世界航天新科技檔案（一）各國新型火箭（上）

+ 劉進軍

世界航天的下一個目標：登陸月球、火星、小行星、深空探測、洲際航行、太空旅游、太空采礦和星際移民。

為了實現(xiàn)這些目標，世界各國火箭專家挖空心思，想象、設計、試驗和研制各類新型運載火箭。火箭正朝著完全回收、完全復用、模塊化、價格低廉、低溫發(fā)動機、半低溫發(fā)動機、環(huán)保安全、火星運輸、地月運輸、多星運輸、洲際航行等方向發(fā)展。

近年來，各國研制新型火箭多達40多種：俄羅斯赫魯尼切夫國家研究與生產(chǎn)太空中心“安加拉-1.2”、“安加拉-A5P”，美國軌道科學公司“安塔瑞斯-230+”，歐空局“阿麗亞娜-6”、“織女星-C”、“織女星-E”，西班牙PLD太空公司“愛瑞安-2”，美國太空探索技術公司“大獵鷹”，烏克蘭“氣旋-4M”，澳大利亞吉爾莫太空技術公司“愛麗絲”，美國航空航天公司“螢火蟲-阿爾法”，日本宇宙航空研究開發(fā)機構“H-3”，羅馬尼亞航空航天協(xié)會“哈斯-2CA”，中國“快舟-11”、“快舟-21”、“快舟-31”、“長征-8”，“長征-9”，美國維京軌道公司“發(fā)射器-1”，韓國航空航天研究所“羅老-2”，美國藍色起源公司“新格倫”，美國諾斯羅普·格魯曼公司“歐米茄-A”，俄羅斯赫魯尼切夫設計局“質子-光”，“質子-介質”，美國航空航天局“太空發(fā)射系統(tǒng)”，俄羅斯進步火箭宇航中心“聯(lián)盟-5”、“聯(lián)盟-7”，印度太空研究組織“統(tǒng)一”，美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟“火神”等。

各國新型火箭具有10大特點：1.重型化、超重型化；2.最新科技推動火箭設計和研制；3.新火箭型號層出不窮；4.火箭研制時間越來越短；5.民營企業(yè)創(chuàng)新能力更強；6.火箭研制技術門檻降低，團隊越來越年輕化；7.火箭大國和強國面臨挑戰(zhàn)；8.先進、廉價的火箭沖擊火箭發(fā)射市場，競爭激烈；9.發(fā)射市場或將重新洗牌，大批火箭公司將破產(chǎn)倒閉；10.火箭技術和研發(fā)水平距離拉大，美國遙遙領先。

創(chuàng)新決定命運！各國新型火箭推陳出新，耳目一新。新型火箭，特別是各種重型火箭、超重型火箭更讓人振奮和震撼。世界航天和太空探索的未來一片光明。

以下對具代表性的部分新型火箭進行介紹。

圖1 已發(fā)射、在研、規(guī)劃中的各型超重火箭比較

1.“安加拉”號運載火箭

“安加拉”（Angara）系列運載火箭由位于莫斯科的赫魯尼切夫國家研究和生產(chǎn)太空中心研制。它能將3.8噸～24.5噸之間的航天器送入低軌道，成為幾種現(xiàn)有“聯(lián)盟-2”系列運載火箭的接任者。

俄羅斯火箭專家說：“安加拉”火箭是被“逼”出來的！以前蘇聯(lián)許多運載火箭或所需的組件，都是從現(xiàn)在位于烏克蘭的南方設計局研制及提供，包括南方機器制造廠的“天頂-2”、“第聶伯”和“旋風”火箭等。另外，蘇聯(lián)的主要航天發(fā)射場——拜科努爾發(fā)射場位于哈薩克斯坦，俄羅斯經(jīng)過重重困難談判才得以租用。1992年，俄羅斯下定決心：建造新的、完全自主的運載火箭，名為“安加拉”，并建造新發(fā)射基地，確?；鸺l(fā)射不受制于人。

俄羅斯決定：在理想情況下，在俄羅斯普列謝茨克航天中心建造“天頂-2”火箭發(fā)射臺和發(fā)射場，并能發(fā)射軍事衛(wèi)星進入地球同步軌道。

表1 按低軌道運載能力，美國宇航局將運載火箭分為5個級別：

1994年，俄羅斯幾家公司提交了新火箭的標書。赫魯尼切夫設計局的開發(fā)人員起初將“質子”號火箭選為獲勝者，但沒有獲得政府的資金支持。當提出“安加拉”火箭計劃，俄羅斯政府經(jīng)濟非常拮據(jù)，卻立刻為“安加拉”火箭計劃劃撥資金。

