鄧新宇 秦曈 郭金剛 （北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

載人運載火箭一直是一個國家航天技術(shù)水平和實力的集中體現(xiàn)，目前只有美國、俄羅斯、中國完全獨立掌握了載人航天技術(shù)。由于載人運載火箭涉及航天員的生命保障，具有高可靠、高安全的顯著特點，是世界航天強國的重要標志。通過研究國內(nèi)外載人運載火箭的發(fā)展歷程以及國外新一代載人運載火箭的發(fā)展計劃，從任務需求、可靠性設計、航天員安全保障等方面進行全面分析，總結(jié)了載人運載火箭研制中的經(jīng)驗和教訓，提出了載人運載火箭的發(fā)展規(guī)律和趨勢。

1 引言

“地球是人類的搖籃，但人類不會永遠生活在搖籃里”，載人太空飛行是人類亙古不變的美好愿望，自1961年蘇聯(lián)航天員加加林首次進入太空以來，載人航天成為人類太空探索活動的重要領(lǐng)域和驅(qū)動力，載人運載火箭也一直是一個國家航天技術(shù)水平和實力的集中體現(xiàn)。目前具備獨立研制載人運載火箭的國家僅有美國、俄羅斯和中國，執(zhí)行過載人飛行的火箭包括美國的宇宙神-D、大力神-2LV-4、土星-V、航天飛機，俄羅斯的東方號、上升號、聯(lián)盟號運載火箭，還有中國的長征二號F運載火箭。此外，俄羅斯的N-1火箭由于4次試驗飛行連續(xù)失敗不得不終止研制，“能源-暴風雪”航天飛機在成功完成試驗飛行后由于政治和經(jīng)費原因未正式執(zhí)行載人發(fā)射。

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，21世紀初以來，美國、俄羅斯等航天大國針對應用衛(wèi)星發(fā)射市場，先后研制成功了新一代運載火箭。在此基礎(chǔ)上，近年來又提出了新一代載人運載火箭發(fā)展計劃。美國正在研制“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）并計劃2020年首飛，獵鷹-9火箭也計劃未來承擔載人飛行任務，其他新型載人運載火箭尚未見具體研制進展。

2 俄羅斯載人運載火箭發(fā)展情況

俄羅斯是第一個實現(xiàn)載人航天的國家，由聯(lián)盟號系列運載火箭承擔載人飛行任務，包括已經(jīng)退役的東方號、上升號和正在使用的聯(lián)盟號。聯(lián)盟號系列運載火箭迄今已經(jīng)累計發(fā)射1800余次，也是世界上發(fā)射次數(shù)最多的運載火箭。冷戰(zhàn)時期為搶占載人登月先機，開展了N-1火箭研制，但四次飛行均以失敗告終，導致工程最終下馬。20世紀80年代根據(jù)重復使用運載器發(fā)展計劃，完成了能源號載人運載火箭研制，并進行了2次無人飛行試驗。隨著蘇聯(lián)的解體，由于缺乏經(jīng)費支持，停止了“能源號-暴風雪”發(fā)展計劃。近年來又提出了安加拉-5V、聯(lián)盟-5等載人運載火箭發(fā)展構(gòu)想，但尚未見詳細設計方案和研制進展。

聯(lián)盟 FG運載火箭發(fā)射圖

聯(lián)盟號運載火箭

聯(lián)盟號系列運載火箭是在東方號運載火箭基礎(chǔ)上改進而來，是俄羅斯目前唯一的載人運載火箭。1961年4月12日，東方號火箭把第一位航天員—加加林送入太空，開創(chuàng)了人類載人航天的新紀元。1963年研制成功的上升號火箭發(fā)射了上升號載人飛船，1967年改稱為聯(lián)盟號火箭，并開始發(fā)射聯(lián)盟號載人飛船。

