□ 土星

在第64屆國(guó)際宇航大會(huì)期間召開的航天局長(zhǎng)會(huì)議上，多國(guó)的航天局長(zhǎng)在闡述各自的航天政策和發(fā)展計(jì)劃、呼吁國(guó)際合作和利益共贏的同時(shí)，也表示出對(duì)未來發(fā)展新型大型運(yùn)載火箭的極大關(guān)注。

大力士受到青睞

從全球航天活動(dòng)的總體發(fā)展來看，為了滿足日益增長(zhǎng)的太空開發(fā)需求，人造地球衛(wèi)星、飛船和空間站、空間探測(cè)器等航天器的體積和重量越來越大，因而要求發(fā)射這些航天器的運(yùn)載火箭向大推力、高可靠、低成本和少污染等方向發(fā)展，為此，世界各航天大國(guó)都在積極研制新型大推力運(yùn)載火箭，并采取以下主要措施：

一是簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，如減少火箭級(jí)數(shù)（級(jí)數(shù)越少越可靠）和增加火箭的直徑（可多裝燃料，以增加推力）等；二是采用共用組件或技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通用化、組合化和系列化；三是使用無毒、無污染、大比沖的推進(jìn)劑，目前，液氫/液氧或液氧/煤油是無毒、無污染、大比沖的推進(jìn)劑，但需要在低溫下工作，所以技術(shù)比較復(fù)雜。

現(xiàn)在，近地軌道運(yùn)載能力達(dá)20噸級(jí)的大推力運(yùn)載火箭已成為航天器發(fā)射的主力，當(dāng)前活躍在航天發(fā)射領(lǐng)域的著名大推力運(yùn)載火箭有：美國(guó)的“宇宙神”5號(hào)、“德爾他”4號(hào)、“獵鷹”9號(hào)，歐洲的“阿里安”5號(hào)，俄羅斯的“質(zhì)子”號(hào)，日本的H2-A和H2-B運(yùn)載火箭等。

美國(guó)洛馬公司的“宇宙神”5號(hào)、波音公司的“德爾他”4號(hào)火箭均為兩級(jí)型火箭，其共同特點(diǎn)是各自都使用了通用的芯級(jí)火箭，并可根據(jù)需要加配不同尺寸的整流罩和數(shù)量不一的助推器。這兩種火箭設(shè)計(jì)原則也相同：開發(fā)靈活、可批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)火箭組件；便于快速裝配；容易按顧客的要求改造。其目的是減少人工，在每次任務(wù)前不需要大動(dòng)干戈進(jìn)行改造，生產(chǎn)裝置把制造火箭變得跟加工香腸一樣容易。由于采用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)線、發(fā)射工序的流水線作業(yè)，所以使發(fā)射成本減少了25%，而且把發(fā)射間歇時(shí)間從目前的數(shù)周減少至幾天。

“宇宙神”5號(hào)火箭芯級(jí)直徑3.81米，使用液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，有14種構(gòu)型，近地軌道運(yùn)載能力最大達(dá)25噸；發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間只需提前12小時(shí)送上發(fā)射臺(tái)即可。此外，這種火箭發(fā)射時(shí)不用龐大的發(fā)射塔，只需1座發(fā)射架，并可在大風(fēng)條件下發(fā)射?！坝钪嫔瘛?號(hào)由400和500兩個(gè)子系列組成：400系列采用4米直徑整流罩，可以捆綁0～3個(gè)固體火箭助推器；500系列采用5米直徑整流罩，可以捆綁0～5個(gè)固體火箭助推器。所有的“宇宙神”5號(hào)系列運(yùn)載火箭均以“宇宙神”公用芯級(jí)和“半人馬座”上面級(jí)作為主要的共用模塊。

“德爾他”4號(hào)火箭芯級(jí)直徑5.08米，使用液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，也都以通用的新式公用芯級(jí)為基礎(chǔ)。該系列火箭可根據(jù)需要加配不同尺寸的整流罩和數(shù)量不一的助推器，有5種構(gòu)型。這些火箭不僅能發(fā)射1～23噸的近地軌道有效載荷，還可發(fā)射4～10.9噸的地球同步轉(zhuǎn)移軌道有效載荷。其中大型“德爾他”4號(hào)H更是具有向地球靜止軌道直接發(fā)射6.275噸有效載荷的能力，可滿足較大型衛(wèi)星雙星或多星發(fā)射的需求，大幅降低發(fā)射成本。

