國(guó)內(nèi)外載人運(yùn)載火箭發(fā)展綜述

鄧新宇 秦曈 郭金剛 （北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

載人運(yùn)載火箭一直是一個(gè)國(guó)家航天技術(shù)水平和實(shí)力的集中體現(xiàn)，目前只有美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)完全獨(dú)立掌握了載人航天技術(shù)。由于載人運(yùn)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(diǎn)，是世界航天強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志。通過研究國(guó)內(nèi)外載人運(yùn)載火箭的發(fā)展歷程以及國(guó)外新一代載人運(yùn)載火箭的發(fā)展計(jì)劃，從任務(wù)需求、可靠性設(shè)計(jì)、航天員安全保障等方面進(jìn)行全面分析，總結(jié)了載人運(yùn)載火箭研制中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，提出了載人運(yùn)載火箭的發(fā)展規(guī)律和趨勢(shì)。

1 引言

“地球是人類的搖籃，但人類不會(huì)永遠(yuǎn)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(jìn)入太空以來，載人航天成為人類太空探索活動(dòng)的重要領(lǐng)域和驅(qū)動(dòng)力，載人運(yùn)載火箭也一直是一個(gè)國(guó)家航天技術(shù)水平和實(shí)力的集中體現(xiàn)。目前具備獨(dú)立研制載人運(yùn)載火箭的國(guó)家僅有美國(guó)、俄羅斯和中國(guó)，執(zhí)行過載人飛行的火箭包括美國(guó)的宇宙神-D、大力神-2LV-4、土星-V、航天飛機(jī)，俄羅斯的東方號(hào)、上升號(hào)、聯(lián)盟號(hào)運(yùn)載火箭，還有中國(guó)的長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭。此外，俄羅斯的N-1火箭由于4次試驗(yàn)飛行連續(xù)失敗不得不終止研制，“能源-暴風(fēng)雪”航天飛機(jī)在成功完成試驗(yàn)飛行后由于政治和經(jīng)費(fèi)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(jì)初以來，美國(guó)、俄羅斯等航天大國(guó)針對(duì)應(yīng)用衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)，先后研制成功了新一代運(yùn)載火箭。在此基礎(chǔ)上，近年來又提出了新一代載人運(yùn)載火箭發(fā)展計(jì)劃。美國(guó)正在研制“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）并計(jì)劃2020年首飛，獵鷹-9火箭也計(jì)劃未來承擔(dān)載人飛行任務(wù)，其他新型載人運(yùn)載火箭尚未見具體研制進(jìn)展。

2 俄羅斯載人運(yùn)載火箭發(fā)展情況

俄羅斯是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)載人航天的國(guó)家，由聯(lián)盟號(hào)系列運(yùn)載火箭承擔(dān)載人飛行任務(wù)，包括已經(jīng)退役的東方號(hào)、上升號(hào)和正在使用的聯(lián)盟號(hào)。聯(lián)盟號(hào)系列運(yùn)載火箭迄今已經(jīng)累計(jì)發(fā)射1800余次，也是世界上發(fā)射次數(shù)最多的運(yùn)載火箭。冷戰(zhàn)時(shí)期為搶占載人登月先機(jī)，開展了N-1火箭研制，但四次飛行均以失敗告終，導(dǎo)致工程最終下馬。20世紀(jì)80年代根據(jù)重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展計(jì)劃，完成了能源號(hào)載人運(yùn)載火箭研制，并進(jìn)行了2次無人飛行試驗(yàn)。隨著蘇聯(lián)的解體，由于缺乏經(jīng)費(fèi)支持，停止了“能源號(hào)-暴風(fēng)雪”發(fā)展計(jì)劃。近年來又提出了安加拉-5V、聯(lián)盟-5等載人運(yùn)載火箭發(fā)展構(gòu)想，但尚未見詳細(xì)設(shè)計(jì)方案和研制進(jìn)展。