聯(lián)盟號運載火箭是兩級半并聯(lián)構(gòu)型運載火箭。一子級直徑2.95m，采用1臺RD-118液氧煤油發(fā)動機；二子級直徑2.66m，采用1臺RD-0124液氧煤油發(fā)動機（早期為RD-0110）；采用4個直徑為2.68m的助推器，并采用錐形結(jié)構(gòu)布局，每個助推器安裝1臺RD-117發(fā)動機。聯(lián)盟號火箭是目前世界上發(fā)射次數(shù)最多的運載火箭，火箭全長49.52m，起飛質(zhì)量約310t，起飛推力約408t，近地軌道運載能力約7.2t。

N-1運載火箭

N-1運載火箭是蘇聯(lián)針對載人登月計劃專門研制的火箭，出于當年美蘇爭霸的政治需要，N-1火箭研制過程較短、論證不充分，1969－1972年連續(xù)4次飛行均失敗，1974年項目最終不得不下馬。

N-1運載火箭是五級串聯(lián)構(gòu)型運載火箭，其中第四、五級用于地月轉(zhuǎn)移和環(huán)月轉(zhuǎn)移（也稱L-3登月系統(tǒng)）。一子級直徑17m，采用NK-33高壓補燃液氧煤油發(fā)動機，單臺推力約150t，由于當年蘇聯(lián)一直沒有解決單燃燒室高壓大推力發(fā)動機的問題，必須采用30臺發(fā)動機并聯(lián)的方式提高起飛推力；二子級直徑約10m，采用8臺NK-43高壓補燃液氧煤油發(fā)動機；三子級直徑約7.6m，使用4臺NK-39高壓補燃液氧煤油發(fā)動機。N-1火箭是世界上起飛推力最大的運載火箭，火箭全長105m，起飛質(zhì)量約2800t，起飛推力約4500t，近地軌道運載能力約100t。

N―1運載火箭發(fā)射圖

能源號運載火箭

能源號運載火箭是蘇聯(lián)為發(fā)射第一個重復使用運載器暴風雪號航天飛機而專門研制的，按照分別捆綁2、4、6個助推器形成暴風雨號、能源號、火神號系列運載火箭，實現(xiàn)運載能力的梯度優(yōu)化，除能源號火箭成功飛行兩次外，其余兩種火箭未飛行。

能源號運載火箭是一級半并聯(lián)構(gòu)型。一子級直徑7.75m，采用4臺RD-0120高壓補燃氫氧發(fā)動機；采用4個直徑3.9m助推器，每個助推器安裝1臺RD-170高壓補燃液氧煤油發(fā)動機，單臺發(fā)動機采用4個并聯(lián)推力室，推力達到740t，是目前推力最大的液體火箭發(fā)動機。能源號全箭總長58.7m，起飛質(zhì)量約2200t，起飛推力約3600t，近地軌道運載能力約30t（不含暴風雪號航天飛機質(zhì)量）。

能源號運載火箭發(fā)射圖

3 美國載人運載火箭發(fā)展情況

美國是擁有載人運載火箭種類最多的國家。冷戰(zhàn)期間在與蘇聯(lián)爭奪太空話語權(quán)的驅(qū)動下，制訂了“水星-雙子星-阿波羅”的一系列載人航天發(fā)展計劃。通過利用洲際導彈改裝而成的宇宙神號、大力神號運載火箭讓美國緊跟蘇聯(lián)實現(xiàn)了載人飛行，最終在載人登月的角逐中通過土星-V運載火箭的成功研制，實現(xiàn)了人類首次載人登月，從此奠定了美國在太空領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。20世紀80年代研制的航天飛機實現(xiàn)了運載器重復使用的夢想，雖然由于成本過高最終退役，但仍然代表了運載火箭技術(shù)發(fā)展的制高點。進入21世紀以來，提出了阿瑞斯號載人運載火箭發(fā)展計劃，隨后由于政府航天政策變化，最終載人飛行計劃改由“航天發(fā)射系統(tǒng)”完成。