歐洲“阿里安”5號(hào)火箭升空

美國(guó)“獵鷹”9號(hào)火箭發(fā)射“龍”飛船

“獵鷹”9號(hào)為兩級(jí)型火箭，使用液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，有3種構(gòu)型，近地軌道運(yùn)載能力為9.9～32噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力4.9～19.5噸。其第1級(jí)安裝了9臺(tái)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，所以在起飛時(shí)，若有1臺(tái)或2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，發(fā)射不會(huì)受到影響。

歐洲“阿里安”5號(hào)為兩級(jí)型火箭，芯級(jí)直徑5.4米，使用液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，有4種構(gòu)型，近地軌道運(yùn)載能力最大達(dá)21噸， 在全球衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)名氣較大。歐洲還新研制了用于發(fā)射小衛(wèi)星的“織女星”火箭，其前3級(jí)采用固體燃料，第4級(jí)采用液體燃料，可多次點(diǎn)火，將300～2500千克的衛(wèi)星送入多種軌道。

俄羅斯“質(zhì)子”號(hào)火箭是蘇聯(lián)時(shí)代研制的老火箭，有兩級(jí)型、三級(jí)型（質(zhì)子-K、質(zhì)子-M）、四級(jí)型（質(zhì)子-K/D系列上面級(jí)、質(zhì)子-K/微風(fēng)-M上面級(jí)、質(zhì)子-M /微風(fēng)-M上面級(jí)），其中用于商業(yè)發(fā)射的質(zhì)子-M芯級(jí)直徑4.1米，使用偏二甲肼/四氧化二氮推進(jìn)劑，近地軌道運(yùn)載能力最大達(dá)21噸。

日本H2-A為兩級(jí)火箭，芯級(jí)直徑5.4米，使用液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，有5種構(gòu)型，H2-B是H2-A的升級(jí)版本，與H2-A火箭3.7噸的地球同步轉(zhuǎn)移軌道最大發(fā)射能力相比，H2-B的地球同步轉(zhuǎn)移軌道最大發(fā)射能力為8噸，空間站轉(zhuǎn)運(yùn)飛行器軌道的最大發(fā)射能力為16.5噸。

此外，還有從飛機(jī)上發(fā)射的空射型運(yùn)載火箭和從海上平臺(tái)發(fā)射海射火箭，前者優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用低，靈活，快速；后者則可把發(fā)射場(chǎng)設(shè)置在赤道附近，從而最大限度借助地球自轉(zhuǎn)力來提高火箭的運(yùn)載能力。

上述這些火箭可以軍民兩用，但都不像初期的運(yùn)載火箭那樣從彈道導(dǎo)彈基礎(chǔ)上發(fā)展而來，而是獨(dú)立研制的，其特點(diǎn)是通用性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、系列性和適應(yīng)性較強(qiáng)，可不斷進(jìn)行小的改進(jìn)，以便滿足用戶需求。

中國(guó)正迎頭趕上

中國(guó)主要發(fā)展的是“長(zhǎng)征”系列運(yùn)載火箭，已形成了包括長(zhǎng)征一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)甲、四號(hào)4個(gè)子系列共十多種型號(hào)的運(yùn)載火箭。

長(zhǎng)征二號(hào)系列用于發(fā)射低軌道航天器。目前使用長(zhǎng)征二號(hào)丙，它采用了大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，近地軌道的運(yùn)載能力達(dá)到3.8噸，可靠性很高，是此后“長(zhǎng)征”火箭發(fā)展的基礎(chǔ)。長(zhǎng)征二號(hào)E是在長(zhǎng)征二號(hào)丙芯一級(jí)捆綁4個(gè)液體助推器，近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到9.5噸。長(zhǎng)征二號(hào)F火箭是在長(zhǎng)征二號(hào)E基礎(chǔ)上增加了故障檢測(cè)處理和逃逸系統(tǒng)，并采用多種手段提高了火箭各系統(tǒng)的可靠性，使其可靠性從長(zhǎng)征二號(hào)E的91%提高到97%，航天員的安全性達(dá)到了99.7%，達(dá)到了載人火箭的要求。

長(zhǎng)征三號(hào)甲系列用于發(fā)射高軌道航天器，包括月球探測(cè)器。目前使用的長(zhǎng)征三號(hào)甲第3級(jí)采用大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，可將2.6噸有效載荷送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。長(zhǎng)征三號(hào)乙是在長(zhǎng)征三號(hào)甲基礎(chǔ)上并聯(lián)捆綁了4個(gè)液體助推器，從而能把5.5噸有效載荷送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。長(zhǎng)征三號(hào)丙是在長(zhǎng)征三號(hào)甲火箭的基礎(chǔ)上捆綁有2個(gè)液體助推器，其地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為2.6～3.8噸。