聯(lián)盟 FG運(yùn)載火箭發(fā)射圖

聯(lián)盟號(hào)運(yùn)載火箭

聯(lián)盟號(hào)系列運(yùn)載火箭是在東方號(hào)運(yùn)載火箭基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，是俄羅斯目前唯一的載人運(yùn)載火箭。1961年4月12日，東方號(hào)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(jì)元。1963年研制成功的上升號(hào)火箭發(fā)射了上升號(hào)載人飛船，1967年改稱為聯(lián)盟號(hào)火箭，并開始發(fā)射聯(lián)盟號(hào)載人飛船。

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

N-1運(yùn)載火箭

N-1運(yùn)載火箭是蘇聯(lián)針對(duì)載人登月計(jì)劃專門研制的火箭，出于當(dāng)年美蘇爭(zhēng)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(xiàng)目最終不得不下馬。

N-1運(yùn)載火箭是五級(jí)串聯(lián)構(gòu)型運(yùn)載火箭，其中第四、五級(jí)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(jí)直徑17m，采用NK-33高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)推力約150t，由于當(dāng)年蘇聯(lián)一直沒有解決單燃燒室高壓大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的問題，必須采用30臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)的方式提高起飛推力；二子級(jí)直徑約10m，采用8臺(tái)NK-43高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)；三子級(jí)直徑約7.6m，使用4臺(tái)NK-39高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。N-1火箭是世界上起飛推力最大的運(yùn)載火箭，火箭全長(zhǎng)105m，起飛質(zhì)量約2800t，起飛推力約4500t，近地軌道運(yùn)載能力約100t。

N―1運(yùn)載火箭發(fā)射圖

能源號(hào)運(yùn)載火箭

能源號(hào)運(yùn)載火箭是蘇聯(lián)為發(fā)射第一個(gè)重復(fù)使用運(yùn)載器暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)而專門研制的，按照分別捆綁2、4、6個(gè)助推器形成暴風(fēng)雨號(hào)、能源號(hào)、火神號(hào)系列運(yùn)載火箭，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載能力的梯度優(yōu)化，除能源號(hào)火箭成功飛行兩次外，其余兩種火箭未飛行。

能源號(hào)運(yùn)載火箭是一級(jí)半并聯(lián)構(gòu)型。一子級(jí)直徑7.75m，采用4臺(tái)RD-0120高壓補(bǔ)燃?xì)溲醢l(fā)動(dòng)機(jī)；采用4個(gè)直徑3.9m助推器，每個(gè)助推器安裝1臺(tái)RD-170高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)采用4個(gè)并聯(lián)推力室，推力達(dá)到740t，是目前推力最大的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。能源號(hào)全箭總長(zhǎng)58.7m，起飛質(zhì)量約2200t，起飛推力約3600t，近地軌道運(yùn)載能力約30t（不含暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)質(zhì)量）。

能源號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射圖

3 美國(guó)載人運(yùn)載火箭發(fā)展情況

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

宇宙神―D運(yùn)載火箭

宇宙神-D運(yùn)載火箭是在宇宙神D導(dǎo)彈基礎(chǔ)上改裝而成，出于當(dāng)時(shí)美蘇爭(zhēng)霸需要盡快實(shí)現(xiàn)載人飛行任務(wù)研制。1959年成功完成美國(guó)第一艘水星飛船亞軌道試驗(yàn)，1962年發(fā)射美國(guó)第一艘載人飛船，共飛行18次，6次失敗。

宇宙神-D運(yùn)載火箭是一級(jí)半并聯(lián)構(gòu)型運(yùn)載火箭，一級(jí)和助推器采用共同的貯箱，在助推發(fā)動(dòng)機(jī)工作結(jié)束后，助推發(fā)動(dòng)機(jī)、尾段作為組合體與芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)、貯箱分離。全箭直徑3.05m，助推器采用2臺(tái)LR-89-NA3液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，芯級(jí)采用1臺(tái)LR-105-NA3液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)?；鸺L(zhǎng)29.07m，起飛質(zhì)量約118t，起飛推力約164t，近地軌道運(yùn)載能力約 1.36t。

宇宙神―D運(yùn)載火箭發(fā)射圖

大力神―2LV―4運(yùn)載火箭

大力神-2LV-4運(yùn)載火箭作為當(dāng)時(shí)美國(guó)運(yùn)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(guó)第一艘雙子星飛船，12次飛行全部成功。