宇宙神―D運載火箭

宇宙神-D運載火箭是在宇宙神D導彈基礎(chǔ)上改裝而成，出于當時美蘇爭霸需要盡快實現(xiàn)載人飛行任務研制。1959年成功完成美國第一艘水星飛船亞軌道試驗，1962年發(fā)射美國第一艘載人飛船，共飛行18次，6次失敗。

宇宙神-D運載火箭是一級半并聯(lián)構(gòu)型運載火箭，一級和助推器采用共同的貯箱，在助推發(fā)動機工作結(jié)束后，助推發(fā)動機、尾段作為組合體與芯級發(fā)動機、貯箱分離。全箭直徑3.05m，助推器采用2臺LR-89-NA3液氧煤油發(fā)動機，芯級采用1臺LR-105-NA3液氧煤油發(fā)動機?；鸺L29.07m，起飛質(zhì)量約118t，起飛推力約164t，近地軌道運載能力約 1.36t。

宇宙神―D運載火箭發(fā)射圖

大力神―2LV―4運載火箭

大力神-2LV-4運載火箭作為當時美國運載能力最大的火箭，專門用于發(fā)射雙子星載人飛船，1964年成功發(fā)射美國第一艘雙子星飛船，12次飛行全部成功。

大力神2LV-4運載火箭是兩級串聯(lián)構(gòu)型運載火箭。一子級直徑3.05m，采用2臺LR-87-AJ-7四氧化二氮/混肼50發(fā)動機；二子級直徑3.05m，采用1臺LR-91-AJ-7四氧化二氮/混肼50發(fā)動機。大力神-2LV-4全箭總長33.2m，起飛質(zhì)量約148t，起飛推力約196t，近地軌道運載能力約3.6t。

土星―V運載火箭

“土星”系列運載火箭是美國國家航空航天局（NASA）專為登月任務而研制的火箭，包括土星-I、IB和V三種。其中土星-I為研究試驗型火箭，用于“阿波羅”計劃早期地球軌道飛行試驗和發(fā)射探測衛(wèi)星；土星-IB為改進過渡型，用于不載人或載人“阿波羅”飛船地球軌道飛行試驗；土星-V專為實現(xiàn)“阿波羅”飛船載人登月而研制，可以將3名航天員送入月球軌道。1969年7月21日，阿波羅11號登月飛船成功地在月球上軟著陸，航天員阿姆斯特朗和奧爾德林踏上月球，人類載人航天和空間探索取得了重大突破。土星-V運載火箭總共發(fā)射13次，全部取得成功。

土星-V運載火箭是三級串聯(lián)構(gòu)型運載火箭。一子級直徑10.06m，采用5臺F-1液氧煤油發(fā)動機，單機推力達到694t，是迄今為止最大的單室液體火箭發(fā)動機；二子級直徑10.06m，采用5臺J-2氫氧發(fā)動機；三子級直徑6.6m，使用一臺J-2氫氧發(fā)動機。土星-V火箭是世界上起飛規(guī)模最大的運載火箭，火箭全長110.6m，起飛質(zhì)量約2950t，起飛推力約3460t，奔月軌道運載能力約46t，近地軌道運載能力約120t。

大力神―2LV―4運載火箭發(fā)射圖

航天飛機

航天飛機是美國國家航空航天局在“阿波羅”載人登月計劃后，立足于經(jīng)濟、高效進出空間的可持續(xù)發(fā)展而研制的世界上第一種部分重復使用運載器。它可以將最多7名航天員送入太空，在軌服務時間長達7～30天，進行交會、對接、?？?，執(zhí)行人員和貨物運送、空間試驗、衛(wèi)星發(fā)射、檢修和回收等任務。美國共研制了挑戰(zhàn)者號、哥倫比亞號、發(fā)現(xiàn)號、奮進號和亞特蘭蒂斯號等5架航天飛機，共執(zhí)行135次飛行任務，其中挑戰(zhàn)者號和哥倫比亞號分別在上升段和再入段發(fā)生事故導致飛行失利，并且造成2次共14名航天員遇難犧牲。