赫魯尼切夫設計局的初始設計要求改進“RD-170”發(fā)動機，用于“安加拉”第1級火箭推進。1997年，“RD-170”發(fā)動機被替換成源自四腔“RD-170”的新型“RD-191”?！癛D-191”是高性能單燃燒室火箭發(fā)動機，它的燃料為煤油/液氧混合物，富氧分級燃燒循環(huán)。

1997年后期，赫魯尼切夫設計局已從俄羅斯政府獲批準，著手新火箭“安加拉”的設計?！鞍布永睂⑽　暗诼櫜薄ⅰ靶L”、“呼嘯”號洲際導彈的優(yōu)秀設計，能夠把衛(wèi)星從普列謝茨克航天中心發(fā)射到地球靜止軌道，當然它需要一個新建設的發(fā)射臺。2008年，格魯什科動力機械制造科研生產(chǎn)聯(lián)合體研制成“RD-191”發(fā)動機，并完成點火試驗，準備制造和交付。

2009年1月，“安加拉”火箭第1級研制完成，并交付給赫魯尼切夫設計局。弗拉基米爾·涅赫魯尼切夫總干事宣布：2013年，“安加拉”火箭將舉行首次飛行測試。201年，“安加拉”火箭首次抵達普列謝茨克航天中心。

2014年7月9日，自從提出研制“安加拉”火箭最初概念22年后，“安加拉”火箭終于從俄羅斯北部的普列謝茨克航天中心發(fā)射升空，進行亞軌道試飛。2014年12月23日，“安加拉”火箭進行第二次發(fā)射，將2噸重的大型模擬器送入地球同步軌道?！鞍布永被鸺卧囷w都取得了成功。

表2 重型和超重型火箭性能比較

“安加拉”運載火箭將擁有近十種型號，主要將從普列謝茨克航天中心發(fā)射。從2021年開始，俄羅斯計劃實現(xiàn)“安加拉”運載火箭可從普列謝茨克航天中心，也可從俄羅斯東部的東方港航天中心發(fā)射。由于“質子”火箭使用劇毒偏二甲肼和四氧化二氮為燃料，以及可靠性等問題，哈薩克斯坦反對繼續(xù)在拜科努爾航天中心發(fā)射“質子”火箭，因此“質子”火箭也將搬到東方港航天中心進行發(fā)射。

“安加拉”運載火箭將成為俄羅斯火箭未來的明星。目前，“安加拉”火箭正在急速變化，誕生多種變型，可增加和變換上面級。

圖2 2009年，在莫斯科國際航空航天展上的“安加拉”火箭模型。

2.“羅斯-M”運載火箭

俄羅斯薩馬拉的國家進步太空中心可謂歷史久遠，大名鼎鼎。

1917年,一個小工廠——杜克斯在莫斯科城里成立，制造自行車、摩托車和其他各種車輛。二戰(zhàn)前，它在莫斯科制造過幾架飛機模型，包括“米格-3”。在戰(zhàn)爭期間，杜克斯工廠制造了“伊爾Il-2”、“Il-10”飛機。1941年，蘇聯(lián)政府下令以杜克斯工廠為基礎，組建1號國家航空廠，并從莫斯科遷往現(xiàn)在稱為薩馬拉的城市，靠近伏爾加河。194年，它開始生產(chǎn)“米格-9”和“米格-15”噴氣機戰(zhàn)斗機；1954年，它開始生產(chǎn)“圖-16”轟炸機；1958年1月2日，1號國家航空廠開始生產(chǎn)“R-7”運載火箭。

圖3 “安加拉”火箭家族透視圖

圖4 “安加拉”運載火箭效果圖

表4 “安加拉”各型火箭主要參數(shù) MN：萬牛 t：噸

表3 “安加拉”火箭主要參數(shù)

1966年4月12日，俄羅斯航天局下令2個俄羅斯航空航天組織：進步中央專業(yè)設計局與薩馬拉進步工廠合并成進步國家太空研究與生產(chǎn)中心（簡稱“進步太空中心”）。

