國內(nèi)外載人運(yùn)載火箭發(fā)展歷程分析與思考

武新峰，彭祺擘*，張海聯(lián)，逯耀鋒，呂紀(jì)遠(yuǎn)

(1. 中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094； 2. 中國載人航天工程辦公室，北京 100071)

1 引言

運(yùn)載火箭是目前人類進(jìn)入太空的主要工具，奠定了世界航天的發(fā)展基礎(chǔ)。從1961年人類首次進(jìn)入太空到1969年美國航天員登陸月球，再到近地軌道空間站大規(guī)模部署與在軌運(yùn)營，乃至當(dāng)前商業(yè)航天興起并迅猛發(fā)展，每一次人類航天事業(yè)的跨越發(fā)展都離不開運(yùn)載火箭技術(shù)的進(jìn)步。

中國的載人航天中，CZ-2F運(yùn)載火箭成功執(zhí)行了13次發(fā)射任務(wù)，先后將11名航天員送入太空，為中國載人航天事業(yè)取得輝煌成就提供了強(qiáng)有力的支撐[1]。

當(dāng)前，隨著中國載人航天即將進(jìn)入近地空間站時(shí)代，穩(wěn)步推進(jìn)載人月球探測和月球以遠(yuǎn)深空探測等相關(guān)預(yù)先研究工作，現(xiàn)有載人運(yùn)載火箭性能逐漸難以滿足后續(xù)載人航天發(fā)展需求，需要盡快布局研制新一代載人運(yùn)載火箭，充分利用當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)，打造一款安全可靠、性能先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)高效的載人運(yùn)載火箭，為中國載人航天事業(yè)未來幾十年發(fā)展提供支撐。

本文在研究國外載人運(yùn)載火箭發(fā)展歷程和現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，分析探討當(dāng)前載人運(yùn)載火箭發(fā)展的主要特點(diǎn)與趨勢，初步分析提出中國發(fā)展新一代載人運(yùn)載火箭的相關(guān)建議，為后續(xù)新一代載人運(yùn)載火箭方案論證和研制提供參考。

2 國外載人運(yùn)載火箭發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

載人運(yùn)載火箭不同于非載人運(yùn)載火箭，必須滿足人的過載、振動(dòng)、熱等環(huán)境要求和故障檢測及逃逸與應(yīng)急救生要求，需具備極高的可靠性和安全性，其研制難度、復(fù)雜程度、研制代價(jià)遠(yuǎn)高于非載人運(yùn)載火箭[2]。因此，截止目前，世界上僅美國、俄羅斯(蘇聯(lián))和中國研制并應(yīng)用了載人運(yùn)載火箭。進(jìn)入新世紀(jì)，隨著高新技術(shù)迅猛發(fā)展和航天發(fā)射市場逐漸開放，運(yùn)載火箭研制門檻不再高不可攀，世界各航天國家甚至商業(yè)公司均開始以載人為目標(biāo)探索研制運(yùn)載火箭。

2.1 美國

美國研制應(yīng)用的載人運(yùn)載器主要包括宇宙神D、大力神2 LV4、土星系列火箭和航天飛機(jī)[3]，目前在研的主力載人運(yùn)載火箭為航天發(fā)射系統(tǒng)(SLS)。2020年5月獵鷹9火箭完成首次載人發(fā)射，成為美國唯一一款現(xiàn)役載人運(yùn)載火箭。

20世紀(jì)50年代末，美國在宇宙神D洲際導(dǎo)彈基礎(chǔ)上改進(jìn)研制了第一枚載人運(yùn)載火箭，于1962年2月20日發(fā)射水星6號載人飛船，實(shí)現(xiàn)了美國人首次繞地球軌道飛行。1962年，在大力神2洲際導(dǎo)彈基礎(chǔ)上研制大力神2 LV4火箭，于1965年6月3日發(fā)射雙子星4號載人飛船，實(shí)現(xiàn)美國人首次在軌出艙活動(dòng)[3]。