航天飛機是一級半并聯(lián)構(gòu)型運載火箭。一子級由軌道飛行器和外貯箱組成，外貯箱懸掛在軌道飛行器側(cè)面，貯箱直徑8.38m，采用3臺RS-25D高壓補燃氫氧發(fā)動機，比沖比普通開式循環(huán)氫氧發(fā)動機提高了10%，是目前為止最先進的發(fā)動機；采用兩個直徑3.7m的固體助推器，為了提高發(fā)動機推力采用五段式結(jié)構(gòu)，單臺發(fā)動機推力達到約1300t，是目前推力最大的固體火箭發(fā)動機（Ares-1、SLS的固體發(fā)動機均為其改進型）。航天飛機全長56.1m，起飛質(zhì)量約2000t，起飛推力約3000t，近地軌道運載能力約29.5t（不含軌道器結(jié)構(gòu)質(zhì)量）。

航天飛機發(fā)射圖

航天發(fā)射系統(tǒng)

航天發(fā)射系統(tǒng)

為了實現(xiàn)重返月球的目標，美國國家航空航天局于2011年啟動了新一代“航天發(fā)射系統(tǒng)”的研制。為了實現(xiàn)高安全和可持續(xù)性，采用漸進式發(fā)展模式，包括SLS-1、1A和2三種構(gòu)型。SLS-1主要為月球初始探索任務和近地軌道以遠的科學試驗載荷發(fā)射任務提供支撐；SLS-1A在SLS-1基礎(chǔ)上進一步提升能力，并可適用于載貨任務的有效載荷整流罩和適配器；SLS-2主要用于執(zhí)行深空探測任務及近地軌道以遠的載人任務。目前仍然處于研制階段，預計2020年實現(xiàn)SLS-1構(gòu)型首飛。

SLS-1是兩級半并聯(lián)構(gòu)型運載火箭。一子級直徑8.4m，采用4臺RS-25E高壓補燃氫氧發(fā)動機；二子級直徑8.4m，采用1臺RL-10B氫氧發(fā)動機；采用2個直徑3.7m的固體助推器，為分段式固體發(fā)動機。SLS-1全長97.8m，起飛質(zhì)量約2494t，起飛推力約3800t，近地軌道運載能力約70t。

4 中國載人運載火箭發(fā)展情況

長征二號F運載火箭是在長征二號捆綁運載火箭基礎(chǔ)上改進而來，是我國目前唯一的載人運載火箭。1999年11月20日，長征二號F火箭把我國第一艘載人試驗飛船—神舟一號送入太空。2003年10月15日，首次載人飛行圓滿成功，開創(chuàng)了我國航天史上第二個重大里程碑。

長征二號F運載火箭是兩級半并聯(lián)構(gòu)型。一子級直徑3.35m，采用4臺75t級發(fā)動機；二子級直徑3.35m，采用1臺75t級發(fā)動機；采用4個直徑2.25m的助推器，每個助推器安裝1臺75t級發(fā)動機。長征二號F火箭全長58.3m，起飛質(zhì)量約480t，起飛推力約604t，近地軌道運載能力約8.2t。

5 發(fā)展規(guī)律及趨勢

載人運載火箭由于涉及航天員的生命安全，因此具有高可靠、高安全的顯著特點，這也是載人運載火箭設計的首要準則。而冗余設計是實現(xiàn)高可靠的有效手段，在載人運載火箭發(fā)展之初即得到全面應用，例如大力神-2LV-4火箭在大力神-2導彈的基礎(chǔ)上，對電源、制導控制、伺服機構(gòu)都采取了冗余設計，土星-V火箭中應用了多數(shù)表決冗余技術(shù)，在N-1火箭中還采用發(fā)動機冗余技術(shù)。正是在這一設計原則的指導下，載人運載火箭研制成功后始終保持著極高的飛行成功率，例如土星-V、大力神-2LV-4、長征二號F火箭實際飛行成功率100%，航天飛機飛行成功率超過98%，遠高于同時期的其他運載火箭的成功率水平。

