漫話(huà)大重型運(yùn)載火箭

尹懷勤

太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）的設(shè)計(jì)概念圖

運(yùn)載火箭是把各種航天器送入空間軌道的運(yùn)載工具，它是人類(lèi)克服地球引力進(jìn)行宇宙航行的重要手段。換句話(huà)說(shuō)，火箭是天地往返的運(yùn)載動(dòng)力裝置，其運(yùn)載能力決定一個(gè)國(guó)家的航天能力。在運(yùn)載火箭家族中，大型、重型火箭代表著一個(gè)國(guó)家的最高科技水平，是國(guó)家綜合實(shí)力的體現(xiàn)。

經(jīng)過(guò)幾十年的努力，美、俄、中等國(guó)相繼推出了自己的大重型運(yùn)載火箭或新的研制方案。據(jù)報(bào)道，中國(guó)新一代大型運(yùn)載火箭——長(zhǎng)征五號(hào)計(jì)劃于今年在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心進(jìn)行首次發(fā)射;美國(guó)新一代運(yùn)載火箭——太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）近日對(duì)其火箭助推器進(jìn)行了一次成功的試驗(yàn)發(fā)射;無(wú)獨(dú)有偶，俄羅斯新一代重型運(yùn)載火箭也將在今年確定最終方案。那么，什么是大重型運(yùn)載火箭？人類(lèi)研制成功過(guò)哪些大重型運(yùn)載火箭？研制大重型運(yùn)載火箭有何重要意義呢？

運(yùn)載火箭的分類(lèi)

按照運(yùn)載能力劃分，運(yùn)載火箭分為小型、中型、大型和重型4類(lèi)。由于各國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展階段的不同，所以對(duì)運(yùn)載火箭的規(guī)模定義劃分也是不同的。

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

2014年12月19日，印度研制的GSLV-MK3火箭成功進(jìn)行了亞軌道飛行試驗(yàn)，該型火箭近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到10噸、地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力達(dá)到4噸。雖然印方將GSLV-MK3稱(chēng)為重型火箭，但按上述標(biāo)準(zhǔn)，它其實(shí)與我國(guó)長(zhǎng)征二號(hào)E、長(zhǎng)征三號(hào)乙同屬于中型運(yùn)載火箭。

2014年12月23日俄羅斯成功發(fā)射的安加拉A5火箭，與我國(guó)正在研制的長(zhǎng)征五號(hào)B火箭能力相當(dāng)，同屬于大型運(yùn)載火箭，還不能算作重型運(yùn)載火箭。安加拉A5發(fā)射重量達(dá)到773噸，近地軌道的最大運(yùn)載能力達(dá)到24噸。長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭是長(zhǎng)征五號(hào)系列里近地軌道運(yùn)載能力最大的火箭，達(dá)到25噸，將用來(lái)發(fā)射重量約20噸的未來(lái)中國(guó)空間站的核心艙。

重型運(yùn)載火箭爭(zhēng)雄

最后一枚土星五號(hào)火箭用于發(fā)射阿波羅17號(hào)飛船

直至目前，世界上只有美、蘇兩國(guó)研制過(guò)重型運(yùn)載火箭。土星5號(hào)運(yùn)載火箭是美國(guó)發(fā)射阿波羅載人登月飛船用的動(dòng)力裝置，也是世界上首次成功使用的第一種重型運(yùn)載火箭。發(fā)射前，飛船安裝在火箭的項(xiàng)端，加上逃逸塔整個(gè)系統(tǒng)高達(dá)110米，總重達(dá)3200噸，完全是一個(gè)龐然大物。