1958年起，美國開始研制用于載人登月的大型液體運(yùn)載火箭，先后研制了包括土星I、土星1B和土星V 3種構(gòu)型。土星I火箭主要驗(yàn)證大型液體運(yùn)載火箭技術(shù)，開展近地軌道飛行試驗(yàn)驗(yàn)證；土星1B火箭主要驗(yàn)證阿波羅飛船、土星V火箭三級、軌道機(jī)動(dòng)和空間交會(huì)對接等技術(shù)，為土星V研制積累了大量經(jīng)驗(yàn)，并執(zhí)行了3次天空實(shí)驗(yàn)室載人發(fā)射任務(wù)。土星V是目前世界上最大的載人運(yùn)載火箭，采用三級構(gòu)型，全箭高約111 m，起飛推力約34 029 kN，起飛質(zhì)量約2946 t，LEO運(yùn)載能力約120 t。土星V首次將人類送上了月球，13次發(fā)射任務(wù)全部成功，奠定了美國在世界航天領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

航天飛機(jī)是世界上第一種部分重復(fù)使用航天運(yùn)載器，1969年開始研制，1981年哥倫比亞號首次飛行。航天飛機(jī)高約56.1 m，起飛推力約30 803 kN，起飛質(zhì)量約2041 t，LEO運(yùn)載能力約29.5 t，累計(jì)執(zhí)行135次發(fā)射任務(wù)，共將355名航天員送入太空。

2005年起美國開始實(shí)施星座計(jì)劃，研制戰(zhàn)神I載人運(yùn)載火箭和戰(zhàn)神V貨運(yùn)運(yùn)載火箭。戰(zhàn)神I火箭采用兩級串聯(lián)構(gòu)型，一級為5段式固體助推器，二級采用氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，全箭高約94.2 m，起飛推力約16 000 kN，起飛質(zhì)量約907 t，LEO運(yùn)載能力約25 t。2009年戰(zhàn)神I火箭飛行試驗(yàn)成功，但在2010年因星座計(jì)劃取消而終止研制。

2011年，NASA啟動(dòng)SLS火箭研制，包括SLS-1、SLS-1B和SLS-2 3種構(gòu)型。SLS-1火箭采用兩級半構(gòu)型，芯一級直徑8.4 m、安裝4臺(tái)RS-25D氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)；助推器采用2個(gè)5段式固體發(fā)動(dòng)機(jī)；上面級基于德爾它IV二級進(jìn)行改進(jìn)，直徑5 m、采用1臺(tái)RL10B-2氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，全箭高約97.8 m，起飛推力約39 440 kN，起飛質(zhì)量約2591 t，LEO運(yùn)載能力為95 t。SLS-1B在SLS-1基礎(chǔ)上改進(jìn)，采用EUS上面級，直徑為8.4 m，安裝4臺(tái)RL10C-3氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，LEO運(yùn)載能力約105 t。SLS-2在SLS-1B基礎(chǔ)上改進(jìn)，采用改進(jìn)的固體助推器，LEO運(yùn)載能力達(dá)到130 t[4]。SLS火箭主要用于開展載人登月和載人登火等深空探測任務(wù)，計(jì)劃于2021年首飛執(zhí)行Artemis-1無人飛行任務(wù)，支持2024年實(shí)現(xiàn)美國人重返月球。

