓軌道)運(yùn)載能力達(dá)到90～100 t以上的運(yùn)載火箭。該種火箭具有結(jié)構(gòu)尺寸大、起飛推力大、研制和發(fā)射成本高等特點(diǎn)。20世紀(jì)60年代以來，美、俄(或前蘇聯(lián))兩國先后研制出重型運(yùn)載火箭，借助重型運(yùn)載火箭，人類登上月球，實(shí)現(xiàn)了天地往返，在人類開發(fā)利用外空資源上發(fā)揮了重要作用。進(jìn)入21世紀(jì)，美國政府提出了重返月球計劃，計劃實(shí)施載人登陸小行星，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)載人探測火星計劃，并提出研制新型重型運(yùn)載火箭的規(guī)劃設(shè)想。雖然目前這一計劃已轉(zhuǎn)向航天發(fā)射系統(tǒng)(Space Launch System，SLS)，但新型重型運(yùn)載火箭的規(guī)劃設(shè)想主旨不變。

運(yùn)載火箭發(fā)展規(guī)劃的核心問題是總體構(gòu)型方案，包括箭體直徑、發(fā)動機(jī)選型問題，同時兼顧解決技術(shù)繼承性問題。本文通過對國外重型運(yùn)載火箭發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行分析，以期找出一些趨勢性規(guī)律結(jié)果，為我國重型運(yùn)載火箭后續(xù)發(fā)展規(guī)劃工作，特別是總體構(gòu)型方案選擇提供借鑒。

1 國外重型運(yùn)載火箭情況

迄今為止，世界上已經(jīng)投入使用或計劃研制的重型運(yùn)載火箭有美國的土星-5號載人運(yùn)載火箭［1］、可重復(fù)使用的航天飛機(jī)［1］、前蘇聯(lián)的N-1載人運(yùn)載火箭、能源號火箭［1］、美國星座計劃中的戰(zhàn)神-5火箭［2］以及剛剛公布的美國航天發(fā)射系統(tǒng)(SLS)［3］。美、俄(或前蘇聯(lián))先后研制的多種重型運(yùn)載火箭的主要技術(shù)參數(shù)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(yùn)載火箭，火箭為三級結(jié)構(gòu)。一子級箭體直徑10.06 m，使用5臺大推力F-1液氧煤油發(fā)動機(jī)，單臺推力達(dá)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(jìn)劑，分別安裝了5臺、1臺J-2氫氧發(fā)動機(jī)，J-2發(fā)動機(jī)單臺真空推力為1 030 kN。土星-5火箭總長110.6 m、起飛質(zhì)量2 946 t，起飛推力3 472 t，近地軌道運(yùn)載能力117 t，奔月軌道運(yùn)載能力約47 t。1957年開始研制，1967年11月成功實(shí)現(xiàn)首飛，共進(jìn)行了13次發(fā)射，并全部成功。

1.2 N-1 火箭

N-1火箭是前蘇聯(lián)用于載人登月的重型運(yùn)載火箭。火箭采用五級的構(gòu)型方案，火箭各級均使用液氧煤油推進(jìn)劑。一子級使用30臺NK-33發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)?；鸺叔F形，一子級最大直徑達(dá)到17 m。N-1起飛質(zhì)量為3 080 t，起飛推力達(dá)4 620 t，近地軌道運(yùn)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(yàn)全部以失敗告終。在美國Apollo計劃率先實(shí)現(xiàn)了人類的首次載人登月后，蘇聯(lián)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(yùn)載火箭主要技術(shù)參數(shù)表Table 1 Parameters of heavy-lift launch vehicles of foreign countries

1.3 美國航天飛機(jī)

美國航天飛機(jī)是世界上第一種往返于地面和宇宙空間的部分重復(fù)使用的航天運(yùn)載器，按設(shè)計要求每架軌道飛行器可重復(fù)使用100次。航天飛機(jī)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(fā)動機(jī)，單臺發(fā)動機(jī)真空推力約213 t，推進(jìn)劑全部貯存于外貯箱中，主發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)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(zhì)量約2 041 t，起飛推力3 143 t，入軌有效載荷質(zhì)量約30 t(不含軌道飛行器)。航天飛機(jī)共進(jìn)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(lián)研制的一種通用重型運(yùn)載火箭，它可以運(yùn)送暴風(fēng)雪號軌道飛行器，還可以向近地軌道發(fā)射大型軍用和民用衛(wèi)星?；鸺尚炯墶⒅破鹘M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(fā)動機(jī);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(fā)動機(jī)，火箭全長約 58.7 m，起飛質(zhì)量約 2 220 t，起飛推力約3 616 t。近地軌道運(yùn)載能力100 t。