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

土星―V運(yùn)載火箭

“土星”系列運(yùn)載火箭是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）專為登月任務(wù)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(yàn)型火箭，用于“阿波羅”計(jì)劃早期地球軌道飛行試驗(yàn)和發(fā)射探測(cè)衛(wèi)星；土星-IB為改進(jìn)過渡型，用于不載人或載人“阿波羅”飛船地球軌道飛行試驗(yàn)；土星-V專為實(shí)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(hào)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(yùn)載火箭總共發(fā)射13次，全部取得成功。

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

大力神―2LV―4運(yùn)載火箭發(fā)射圖

航天飛機(jī)

航天飛機(jī)是美國(guó)國(guó)家航空航天局在“阿波羅”載人登月計(jì)劃后，立足于經(jīng)濟(jì)、高效進(jìn)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(fù)使用運(yùn)載器。它可以將最多7名航天員送入太空，在軌服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7～30天，進(jìn)行交會(huì)、對(duì)接、停靠，執(zhí)行人員和貨物運(yùn)送、空間試驗(yàn)、衛(wèi)星發(fā)射、檢修和回收等任務(wù)。美國(guó)共研制了挑戰(zhàn)者號(hào)、哥倫比亞號(hào)、發(fā)現(xiàn)號(hào)、奮進(jìn)號(hào)和亞特蘭蒂斯號(hào)等5架航天飛機(jī)，共執(zhí)行135次飛行任務(wù)，其中挑戰(zhàn)者號(hào)和哥倫比亞號(hào)分別在上升段和再入段發(fā)生事故導(dǎo)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(jī)是一級(jí)半并聯(lián)構(gòu)型運(yùn)載火箭。一子級(jí)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(tái)RS-25D高壓補(bǔ)燃?xì)溲醢l(fā)動(dòng)機(jī)，比沖比普通開式循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)提高了10%，是目前為止最先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)；采用兩個(gè)直徑3.7m的固體助推器，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力采用五段式結(jié)構(gòu)，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)推力達(dá)到約1300t，是目前推力最大的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（Ares-1、SLS的固體發(fā)動(dòng)機(jī)均為其改進(jìn)型）。航天飛機(jī)全長(zhǎng)56.1m，起飛質(zhì)量約2000t，起飛推力約3000t，近地軌道運(yùn)載能力約29.5t（不含軌道器結(jié)構(gòu)質(zhì)量）。

航天飛機(jī)發(fā)射圖

航天發(fā)射系統(tǒng)

航天發(fā)射系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)重返月球的目標(biāo)，美國(guó)國(guó)家航空航天局于2011年啟動(dòng)了新一代“航天發(fā)射系統(tǒng)”的研制。為了實(shí)現(xiàn)高安全和可持續(xù)性，采用漸進(jìn)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(wù)和近地軌道以遠(yuǎn)的科學(xué)試驗(yàn)載荷發(fā)射任務(wù)提供支撐；SLS-1A在SLS-1基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升能力，并可適用于載貨任務(wù)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(cè)任務(wù)及近地軌道以遠(yuǎn)的載人任務(wù)。目前仍然處于研制階段，預(yù)計(jì)2020年實(shí)現(xiàn)SLS-1構(gòu)型首飛。

SLS-1是兩級(jí)半并聯(lián)構(gòu)型運(yùn)載火箭。一子級(jí)直徑8.4m，采用4臺(tái)RS-25E高壓補(bǔ)燃?xì)溲醢l(fā)動(dòng)機(jī)；二子級(jí)直徑8.4m，采用1臺(tái)RL-10B氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)；采用2個(gè)直徑3.7m的固體助推器，為分段式固體發(fā)動(dòng)機(jī)。SLS-1全長(zhǎng)97.8m，起飛質(zhì)量約2494t，起飛推力約3800t，近地軌道運(yùn)載能力約70t。

4 中國(guó)載人運(yùn)載火箭發(fā)展情況

長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭是在長(zhǎng)征二號(hào)捆綁運(yùn)載火箭基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，是我國(guó)目前唯一的載人運(yùn)載火箭。1999年11月20日，長(zhǎng)征二號(hào)F火箭把我國(guó)第一艘載人試驗(yàn)飛船—神舟一號(hào)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(guó)航天史上第二個(gè)重大里程碑。