獵鷹9火箭由美國SpaceX公司研制，主要用于低成本商業(yè)發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了火箭一子級垂直回收和多次重復(fù)使用。獵鷹9火箭為兩級構(gòu)型，采用液氧煤油推進(jìn)劑，全箭高約70 m，起飛推力約7607 kN，起飛質(zhì)量約549 t，LEO運(yùn)載能力約22.8 t[5]。隨著獵鷹9火箭執(zhí)行衛(wèi)星和空間站貨運(yùn)發(fā)射次數(shù)增加，可靠性不斷提高，成功實(shí)現(xiàn)載人飛行，為后續(xù)開展商業(yè)載人發(fā)射奠定了基礎(chǔ)。獵鷹重型運(yùn)載火箭是獵鷹9火箭的衍生構(gòu)型，一級并聯(lián)捆綁三個(gè)獵鷹9火箭一子級，二級直接采用獵鷹9火箭二子級，LEO運(yùn)載能力約63.8 t。該火箭采用模塊化設(shè)計(jì)，一級發(fā)動(dòng)機(jī)具備較強(qiáng)動(dòng)力冗余能力，大大提高了任務(wù)可靠性。2018年2月成功首飛后，2019年執(zhí)行了2次商業(yè)發(fā)射任務(wù)。此外，SpaceX公司提出研制名為Starship-Super Heavey的完全重復(fù)使用運(yùn)載火箭和飛船系統(tǒng)，其一級為超重型運(yùn)載火箭(Super Heavey)，箭體直徑為9 m，安裝31臺(tái)猛禽液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，二級為帶翼式在軌飛行器星艦(Starship)，LEO運(yùn)載能力約100 t，最多可容納100人[6]。

如圖1所示，縱觀美國載人運(yùn)載火箭發(fā)展歷程，從基于導(dǎo)彈改進(jìn)研制到專門設(shè)計(jì)載人運(yùn)載火箭，從近地軌道運(yùn)載能力幾噸到上百噸，技術(shù)逐步成熟、性能不斷提升。

圖1 美國載人運(yùn)載火箭發(fā)展歷程Fig.1 Development of American crew launch vehicles

目前，美國主要依賴俄羅斯聯(lián)盟號火箭執(zhí)行空間站載人發(fā)射任務(wù)，隨著獵鷹9火箭載人發(fā)射成功，SLS火箭即將首飛，美國在載人發(fā)射方面又將重新回到世界領(lǐng)先位置。在Artemis計(jì)劃中，通過部署月球軌道空間站支持開展載人登月和載人登火任務(wù)，美國一方面聯(lián)合俄羅斯、歐洲、加拿大、日本等開展國際合作，主導(dǎo)世界載人深空探測活動(dòng)，保持其世界領(lǐng)先地位；另一方面積極引入獵鷹9火箭、龍飛船、新格倫火箭等私營航天力量，拓展任務(wù)靈活性、降低成本，促進(jìn)其載人航天運(yùn)輸力量的發(fā)展。

2.2 俄羅斯

俄羅斯載人運(yùn)載火箭主要包括東方號、聯(lián)盟號、N1和能源號火箭，目前規(guī)劃(或在研)主要包括安加拉A5P、聯(lián)盟-5、葉尼塞和頓河運(yùn)載火箭等。

東方號火箭是蘇聯(lián)在R-7導(dǎo)彈基礎(chǔ)上研制，是世界上第一枚載人運(yùn)載火箭，于1961年4月將世界上第一位航天員尤里·加加林送入太空。聯(lián)盟號運(yùn)載火箭是在東方號基礎(chǔ)上改進(jìn)研制，采用兩級半構(gòu)型，全箭高約51 m，起飛推力約4939 kN，起飛質(zhì)量約310 t，LEO運(yùn)載能力7.2 t。截止目前，聯(lián)盟號運(yùn)載火箭仍在執(zhí)行國際空間站載人發(fā)射任務(wù)，是世界上發(fā)射次數(shù)最多的運(yùn)載火箭[3]。

蘇聯(lián)曾為載人登月研制了N1載人運(yùn)載火箭，采用串聯(lián)式五級構(gòu)型方案，整體呈錐形，一級、二級和三級均采用液氧煤油推進(jìn)劑，全箭高約105 m，起飛推力約44 100 kN，起飛質(zhì)量約2750 t，LEO運(yùn)載能力約95 t[7]。N1火箭連續(xù)進(jìn)行了4次飛行試驗(yàn)，均以失敗告終，最終導(dǎo)致前蘇聯(lián)終止N1火箭研制，并取消了載人登月計(jì)劃[8]。此后，蘇聯(lián)為發(fā)射暴風(fēng)雪號航天飛機(jī)研制了能源號運(yùn)載火箭，芯一級直徑約8 m，采用4臺(tái)RD-0120氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)；捆綁4個(gè)助推器，助推器直徑3.9 m、安裝1臺(tái)RD-170液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，全箭高約60 m，LEO運(yùn)載能力約105 t。能源號運(yùn)載火箭共發(fā)射2次，均取得成功，尤其是RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)的成功研制為后續(xù)俄羅斯運(yùn)載火箭發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