根據(jù)國內(nèi)外載人運載火箭的發(fā)展歷程，我們可以從中獲得如下經(jīng)驗教訓。

1）急于求成代價巨大。載人運載火箭作為一個國家運載火箭技術(shù)水平的重要標志，各種新技術(shù)的應用對于提高火箭性能十分必要。在新技術(shù)的應用過程中，應該遵循“充分試驗、逐步驗證”的原則，將新技術(shù)的風險降到最低。早期美蘇爭霸時期，航天活動被賦予了過多冷戰(zhàn)對抗的政治目的，片面強調(diào)研制進度和技術(shù)先進，導致由于違背技術(shù)發(fā)展規(guī)律帶來慘痛的代價。例如N-1火箭研制中采用了迄今為止最大的17m直徑箭體結(jié)構(gòu)，而且30臺發(fā)動機同時工作還必須采用十分復雜的動力冗余重構(gòu)，本身技術(shù)跨度極大。同時由于當時各方意見不統(tǒng)一，經(jīng)過多年爭論直到1964年才確定技術(shù)方案，距離首飛時間僅僅5年，無法充分開展地面試驗，甚至連一級模塊的全系統(tǒng)試車都未能開展，最終導致4次研制飛行試驗全部失敗。反之，土星-V運載火箭研制過程嚴格確保地面試驗充分，克服了種種困難完成了3000t級全箭模態(tài)試驗、一子級3500t級動力系統(tǒng)試車，并通過土星-I、IB火箭飛行逐步驗證各種新技術(shù)，最終實現(xiàn)13次飛行任務全部成功。

2）逃逸系統(tǒng)必不可少。載人運載火箭雖然在各個環(huán)節(jié)都采用了高可靠的設計，但是運載火箭由于系統(tǒng)多、產(chǎn)品多、器件多，百分之一的失敗概率對于火箭研制已經(jīng)是極高的水平，但對于航天員的生命安全而言卻又遠遠不夠。因此，載人運載火箭發(fā)展之初就十分重視航天員的安全逃逸，由最初借用飛機的彈射座椅發(fā)展到成熟可靠的逃逸塔，通過逃逸系統(tǒng)可以將航天員的安全風險降低1～2個數(shù)量級。在航天飛機研制過程中，由于無法設置逃逸塔，早期設置的彈射座椅也由于彈出后不能承受固體發(fā)動機噴流以及數(shù)量不足最終取消。雖然其上升段飛行成功率達到99.3%，但仍然導致了挑戰(zhàn)者號飛行失利時的7名航天員全部遇難，不得不說這是人類航天史上的一個遺憾。反之，聯(lián)盟號火箭在1975、1983、2018年三次出現(xiàn)重大故障時均通過逃逸系統(tǒng)或飛船應急救生完成航天員的安全逃逸，實現(xiàn)了載人航天高安全的目的。

根據(jù)未來各國太空戰(zhàn)略規(guī)劃，載人運載火箭技術(shù)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢：

1）近地以遠載人任務需求日益迫切。美國實現(xiàn)載人登月后，受技術(shù)難度、應用價值、國家經(jīng)濟實力等的綜合影響，人類載人航天活動逐漸回歸到近地空間。但探索浩渺宇宙是人類永恒的夢想，隨著近幾十年來深空探測的開展和世界各國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，人類對宇宙的認識日益深入和豐富，對載人探索的需求也日益迫切。美國重返月球即將成為現(xiàn)實，載人登火也已經(jīng)提上日程，并且越來越多的國家加入載人飛行活動中。除了對載人火箭的運載能力需求更大之外，對火箭綜合使用性能的要求也日益提升，例如更高冗余水平、更高入軌精度、快速測試發(fā)射、零窗口發(fā)射等。