長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭是兩級(jí)半并聯(lián)構(gòu)型。一子級(jí)直徑3.35m，采用4臺(tái)75t級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)；二子級(jí)直徑3.35m，采用1臺(tái)75t級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)；采用4個(gè)直徑2.25m的助推器，每個(gè)助推器安裝1臺(tái)75t級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)征二號(hào)F火箭全長(zhǎng)58.3m，起飛質(zhì)量約480t，起飛推力約604t，近地軌道運(yùn)載能力約8.2t。

5 發(fā)展規(guī)律及趨勢(shì)

載人運(yùn)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(diǎn)，這也是載人運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)的首要準(zhǔn)則。而冗余設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高可靠的有效手段，在載人運(yùn)載火箭發(fā)展之初即得到全面應(yīng)用，例如大力神-2LV-4火箭在大力神-2導(dǎo)彈的基礎(chǔ)上，對(duì)電源、制導(dǎo)控制、伺服機(jī)構(gòu)都采取了冗余設(shè)計(jì)，土星-V火箭中應(yīng)用了多數(shù)表決冗余技術(shù)，在N-1火箭中還采用發(fā)動(dòng)機(jī)冗余技術(shù)。正是在這一設(shè)計(jì)原則的指導(dǎo)下，載人運(yùn)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(zhǎng)征二號(hào)F火箭實(shí)際飛行成功率100%，航天飛機(jī)飛行成功率超過98%，遠(yuǎn)高于同時(shí)期的其他運(yùn)載火箭的成功率水平。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外載人運(yùn)載火箭的發(fā)展歷程，我們可以從中獲得如下經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

1）急于求成代價(jià)巨大。載人運(yùn)載火箭作為一個(gè)國(guó)家運(yùn)載火箭技術(shù)水平的重要標(biāo)志，各種新技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于提高火箭性能十分必要。在新技術(shù)的應(yīng)用過程中，應(yīng)該遵循“充分試驗(yàn)、逐步驗(yàn)證”的原則，將新技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。早期美蘇爭(zhēng)霸時(shí)期，航天活動(dòng)被賦予了過多冷戰(zhàn)對(duì)抗的政治目的，片面強(qiáng)調(diào)研制進(jìn)度和技術(shù)先進(jìn)，導(dǎo)致由于違背技術(shù)發(fā)展規(guī)律帶來慘痛的代價(jià)。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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)工作還必須采用十分復(fù)雜的動(dòng)力冗余重構(gòu)，本身技術(shù)跨度極大。同時(shí)由于當(dāng)時(shí)各方意見不統(tǒng)一，經(jīng)過多年?duì)幷撝钡?964年才確定技術(shù)方案，距離首飛時(shí)間僅僅5年，無法充分開展地面試驗(yàn)，甚至連一級(jí)模塊的全系統(tǒng)試車都未能開展，最終導(dǎo)致4次研制飛行試驗(yàn)全部失敗。反之，土星-V運(yùn)載火箭研制過程嚴(yán)格確保地面試驗(yàn)充分，克服了種種困難完成了3000t級(jí)全箭模態(tài)試驗(yàn)、一子級(jí)3500t級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)試車，并通過土星-I、IB火箭飛行逐步驗(yàn)證各種新技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)13次飛行任務(wù)全部成功。

2）逃逸系統(tǒng)必不可少。載人運(yùn)載火箭雖然在各個(gè)環(huán)節(jié)都采用了高可靠的設(shè)計(jì)，但是運(yùn)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(duì)于火箭研制已經(jīng)是極高的水平，但對(duì)于航天員的生命安全而言卻又遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此，載人運(yùn)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(jī)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(fēng)險(xiǎn)降低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。在航天飛機(jī)研制過程中，由于無法設(shè)置逃逸塔，早期設(shè)置的彈射座椅也由于彈出后不能承受固體發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)到99.3%，但仍然導(dǎo)致了挑戰(zhàn)者號(hào)飛行失利時(shí)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(gè)遺憾。反之，聯(lián)盟號(hào)火箭在1975、1983、2018年三次出現(xiàn)重大故障時(shí)均通過逃逸系統(tǒng)或飛船應(yīng)急救生完成航天員的安全逃逸，實(shí)現(xiàn)了載人航天高安全的目的。