近年來，隨著美國宣布重返月球，世界各航天大國對新型、大型運(yùn)載火箭的需求更加迫切，俄羅斯在經(jīng)濟(jì)形勢恢復(fù)和政治環(huán)境趨好的背景下也提出載人月球探測計(jì)劃[9]，并宣布研制新型載人運(yùn)載火箭。2007年俄羅斯提出在安加拉A5火箭基礎(chǔ)上，取消二子級和上面級，增加了逃逸系統(tǒng)，形成中型載人運(yùn)載火箭安加拉A5P方案，全箭高約67 m，起飛推力約9610 kN，起飛質(zhì)量約716 t，LEO運(yùn)載能力約20.8 t，主要任務(wù)是發(fā)射PTK NP載人飛船。

2017年，俄羅斯宣布研制聯(lián)盟-5號火箭，取代安加拉A5P火箭執(zhí)行未來載人發(fā)射任務(wù)，該火箭采用兩級串聯(lián)構(gòu)型，一級直徑4.1 m、安裝1臺(tái)RD-171MV液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，全箭高約65.9 m，起飛推力約7840 kN，起飛質(zhì)量約534 t，LEO運(yùn)載能力約15.4 t(增加上面級后，LEO運(yùn)載能力約18 t)[10-11]，聯(lián)盟-5火箭預(yù)計(jì)2022年首飛。

2018年俄羅斯宣布研制葉尼塞超重型運(yùn)載火箭，該火箭采用一級半構(gòu)型，芯級采用1臺(tái)RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)，捆綁6個(gè)助推器，每個(gè)助推器采用1臺(tái)YF-170MV發(fā)動(dòng)機(jī)，全箭高約79 m，起飛推力約50 865 kN，起飛質(zhì)量約3160 t，LEO運(yùn)載能力約102 t，預(yù)計(jì)2028年首飛。后期，在葉尼塞火箭基礎(chǔ)上增加芯二級，形成頓河號火箭，LEO運(yùn)載能力約130 t[12]。

如圖2所示，縱觀蘇聯(lián)/俄羅斯載人運(yùn)載火箭發(fā)展歷程，聯(lián)盟號系列載人火箭為其成為世界航天強(qiáng)國提供了極其重要的支撐。聯(lián)盟號運(yùn)載火箭不斷改進(jìn)發(fā)展，貨運(yùn)與載人火箭技術(shù)狀態(tài)基本相同，大大提高了火箭可靠性。20世紀(jì)末俄羅斯載人航天事業(yè)發(fā)展緩慢，但蘇聯(lián)時(shí)代積累了雄厚的技術(shù)成果，尤其是總體設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)和箭體加工制造等方面均處于世界領(lǐng)先水平，也為后續(xù)重型載人運(yùn)載火箭研制提供了良好的基礎(chǔ)條件。近年來俄羅斯雖公布了多個(gè)版本載人運(yùn)載火箭研制方案，實(shí)際研制工作卻進(jìn)展緩慢，未來仍可能出現(xiàn)一些變數(shù)，但其在載人運(yùn)載火箭方面仍具有相當(dāng)大的技術(shù)優(yōu)勢。

圖2 俄羅斯載人運(yùn)載火箭發(fā)展歷程 Fig.2 Development of Russian crew launch vehicles

2.3 其他國家

載人航天工程是一個(gè)國家綜合國力的體現(xiàn)，發(fā)展載人航天需要政治支持、經(jīng)濟(jì)允許和社會(huì)穩(wěn)定等外部環(huán)境，同時(shí)也要匹配世界航天發(fā)展步伐。在上世紀(jì)六、七十年代，美蘇爭霸的背景下載人航天高速發(fā)展，取得巨大成就的同時(shí)，形成了由美國主導(dǎo)的世界航天發(fā)展格局。尤其是國際空間站的建造和運(yùn)營，從某種程度上大大占用了參與國家航天發(fā)展的精力和資源，削弱了其他國家獨(dú)立開展載人航天的熱情和能力，因此其余各國均未能研發(fā)出載人運(yùn)載火箭。