長(zhǎng)征四號(hào)系列三級(jí)液體運(yùn)載火箭的各級(jí)都采用四氧化二氮和偏二甲肼常規(guī)推進(jìn)劑，其中長(zhǎng)征四號(hào)甲極軌運(yùn)載能力為1.6噸；改進(jìn)后的長(zhǎng)征四號(hào)乙極軌運(yùn)載能力為2.8噸；長(zhǎng)征四號(hào)丙的三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)具有二次啟動(dòng)能力，極軌運(yùn)載能力為3.1噸。

雖然我國(guó)“長(zhǎng)征”系列運(yùn)載火箭已取得了舉世矚目的成就，成功率達(dá)95%以上，尤其近17年，成功率高達(dá)98.6%，但與上述國(guó)外新型大推力運(yùn)載火箭相比存在明顯差距，很難適應(yīng)未來航天的發(fā)展需求，例如，我國(guó)目前使用的運(yùn)載火箭近地軌道運(yùn)載能力最大為9.5噸，只有國(guó)外新型大推力火箭的一半左右；由于“長(zhǎng)征”火箭是在液體彈道導(dǎo)彈基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)而形成的，所以通用化、系列化、組合化程度低，因此出現(xiàn)了型號(hào)多、通用性差的局面，同時(shí)限制了規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化的發(fā)展；我國(guó)火箭的第1、第2級(jí)和助推器現(xiàn)仍使用有毒、有污染的推進(jìn)劑，從而存在航區(qū)和人員安全及環(huán)境污染問題，等等。

一個(gè)國(guó)家進(jìn)入太空的能力在很大程度上決定了其空間活動(dòng)能力以及空間應(yīng)用水平。因此，為了趕上國(guó)外新型大推力運(yùn)載火箭的先進(jìn)水平，滿足未來20～30年航天發(fā)展的需求，保持我國(guó)運(yùn)載技術(shù)在世界航天領(lǐng)域的地位，2006年10月，我國(guó)立項(xiàng)研制新一代大推力運(yùn)載火箭長(zhǎng)征五號(hào)。它具有大直徑、大推力、少級(jí)數(shù)、系列化、低成本、高可靠、易操作、無污染、適用廣等特點(diǎn)。

運(yùn)輸中的俄羅斯“質(zhì)子”號(hào)火箭

日本H2號(hào)A系列運(yùn)載火箭圖譜

四周裝有避雷設(shè)施的“織女星”運(yùn)載火箭發(fā)射臺(tái)

長(zhǎng)征五號(hào)的基本型為帶助推器的兩級(jí)火箭：芯一級(jí)采用2臺(tái)推力各約50噸的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)組成；助推器根據(jù)需要采用數(shù)臺(tái)推力各約120噸的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)；芯二級(jí)采用2臺(tái)推力各約8噸的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)組成，它由長(zhǎng)征三號(hào)甲第3級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)而成；整流罩直徑5.2米，長(zhǎng)18米。長(zhǎng)征五號(hào)近地軌道運(yùn)載能力為1.5～25噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為1.5～14噸。

據(jù)專家透露，我國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)火箭的研制是遵循“一個(gè)系列、兩種發(fā)動(dòng)機(jī)、三個(gè)模塊”的總體思路，貫徹“通用化、組合化、系列化”的設(shè)計(jì)思想，通過模塊化組合方式，可以形成包括5米直徑大型運(yùn)載火箭、3.35米直徑中型運(yùn)載火箭和2.25米直徑小型運(yùn)載火箭在內(nèi)的火箭系列。

日本新型固體運(yùn)載火箭“埃普西隆”

美國(guó)正在打造的“重型獵鷹”火箭發(fā)射示意圖

美國(guó)正在研制的“航天發(fā)射系統(tǒng)”重型運(yùn)載火箭示意圖

未來火箭大變樣

現(xiàn)在，國(guó)外還在研制新型火箭，其中包括發(fā)射小衛(wèi)星的火箭。如日本于9月14日首次發(fā)射的新型固體運(yùn)載火箭“埃普西隆”擁有智能自檢功能、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、成本低廉等特點(diǎn)，主要用于發(fā)射小衛(wèi)星，其近地軌道運(yùn)載能力為1200千克，太陽同步軌道運(yùn)載能力為450千克。與液體火箭相比，固體火箭雖然推力小、多次啟動(dòng)難，但是使用時(shí)靈活方便，故多用于發(fā)射小型航天器和發(fā)射導(dǎo)彈，所以“埃普西隆”還可用于軍事。