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

1）近地以遠(yuǎn)載人任務(wù)需求日益迫切。美國(guó)實(shí)現(xiàn)載人登月后，受技術(shù)難度、應(yīng)用價(jià)值、國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力等的綜合影響，人類載人航天活動(dòng)逐漸回歸到近地空間。但探索浩渺宇宙是人類永恒的夢(mèng)想，隨著近幾十年來深空探測(cè)的開展和世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)日益深入和豐富，對(duì)載人探索的需求也日益迫切。美國(guó)重返月球即將成為現(xiàn)實(shí)，載人登火也已經(jīng)提上日程，并且越來越多的國(guó)家加入載人飛行活動(dòng)中。除了對(duì)載人火箭的運(yùn)載能力需求更大之外，對(duì)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(cè)試發(fā)射、零窗口發(fā)射等。

2）采用可校驗(yàn)試車發(fā)動(dòng)機(jī)降低風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性是影響運(yùn)載火箭可靠性的主要環(huán)節(jié)，而地面試車是暴露發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)具有可以開展地面校準(zhǔn)試車的顯著優(yōu)勢(shì)，在飛行任務(wù)前都可以通過校準(zhǔn)試車充分考核發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)載人飛行的可靠與安全。獵鷹-9火箭甚至在發(fā)射場(chǎng)正式飛行前還開展一子級(jí)9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的整模塊點(diǎn)火試驗(yàn)，通過地面試車確保飛行任務(wù)圓滿成功。

3）液體載人運(yùn)載火箭安全優(yōu)勢(shì)更加明顯。從國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程和趨勢(shì)來看，載人運(yùn)載火箭呈現(xiàn)固液并存的特點(diǎn)，美國(guó)的航天飛機(jī)和SLS都采用了固體助推器，而我國(guó)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(jiǎn)單，從火箭構(gòu)型來看有其自身的固有優(yōu)勢(shì)。但是固體推進(jìn)劑爆炸TNT當(dāng)量系數(shù)顯著高于液體火箭，最大可達(dá)到液氧煤油推進(jìn)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(qiáng)，載人飛船需要逃逸的安全距離更遠(yuǎn)。例如，起飛規(guī)模均為1000t推進(jìn)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(jìn)劑時(shí)僅需要182m。固體火箭安全距離越遠(yuǎn)，逃逸難度更大。并且由于允許逃逸的響應(yīng)時(shí)間往往有限，當(dāng)安全距離大到一定程度，為了使得載人飛船盡快到達(dá)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(jìn)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(kuò)散，允許載人逃逸系統(tǒng)的響應(yīng)和處置時(shí)間更短，也增加了逃逸系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度。而且由于固體推進(jìn)劑比沖性能低，達(dá)到相同的運(yùn)載能力需要的推進(jìn)劑更多，進(jìn)一步增加了固體火箭的爆炸當(dāng)量和逃逸難度。因此，盡管固、液載人運(yùn)載火箭未來一段時(shí)期內(nèi)仍然將長(zhǎng)期并存，但是從安全性角度出發(fā)無疑采用液體推進(jìn)劑具有更大優(yōu)勢(shì)。而美國(guó)在利用航天飛機(jī)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(jìn)的液體助推器替代固體助推器。

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

6 小結(jié)

本文通過國(guó)內(nèi)外載人運(yùn)載火箭的發(fā)展情況研究表明：載人運(yùn)載火箭發(fā)展必須要遵循“充分試驗(yàn)、逐步驗(yàn)證”的發(fā)展原則確保高可靠性，同時(shí)設(shè)置逃逸系統(tǒng)對(duì)于確保航天員的高安全性十分必要；未來載人運(yùn)載火箭應(yīng)立足近地以遠(yuǎn)載人飛行任務(wù)，宜采用液體發(fā)動(dòng)機(jī)并且實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)試車以提高火箭可靠性。