1.5 戰(zhàn)神-5火箭

戰(zhàn)神-5火箭是美國星座計劃中研制的重型貨運(yùn)火箭，采用了兩級全氫氧芯級捆綁大推力固體助推器的構(gòu)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(fā)動機(jī)，單臺推力3 122 kN;二級使用1臺J-2X氫氧發(fā)動機(jī)，推力1 059 kN;固體助推器直徑3.7 m，單臺推力16 860 kN?；鸺L110 m，起飛質(zhì)量為3 705 t，起飛推力5 352 t，近地軌道運(yùn)載能力160 t，奔月軌道運(yùn)載能力63 t。

1.6 航天發(fā)射系統(tǒng)(SLS)

美國奧巴馬政府在終止了星座計劃和戰(zhàn)神-5火箭研制的同時，提出了“2025年實(shí)現(xiàn)載人登陸小行星，2030年載人登陸火星并安全返回”的遠(yuǎn)期探索目標(biāo)。研制近地軌道運(yùn)載能力130 t的重型運(yùn)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(zhí)行無人環(huán)月飛行任務(wù)，火箭研制最大化地基于現(xiàn)有航天飛機(jī)技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)施，采用航天飛機(jī)外貯箱改造芯一級+航天飛機(jī)主發(fā)動機(jī)RS-25D+航天飛機(jī)固體助推器的基礎(chǔ)級，配以新研制的德爾它-4載人火箭上面級，構(gòu)造近地軌道運(yùn)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(gòu)型，到2024年實(shí)現(xiàn)新構(gòu)型火箭首飛，2025年執(zhí)行載人登小行星任務(wù)。

(3)第三階段。到2032年，通過一系列改進(jìn)，包括采用改進(jìn)后的RS-25E發(fā)動機(jī)、增加芯一級發(fā)動機(jī)臺數(shù)、上面級改用J-2X發(fā)動機(jī)并增大規(guī)模，實(shí)現(xiàn)近地軌道130 t的最終目標(biāo)。

2 國外重型運(yùn)載火箭發(fā)展特點(diǎn)和趨勢分析

通過分析，重型火箭的構(gòu)型特點(diǎn)和發(fā)展趨勢具有以下4個特點(diǎn):

(1)重型運(yùn)載火箭由傳統(tǒng)的串聯(lián)構(gòu)型向捆綁助推器構(gòu)型發(fā)展，以提高任務(wù)適應(yīng)性

美國和前蘇聯(lián)早期研制的重型運(yùn)載火箭，如土星-5和N-1火箭，都使用了多級串聯(lián)構(gòu)型方案。該類火箭的優(yōu)點(diǎn)是在同等發(fā)動機(jī)條件下系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊、對接結(jié)構(gòu)簡單、裝配、運(yùn)輸簡單、運(yùn)載效率較高、所需研制時間較短;缺點(diǎn)是火箭需要大直徑箭體結(jié)構(gòu)，飛行中第二級及以后各級發(fā)動機(jī)需要高空低壓點(diǎn)火，帶來高空點(diǎn)火的復(fù)雜性和可靠性問題，火箭長細(xì)比大，對飛行中彈性穩(wěn)定性不利，火箭拓展性不好，只能滿足單一特定任務(wù)［4］。

阿波羅計劃后的重型運(yùn)載火箭，如航天飛機(jī)、能源號火箭、戰(zhàn)神-5火箭及新一代重型運(yùn)載火箭SLS，都采用了捆綁助推器的構(gòu)型。這種構(gòu)型可以縮短火箭長度，穩(wěn)定性好，一級半構(gòu)型發(fā)射近地軌道有效載荷時，所有發(fā)動機(jī)均可地面點(diǎn)火，發(fā)射可靠性高，通過對助推器數(shù)量、火箭級數(shù)或推進(jìn)劑加注量的調(diào)整，可衍生出系列拓展構(gòu)型，運(yùn)載能力覆蓋面大，任務(wù)適應(yīng)性好。

(2)重型運(yùn)載火箭采用大直徑箭體和大推力發(fā)動機(jī)

箭體直徑是決定火箭運(yùn)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(guī)模和能力。從對國外十余種大型、重型運(yùn)載火箭的箭體直徑和運(yùn)載能力的統(tǒng)計分析結(jié)果(圖2)可以看出，火箭運(yùn)載能力與箭體直徑之間存在著接近線性的正相關(guān)關(guān)系。正是因?yàn)榇嬖谶@樣的關(guān)系，其突出共性特點(diǎn)是都使用了大直徑箭體。