2）采用可校驗試車發(fā)動機降低風險。發(fā)動機的可靠性是影響運載火箭可靠性的主要環(huán)節(jié)，而地面試車是暴露發(fā)動機薄弱環(huán)節(jié)的重要和有效方式。液氧煤油或液氫液氧發(fā)動機具有可以開展地面校準試車的顯著優(yōu)勢，在飛行任務前都可以通過校準試車充分考核發(fā)動機的可靠性，降低在正式載人飛行過程中出現(xiàn)故障的可能性，實現(xiàn)載人飛行的可靠與安全。獵鷹-9火箭甚至在發(fā)射場正式飛行前還開展一子級9臺發(fā)動機的整模塊點火試驗，通過地面試車確保飛行任務圓滿成功。

3）液體載人運載火箭安全優(yōu)勢更加明顯。從國內(nèi)外發(fā)展歷程和趨勢來看，載人運載火箭呈現(xiàn)固液并存的特點，美國的航天飛機和SLS都采用了固體助推器，而我國和俄羅斯一直使用液體火箭。固體火箭由于推力大、系統(tǒng)簡單，從火箭構(gòu)型來看有其自身的固有優(yōu)勢。但是固體推進劑爆炸TNT當量系數(shù)顯著高于液體火箭，最大可達到液氧煤油推進劑的15倍。固體火箭出現(xiàn)故障后爆炸產(chǎn)生的沖擊波更強，載人飛船需要逃逸的安全距離更遠。例如，起飛規(guī)模均為1000t推進劑的兩種火箭，固體火箭的逃逸安全距離需要超過425m，而采用液氧煤油推進劑時僅需要182m。固體火箭安全距離越遠，逃逸難度更大。并且由于允許逃逸的響應時間往往有限，當安全距離大到一定程度，為了使得載人飛船盡快到達安全范圍，逃逸需要的加速度越大，甚至可能超過航天員生理允許承受的能力。

另一方面，固體火箭所有推進劑均安裝在燃燒室中，缺乏故障隔離和控制措施，一旦發(fā)生爆燃、爆炸等故障將迅速發(fā)展和擴散，允許載人逃逸系統(tǒng)的響應和處置時間更短，也增加了逃逸系統(tǒng)設計難度。而且由于固體推進劑比沖性能低，達到相同的運載能力需要的推進劑更多，進一步增加了固體火箭的爆炸當量和逃逸難度。因此，盡管固、液載人運載火箭未來一段時期內(nèi)仍然將長期并存，但是從安全性角度出發(fā)無疑采用液體推進劑具有更大優(yōu)勢。而美國在利用航天飛機固體助推器的基礎(chǔ)盡快完成SLS-1研制后，在拓展構(gòu)型SLS-2中也提出可能使用先進的液體助推器替代固體助推器。

此外，由于火箭一子級和助推器的推進劑占到全箭推進劑的80%，是決定火箭爆炸當量的主要因素，從降低爆炸危險性出發(fā)，液氧-烴類燃料TNT當量系數(shù)僅為液氫-液氧的1/6，安全優(yōu)勢更明顯。雖然液氧-烴類燃料比沖較液氫液氧偏低，但一子級和助推器的比沖性能對火箭運載能力影響較小，并且液氧-烴類發(fā)動機具有推力大的特點，作為載人運載火箭的基礎(chǔ)級有十分突出的優(yōu)勢。

6 小結(jié)

本文通過國內(nèi)外載人運載火箭的發(fā)展情況研究表明：載人運載火箭發(fā)展必須要遵循“充分試驗、逐步驗證”的發(fā)展原則確保高可靠性，同時設置逃逸系統(tǒng)對于確保航天員的高安全性十分必要；未來載人運載火箭應立足近地以遠載人飛行任務，宜采用液體發(fā)動機并且實現(xiàn)校準試車以提高火箭可靠性。