土星5號(hào)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(wèi)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(jīng)投入使用的推力最大的運(yùn)載火箭。發(fā)射阿波羅飛船時(shí)，自下而上的一、二、三級(jí)火箭逐級(jí)工作。高為42米的一級(jí)火箭，中心是一個(gè)以煤油和液氧為推進(jìn)劑的F-5發(fā)動(dòng)機(jī)，周?chē)壷?個(gè)同樣型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)上面是裝有2000多噸煤油和液氧的推進(jìn)劑貯箱，還有推進(jìn)劑輸送系統(tǒng)。煤油是燃燒劑，液氧是氧化劑。發(fā)射時(shí)5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火啟動(dòng)，產(chǎn)生3500多噸的推力。工作兩分半鐘使火箭和飛船達(dá)到每秒2.7千米的速度并處于60多千米的高空后一級(jí)火箭脫離。5臺(tái)J-2型發(fā)動(dòng)機(jī)組成的二級(jí)火箭點(diǎn)火工作，其推進(jìn)劑用的是400多噸的液氫和液氧，推力達(dá)521噸，可工作6分多鐘。當(dāng)其完成任務(wù)脫離時(shí)火箭和飛船速度達(dá)到每秒6.8千米并進(jìn)入180千米的高空。隨即由一臺(tái)能多次啟動(dòng)的J-2型發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成的三級(jí)火箭點(diǎn)火工作，它產(chǎn)生的推力為102噸，分兩次點(diǎn)火。當(dāng)其推進(jìn)劑耗盡而船箭分離時(shí)，速度可達(dá)到每秒10.8千米，最終能把飛船送上預(yù)定的奔月軌道。

土星5號(hào)火箭共進(jìn)行了13次發(fā)射，全部成功，曾把12名航天員送上月球。這對(duì)于零部件達(dá)500多萬(wàn)個(gè)的重型運(yùn)載火箭來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)直就是一個(gè)奇跡。在冷戰(zhàn)的大背景下，土星5號(hào)火箭主要針對(duì)阿波羅載人登月任務(wù)的單一需求而研制，因此在阿波羅計(jì)劃結(jié)束后，土星5號(hào)火箭就被送進(jìn)了博物館。

在美國(guó)宣布實(shí)施阿波羅計(jì)劃后不久，蘇聯(lián)也制定并開(kāi)始實(shí)施自己的載人登月計(jì)劃，N-1火箭就是蘇聯(lián)為實(shí)現(xiàn)載人登月而研制的重型運(yùn)載火箭，但遺憾的是，由于前4次飛行試驗(yàn)全都失敗了，導(dǎo)致該計(jì)劃提前告終。

根據(jù)設(shè)計(jì)，N-1火箭呈錐形，總高度105米，起飛推力約4626噸，近地軌道運(yùn)載能力約100噸。由于N-1火箭沒(méi)有使用高性能的液氫液氧推進(jìn)劑，且在高緯度地區(qū)發(fā)射，能夠利用的地球自轉(zhuǎn)速度較小，因此其運(yùn)載效率受到了影響，雖然起飛推力超過(guò)了土星5號(hào)火箭，但運(yùn)載能力卻比土星5號(hào)火箭低了不少。

能源號(hào)運(yùn)載火箭則作為蘇聯(lián)的重型運(yùn)載系統(tǒng)得以成功發(fā)射，其近地軌道的最大運(yùn)載能力為105噸。該火箭在1988年把暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)送上了太空，但后來(lái)蘇聯(lián)停止了航天飛機(jī)計(jì)劃，加之該火箭運(yùn)載能力太大，找不到用武之地，后來(lái)就被俄羅斯政府取消了。但從能源號(hào)火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展出的天頂號(hào)火箭仍在服役。

長(zhǎng)征五號(hào)火箭家族

長(zhǎng)征五號(hào)系列運(yùn)載火箭分為6種構(gòu)型，用字母A～F表示。其中構(gòu)型A、B、C為捆綁著助推器的一級(jí)半火箭結(jié)構(gòu)，主要用于發(fā)射近地軌道航天器;構(gòu)型D、E、F為捆綁著助推器的二級(jí)半火箭結(jié)構(gòu)，主要用于發(fā)射高軌道航天器。其中構(gòu)型D為基本型。

長(zhǎng)征五號(hào)火箭通過(guò)多種組合形成不同的構(gòu)型

長(zhǎng)征五號(hào)采用模塊化設(shè)計(jì)，火箭各組成部分對(duì)應(yīng)不同的模塊：芯一級(jí)對(duì)應(yīng)5米直徑火箭芯級(jí)模塊，芯二級(jí)對(duì)應(yīng)5米直徑火箭上面級(jí)模塊，3.35米直徑助推器對(duì)應(yīng)3.35米直徑火箭助推級(jí)模塊，2.25米直徑助推器對(duì)應(yīng)2.25米直徑火箭助推級(jí)模塊。4種基礎(chǔ)模塊根據(jù)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(gòu)型的火箭。