國外重型運(yùn)載火箭的另一個特點(diǎn)是都使用大推力發(fā)動機(jī)作為動力。使用大推力發(fā)動機(jī)可以有效減少發(fā)動機(jī)數(shù)量，降低火箭總體的復(fù)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(fā)動機(jī)，能源號助推器使用單臺推力達(dá)740 t的RD-170發(fā)動機(jī)，航天飛機(jī)和戰(zhàn)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(fā)動機(jī)單臺推力只有154 t，而火箭起飛質(zhì)量達(dá)到3 080 t，為了達(dá)到起飛推重比的要求，一級使用了多達(dá)30臺發(fā)動機(jī)，同時為保證發(fā)動機(jī)布局空間，一級直徑達(dá)17 m。由于起飛時發(fā)動機(jī)臺數(shù)多，系統(tǒng)復(fù)雜，火箭可靠性低，4次飛行試驗(yàn)全部以失敗告終。

(3)動力系統(tǒng)選擇上充分發(fā)揮液體、固體發(fā)動機(jī)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)最佳動力組合

液體發(fā)動機(jī)有其性能比沖高(最高可達(dá)460 s)、工作時間長、推力可調(diào)節(jié)、空中多次啟動等優(yōu)點(diǎn)，是重型火箭芯級和上面級發(fā)動機(jī)的首選;固體發(fā)動機(jī)有其密度比沖高、可靠性高、使用維護(hù)簡單、研制成本低等優(yōu)點(diǎn)［5］，使用在助推器上可有效降低運(yùn)載火箭的規(guī)模。美國航天飛機(jī)、戰(zhàn)神-5火箭和新型航天發(fā)射系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，發(fā)射近地軌道有效載荷時可采取一級半構(gòu)型結(jié)構(gòu)，所有發(fā)動機(jī)均地面點(diǎn)火，以提高發(fā)射可靠性。另外，固體助推器可以回收和可重復(fù)使用，可有效降低發(fā)射成本。

俄羅斯的大型、重型火箭采用捆綁液體助推器構(gòu)型，這與俄羅斯在液體發(fā)動機(jī)研制方面有長期的技術(shù)積累和經(jīng)驗(yàn)，并與該領(lǐng)域達(dá)到了無人企及的水平有關(guān)。對于綜合實(shí)力一般、也沒有完全掌握液體發(fā)動機(jī)技術(shù)的國家，發(fā)展大推力固體發(fā)動機(jī)是提高火箭運(yùn)載能力的一個相對簡便、快捷的途徑。由于固體發(fā)動機(jī)通過增加分段數(shù)提高推力較容易，使得捆綁固體助推器構(gòu)型的火箭在提高運(yùn)載能力方面更具優(yōu)勢。

(4)發(fā)動機(jī)要充分利用成熟技術(shù)

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

美國新型重型火箭SLS也是借用了航天飛機(jī)的固體助推器和主發(fā)動機(jī)RS-25。前蘇聯(lián)在進(jìn)行能源號火箭方案論證時，也是采用本國技術(shù)發(fā)展較為完善的液氧煤油發(fā)動機(jī)構(gòu)建液體助推器。

3 結(jié)束語

(1)回顧國外重型運(yùn)載火箭的演變可以看出，各國根據(jù)自身技術(shù)基礎(chǔ)和需求的不同，在選擇技術(shù)方案上各有特點(diǎn)，早期研制的重型火箭，主要強(qiáng)調(diào)滿足特定任務(wù)需要的符合性;近期計劃研制的重型火箭，強(qiáng)調(diào)技術(shù)先進(jìn)性、多任務(wù)適應(yīng)性和可持續(xù)性。

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

(3)重型運(yùn)載火箭研制要根據(jù)本國的國情、技術(shù)優(yōu)勢和基礎(chǔ)，要關(guān)注繼承性和經(jīng)濟(jì)性，充分利用成熟技術(shù)，最大限度地利用現(xiàn)有資源，降低研制風(fēng)險和研制成本。

(4)通過重型運(yùn)載火箭大推力固體助推器的發(fā)展，帶動我國固體發(fā)動機(jī)能力和技術(shù)水平整體上臺階，為我國固體運(yùn)載火箭發(fā)展奠定堅實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

［1］《世界航天運(yùn)載器大全》編委會.世界航天運(yùn)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(yùn)載火箭發(fā)展分析［J］.國外航天運(yùn)輸系統(tǒng)動態(tài).2011(4).

［4］《液體彈道導(dǎo)彈與運(yùn)載火箭系列叢書》編委會.液體彈道導(dǎo)彈與運(yùn)載火箭系列叢書:總體設(shè)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(fā)動機(jī)的特點(diǎn)［J］.推進(jìn)技術(shù)，1991(4):29-35.

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