進步太空中心是俄羅斯宇航局下屬的火箭研制公司，負責太空科學和航空航天研究。它曾研制了“閃電-M”、“聯(lián)盟-FG”、“聯(lián)盟-U”、“聯(lián)盟-U2”、“聯(lián)盟-1”、“聯(lián)盟-2”等著名火箭，以及“光子-M”科學衛(wèi)星、“琥珀”照相偵察衛(wèi)星和“資源-DK”地球資源衛(wèi)星系列等。

進步太空中心的主要生產(chǎn)設施位于薩馬拉市，包括一個設計局，一個大型的“R-7”火箭和洲際導彈工廠，一個光子衛(wèi)星工廠。進步太空中心擁有2.5萬員工，其中，5000人為火箭和衛(wèi)星系統(tǒng)工作，360人在任何特定時間為“R-7”火箭生產(chǎn)線工作。蘇聯(lián)解體后，進步太空中心陷入困境，只得產(chǎn)業(yè)多樣化，生產(chǎn)機床、伏特加酒和糖果。

2009年春，進步太空中心提出一項“羅斯-M”號火箭計劃，打算使其成為俄羅斯的主要運載火箭，并在2018年后進行載人航天發(fā)射?！傲_斯-M”號火箭計劃還包括一種前瞻性的駕駛運輸系統(tǒng)，一種新的載人飛船——“聯(lián)邦”號。它將取代俄羅斯目前的“聯(lián)盟-FG”號載人火箭系統(tǒng)。

“羅斯-M”號火箭是俄羅斯正在研發(fā)的一種運載火箭。俄羅斯航天局提出安全要求，強調了火箭的設計必須極其可靠；載人飛船的安全中止選項必須在任何飛行階段都可用；在發(fā)射時序的早期階段,必須保證火箭從發(fā)射臺起飛，以防發(fā)生緊急情況?！傲_斯-M”火箭的基礎型，有效載荷運載能力50～60噸；超重火箭型號，設計有效載荷運載能力提升到130～150噸。

“羅斯-M”火箭將派生四種型號。第一種型號能將23.8噸貨物或衛(wèi)星等有效載荷送往200千米、51.7°的圓形軌道；18.8噸的飛船送往135～400千米的軌道；地球同步轉移軌道運力7噸，地球靜止軌道運力4噸。第二種型號將增加2個助推器，并允許捷聯(lián)助推器在飛行中提前分離，將有效載荷運力提升到35噸。第三種型號將使用燃料箱增壓器，再增加有效載荷運力至50噸。第四種型號將只有芯級火箭和增加一個“聯(lián)盟-2”火箭派生的上面級。

表5 “羅斯-M”火箭主要參數(shù)

按照計劃，進步太空中心負責項目領導、系統(tǒng)集成、2級火箭開發(fā)和生產(chǎn)。第1級火箭由位于車里雅賓斯克州米阿斯的，專業(yè)研制彈道導彈、潛射彈道導彈的馬克耶夫火箭設計局，也就是國家火箭中心進行研發(fā)。位于葉卡捷琳堡的自動化科研生產(chǎn)聯(lián)合體提供火箭的飛行控制系統(tǒng)。

2011年10月，俄羅斯航天局局長弗拉基米爾·波波夫金說：“我們得出的結論是，我們不需要一種新火箭，我們可以繼續(xù)使用已經(jīng)擁有的‘聯(lián)盟-FG’號載人火箭?！庇谑牵傲_斯-M”火箭計劃停止。俄羅斯航天局計劃研發(fā)全新的“聯(lián)盟-5”號運載火箭。“羅斯-M”火箭的命運將就此終結？未必，它很有可能會死而復生。

圖5 “羅斯-M”火箭模型

3.“聯(lián)盟-5”號運載火箭

“聯(lián)盟-5”號運載火箭屬于重型運載火箭系列，由俄羅斯進步太空中心研制。

2016年初，進步太空中心提出了“聯(lián)盟-5”火箭計劃。該計劃充滿活力，它的優(yōu)勢在于技術性：細節(jié)和組裝將比“聯(lián)盟-2”少兩倍。由于“聯(lián)盟-5”計劃從哈薩克斯坦的拜科努爾航天中心發(fā)射，而哈薩克政府拒絕劇毒的火箭燃料。因此“聯(lián)盟-5”計劃將致力于使用環(huán)保的燃料——精制煤油和液態(tài)氧，以及研制一種新的發(fā)動機。