長(zhǎng)征五號(hào)E運(yùn)載火箭是長(zhǎng)征五號(hào)系列中最大的火箭。該火箭采用二級(jí)半構(gòu)型，由整流罩、5米直徑的芯級(jí)和4個(gè)3.35米直徑的助推器構(gòu)成?；鸺L(zhǎng)63.2米，起飛質(zhì)量850噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運(yùn)載能力將達(dá)到14噸，可能被用于發(fā)射中國(guó)返回式月球探測(cè)器。

長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭是中國(guó)新一代運(yùn)載火箭中的主力軍，其發(fā)射平臺(tái)正在海南文昌發(fā)射場(chǎng)組裝調(diào)試。與長(zhǎng)征三號(hào)系列運(yùn)載火箭相比，長(zhǎng)征五號(hào)有很多新特性，比如運(yùn)載能力大、無(wú)毒無(wú)污染、可靠性高、投入產(chǎn)出比更大。長(zhǎng)征五號(hào)還有一個(gè)特點(diǎn)：系列化、通用化、組合化，一種火箭多種構(gòu)型，具有較全的各級(jí)推力火箭體系，適應(yīng)能力更寬。此外，長(zhǎng)征五號(hào)的最大起飛重量可達(dá)784.5噸，有效載荷大，近地軌道載荷達(dá)25噸。長(zhǎng)征五號(hào)未來(lái)主要用于深空探測(cè)和登月計(jì)劃，包括嫦娥五號(hào)衛(wèi)星的發(fā)射。

中國(guó)已于2011年制定了重型運(yùn)載火箭的方案，近地軌道的運(yùn)載能力為100噸，通過(guò)模塊的重組可以達(dá)到125～130噸，計(jì)劃2028年首飛。

新一代大重型運(yùn)載火箭

完成總裝的長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭近日正式亮相，它是我國(guó)在研運(yùn)載能力最大、尺寸最大的火箭。

美蘇的重型運(yùn)載火箭之爭(zhēng)隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束而落幕，但新一代大重型運(yùn)載火箭的開(kāi)發(fā)又被提上了日程。

為了進(jìn)行載人登陸火星和小行星的任務(wù)，美國(guó)于2011年確定了新一代太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）的設(shè)計(jì)，包括研制太空發(fā)射系統(tǒng)重型運(yùn)載火箭和獵戶(hù)座載人飛船。初期的太空發(fā)射系統(tǒng)全長(zhǎng)97.5米，起飛質(zhì)量2495噸。3臺(tái)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)外加2臺(tái)固體助推器，提供了高達(dá)3810噸的起飛推力，比發(fā)射阿波羅載人登月飛船的土星5號(hào)火箭的起飛推力還高了10%。不過(guò)太空發(fā)射系統(tǒng)初期使用的低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力太小，只具備將70噸的有效載荷發(fā)射送入軌道。

最終版本的太空發(fā)射系統(tǒng)全長(zhǎng)122米，起飛質(zhì)量增加到2948噸。第一級(jí)將改用5臺(tái)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，上面級(jí)直徑也增加到和芯級(jí)一樣的8.4米，發(fā)動(dòng)機(jī)為1～3臺(tái)大推力的J-2X低溫發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠?qū)?30噸的有效載荷送入太空預(yù)定軌道。有了如此強(qiáng)大的火箭，就可以將各種深空探測(cè)器送入更遙遠(yuǎn)的宇宙空間，探索太陽(yáng)系的各個(gè)角落。

為了重振雄風(fēng)，俄羅斯正在研發(fā)安加拉運(yùn)載火箭系列，最新的安加拉A5大型運(yùn)載火箭已于2014年12月23日發(fā)射成功。未來(lái)還可能研發(fā)近地軌道最大運(yùn)載能力達(dá)到35噸的安加拉A7大型火箭，以及近地軌道運(yùn)載能力可達(dá)110噸的安加拉100重型火箭。根據(jù)規(guī)劃，運(yùn)載能力為80～85噸的重型火箭將于2028年首次執(zhí)行探月任務(wù)。

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