俄羅斯研制多年的“安加拉”系列新型火箭有望在2014年進(jìn)行首次發(fā)射。該系列火箭可用多個(gè)通用火箭隨任務(wù)需要組合出不同推力的火箭，這些通用火箭使用RD-191液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)（已在韓國(guó)“羅老”號(hào)火箭上試驗(yàn)成功），可將2噸～75噸的貨物送至近地軌道，它將取代老舊的“質(zhì)子”號(hào)火箭，成為俄羅斯未來太空火箭的主力。

日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)和三菱重工公司正在為研制H3號(hào)火箭開展技術(shù)論證，H3號(hào)為三級(jí)火箭，將取代現(xiàn)役兩級(jí)火箭H2-A和H2-B。其地球同步軌道運(yùn)載能力為4噸，在使用固體燃料助推器的情況下可達(dá)6噸。該火箭可能在2020年前后首飛，它將有助于日本發(fā)射大型衛(wèi)星、載人航天器和深空探測(cè)器，且發(fā)射費(fèi)用將比H2-A便宜20%～30%。

2012年11月，歐空局同意研制“阿里安”5號(hào)ME，并繼續(xù)研發(fā)模塊化、低成本的后繼型號(hào)“阿里安”6號(hào)火箭。與“阿里安”5號(hào)相比，“阿里安”5號(hào)ME采用了新的上面級(jí)，比目前的“阿里安”5號(hào)ECA型火箭的運(yùn)載能力提高20%，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力11.2噸，將在2017～2018年執(zhí)行飛行任務(wù)?！鞍⒗锇病?號(hào)的地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力并不高，為3噸～8噸，但可靠性高于“阿里安”5號(hào)系列火箭，成本也比“阿里安”5號(hào)低，并能夠?qū)崿F(xiàn)更高的發(fā)射頻率，預(yù)計(jì)在2020年后開始提供服務(wù)。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，未來運(yùn)載火箭將呈現(xiàn)新的面貌，有兩大特點(diǎn)：

一是發(fā)展可重復(fù)使用運(yùn)載器，因?yàn)槟壳暗倪\(yùn)載火箭都是一次性使用的，成本很高，所以美國(guó)、俄羅斯、歐洲、印度及日本等國(guó)家都正在加緊研制可重復(fù)使用運(yùn)載器。其中美國(guó)太空探索技術(shù)公司正在實(shí)施“蚱蜢”計(jì)劃，已完成多次試驗(yàn)，并獲初步成功。

二是發(fā)展重型運(yùn)載火箭，因?yàn)槊蓝淼葒?guó)已把載人航天的目標(biāo)都瞄準(zhǔn)了月球、小行星和火星。為此要首先研制出發(fā)射大質(zhì)量深空載人飛船的重型運(yùn)載火箭。當(dāng)年美蘇競(jìng)爭(zhēng)載人登月時(shí)蘇聯(lián)之所以敗給美國(guó)，最重要的原因就是蘇聯(lián)N1重型火箭4次發(fā)射失敗，而美國(guó)研制出近地軌道運(yùn)載能力120多噸的“土星”5號(hào)重型火箭。美國(guó)太空探索技術(shù)公司正研制近地軌道運(yùn)載能力達(dá)53噸的“重型獵鷹”火箭，它擬于近年進(jìn)行首次試射，該公司還將研制近地軌道運(yùn)載能力達(dá)170噸的“超級(jí)載重火箭”。美國(guó)航宇局正在研制的“航天發(fā)射系統(tǒng)”重型運(yùn)載火箭采用航天飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，初始近地軌道運(yùn)載能力為70噸，改進(jìn)后將達(dá)130噸。

《2011年中國(guó)的航天》白皮書指出，我國(guó)正開展載人登月前期方案論證，而研制重型火箭對(duì)于未來載人登月甚至載人登火星具有重要意義。由于載人登月飛船一般需在50噸以上，而且其奔月時(shí)的速度要求為每秒10.9千米，因此必須擁有重型運(yùn)載火箭才行，如要進(jìn)行載人登火星更是如此。