“聯(lián)盟-5”火箭的第1級火箭高度為37.14米，將高于“天頂-3SL”的第1級火箭32.94米；火箭直徑4.1米，比“天頂”更寬。因此，它可以攜帶363噸推進劑?！奥?lián)盟-5”的基座仍然具有3.68米，與“天頂”火箭發(fā)射臺兼容。第1級火箭采用“RD-171M”發(fā)動機，可以增加10%推力。

第2級火箭高度7.77米，直徑4.1米，空重5.9噸，可裝59噸燃料。它采用2臺“RD-0124A”發(fā)動機，與“安加拉”火箭一樣。但是，“聯(lián)盟-5”不是將4個噴嘴布置在一個正方形中，而是采用半圓排列，所以這2臺發(fā)動機的特征是8個噴嘴，形成一個圓圈。這樣的安排可以使工作臺長度最小化，同時保持發(fā)動機良好的比沖量。

“聯(lián)盟-5”的總質量為484噸，并且其第2級火箭的效率提高。它可以從拜科努爾航天中心將16噸有效載荷發(fā)射到一個200千米，軌道傾角為51.6°的圓形軌道?！疤祉敗敝荒馨l(fā)射大約12噸有效載荷?！奥?lián)盟-5”比“天頂-3SL”來說是一個顯著的改進。

對于地球同步軌道發(fā)射任務，“聯(lián)盟-5”第3級可以選擇配備一個“布洛克DM03”上面級。因為它將使用相同的推進劑，并且已經(jīng)在“天頂-3SL”和“安加拉-A5”上使用，這將是一個低風險的選擇?！奥?lián)盟-5”火箭預期的運載能力為：地球同步轉移軌道4.5噸，地球靜止軌道2.3噸。

俄羅斯火箭專家設想：“聯(lián)盟-5”的第1級火箭可以用作超級火箭的助推器，甚至芯級火箭。它可以從拜科努爾航天中心、東方港航天中心發(fā)射73噸載荷至低地球軌道。火箭專家考慮到這種結構，可能將“聯(lián)盟-5”的運載能力提高到120噸，甚至160噸。

表6 “聯(lián)盟-5”火箭主要參數(shù)

目前，雖然俄羅斯的“2016～2025深空探測”計劃要求使用“安加拉-5V”重型火箭，但它的運載能力僅36噸。一次月球任務，“安加拉-5V”需要多達4次發(fā)射，還需要使用昂貴的氫氣作為燃料。如果“聯(lián)盟-5”建成超重型火箭，將簡化任務，同時使用現(xiàn)成的模塊。何樂不為！由于經(jīng)濟狀況不好，“聯(lián)盟-5”計劃一直進展緩慢，只有路線圖，沒有具體發(fā)射計劃和時間表。

2018年4月，俄羅斯副總理德米特里羅戈津訪問參觀了化工自動化設計局的生產(chǎn)現(xiàn)場,公布了有關“聯(lián)盟-5”火箭的計劃。德米特里羅戈津說：“不久前，‘聯(lián)盟-5’火箭草案獲得通過?；鸺钠鹗假|量將在530噸左右，直徑4.1米，長度是61.87米，加上‘聯(lián)邦’號載人飛船總長達到65.9米?！?/p>

“當然，在不久的將來，氧煤油發(fā)動機應該被替換為新的甲烷發(fā)動機。這將基于氧-氫和氧-甲烷，即液化天然氣。這些是更簡單、更便宜、更可靠的解決方案。如果你做‘聯(lián)盟-5’火箭，應該建造一臺現(xiàn)代化的發(fā)動機，而不是在一臺50歲的發(fā)動機上瞎折騰?！?/p>

這位副總理的話，讓人耳目一新?？萍既藛T將考慮甲烷發(fā)動機項目。因此，“聯(lián)盟-5”火箭可能將面目一新，盛裝登場。

圖6 “聯(lián)盟-5.1”運載火箭

4.“火神”重型運載火箭

“火神”火箭是美國新型的重型運載火箭，由美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟研制。

2006年12月，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟成立。它是由美國洛克希德·馬丁航天系統(tǒng)公司與波音防務、空間與安全公司組建的合資企業(yè)。聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟擁有3種服役火箭：“德爾塔-2”、“德爾塔-4”和“宇宙神-5”。50多年來，這些火箭家族已經(jīng)發(fā)射了各種衛(wèi)星、航天器，包括深空探測器和星際探索探測器。美國政府、國防部和美國航空航天局，以及其他組織都是聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的客戶。

圖7 “聯(lián)盟-5”各型運載火箭部分參數(shù)

這10多年來，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟審議了幾種新運載火箭的設計和概念。各種概念火箭都繼承了“宇宙神”和“德爾塔”運載火箭的優(yōu)良基因。由于沒有一種火箭超越原來火箭的技術，向美國政府申請?zhí)峁┵Y金，理由不足。

2014年初，在烏克蘭危機期間，俄羅斯入侵烏克蘭、侵占烏克蘭的克里米亞。政治局勢可能導致的后果是：國際制裁將限制俄羅斯“RD-180”發(fā)動機出口到美國！而“RD-180”發(fā)動機正是聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟欲采購作為第1級火箭主發(fā)動機的標的，這種情況下繼續(xù)使用RD-180，可能將被視為影響美國軍事發(fā)射市場和核心國家安全，而這樣的局面是已經(jīng)面臨來自太空探索技術公司競爭的聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟所不愿看到的。

未雨綢繆，2014年6月，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟向幾個美國火箭發(fā)動機供應商發(fā)出合同邀約：研發(fā)第1級火箭主發(fā)動機。2014年9月，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司宣布：已經(jīng)與美國藍色起源公司訂立合作伙伴關系，將共同研發(fā)“BE-4”液氧甲烷發(fā)動機，作為新型火箭第1級火箭發(fā)動機的備選項，以取代俄羅斯的“RD-180”。美國藍色起源公司保證將在第3年完成“BE-4”發(fā)動機的研制，預期不早于2019年開始新發(fā)動機和第1級火箭發(fā)動機的飛行。2014年10月，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟宣布：在未來幾年內，對產(chǎn)品和流程進行實質性的重組,以降低發(fā)射成本。這次結構調整和新的成本降低目標的原因之一是：美國太空探索技術公司在發(fā)射市場發(fā)起的強有力競爭。同時宣布，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟正在計劃建造一枚新的火箭，它將成為“宇宙神-5”的繼任者，在第一級火箭上將使用新的火箭發(fā)動機。

2015年4月13日，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟首席執(zhí)行官托利·布魯諾宣布：其新火箭的名字為“火神（Vulcan）”，這個名稱是在網(wǎng)絡投票中脫穎而出的。2016年，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司宣布：“火神”火箭第1級火箭可以有從0～6個固體火箭助推器，發(fā)射重量比“宇宙神-5”高，但比“德爾塔-4”少。

表7 “火神”重型火箭主要參數(shù)

圖8 “火神”重型火箭分解圖

圖9 “火神”的“RL-10”發(fā)動機

圖10 “火神”火箭突破卡門線效果圖

根據(jù)計劃，第1級火箭發(fā)動機可重復使用。聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟正在開發(fā)一項技術：當發(fā)動機與火箭分離，依靠隔熱屏和降落傘穿過大氣層下降，最后被一架直升機在空中回收。到2015年4月，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟估計：重復使用的發(fā)動機會將第1級火箭的成本降低90%，發(fā)動機占第1級火箭成本的65%。

“火神”重型火箭，又稱為“火神-半人馬座”。“火神”火箭的運載能力可比美國航空航天局“土星C-3”、“德爾塔-4”，歐空局“阿麗亞娜-5”，美國太空探索技術公司“獵鷹-9”，中國“長征-5”火箭，美國藍色起源公司“新格倫”等火箭更大。

2015年5月，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司發(fā)布圖表顯示：“火神”重型火箭具有將23噸載荷送入地球靜止軌道的能力?！盎鹕瘛钡牡?級火箭直徑有2種版本：一種5.4米直徑，燃料采用密度更高的煤油和密度不太高的甲烷；一種具有與“宇宙神-5”火箭一樣的3.81米直徑。2016年4月，首席執(zhí)行官托利·布魯諾表示：“火神”火箭在沒有固體火箭助推器的情況下，發(fā)射價格為9900萬美元。

“火神”重型火箭研發(fā)成本為20億美元，其中10億美元用于主發(fā)動機。2016年3月，美國空軍資助聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟2.2億美元，而聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟希望獲得更多的政府資金支持。同年4月，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司董事會成員、波音執(zhí)行副總裁、波音公司網(wǎng)絡與太空系統(tǒng)公司總裁克雷格說：我相信美國空軍將投資更多的資金，用于“火神”的研發(fā)。截止2018年3月，“火神”的研制費用中有75%是由私人資助的。

“火神”的第一次飛行將不早于2020年代中期。