如圖3所示，歐空局主要研制了阿里安5火箭，LEO運(yùn)載能力約21 t，并計(jì)劃研制更低成本的阿里安6火箭；日本在H-2A火箭基礎(chǔ)上發(fā)展了H-2B運(yùn)載火箭，主要用于國際空間站運(yùn)送貨物、發(fā)射地球同步轉(zhuǎn)移軌道衛(wèi)星等，LEO運(yùn)載能力約16.5 t；印度研制了PSLV火箭和GSLV火箭，主要用于衛(wèi)星發(fā)射，LEO運(yùn)載能力分別為1.5 t和5 t，后續(xù)也計(jì)劃研制新型載人運(yùn)載火箭開展載人月球探測活動(dòng)；另外，以色列、朝鮮和韓國也都在研制運(yùn)載火箭。

圖3 其他國家主要運(yùn)載火箭Fig.3 Typical foreign launch vehicles

3 國外載人運(yùn)載火箭發(fā)展特點(diǎn)與趨勢

載人運(yùn)載火箭已經(jīng)歷了近60年的發(fā)展，推動(dòng)和見證了人類走向太空。當(dāng)前，以美國、俄羅斯為主的航天強(qiáng)國將探索目標(biāo)瞄向月球及以遠(yuǎn)的深空，并將火星作為長遠(yuǎn)目標(biāo)，持續(xù)拓展人類活動(dòng)疆域，載人運(yùn)載火箭也迎來了全面升級換代的歷史機(jī)遇。

3.1 適應(yīng)載人深空探測

從美、俄載人運(yùn)載火箭研制規(guī)劃可以看出，新研載人運(yùn)載火箭主要面向載人登月、載人登火等深空探測發(fā)射任務(wù)，這就決定了載人運(yùn)載火箭規(guī)模更大，研制難度更大。

3.1.1 提升質(zhì)量規(guī)模

運(yùn)載火箭的規(guī)模主要取決于探測任務(wù)目標(biāo)定位和任務(wù)需求。以近期目標(biāo)載人月球探測為例，前期分析[13]表明，不同的飛行模式和方案對應(yīng)了不同的運(yùn)載火箭規(guī)模。如果一次性發(fā)射飛船和著陸器組合體(即人貨合運(yùn)[14])，如阿波羅登月和N1-L3計(jì)劃，要求運(yùn)載火箭LEO運(yùn)載能力達(dá)到百噸級。如采用人貨分運(yùn)模式，分別發(fā)射載人飛船和著陸器：當(dāng)采用飛行器近地軌道一次對接時(shí)，可選用較小的載人運(yùn)載火箭發(fā)射小型載人飛船和較大的貨運(yùn)運(yùn)載火箭發(fā)射著陸器，如星座計(jì)劃中的戰(zhàn)神I和戰(zhàn)神V火箭；當(dāng)采用飛行器環(huán)月軌道對接時(shí)，載人飛船和著陸器可采用同一型運(yùn)載火箭進(jìn)行2次發(fā)射，不同的任務(wù)目標(biāo)對運(yùn)載能力需求也不相同，文獻(xiàn)[13]分析得到LEO運(yùn)載能力需求約65 t。表1給出了幾種不同飛行方案的典型飛行器和運(yùn)載火箭質(zhì)量規(guī)模?？梢钥闯觯?0世紀(jì)六、七十年代的登月競賽中，美蘇均選擇研制百噸級規(guī)模的重型運(yùn)載火箭，采用一次性發(fā)射的登月方案。當(dāng)前，美俄均計(jì)劃建立月球軌道空間站[15]，環(huán)月軌道對接和基于月球軌道空間站登月方式成為兩國共同的選擇。無論是SLS火箭還是葉尼塞運(yùn)載火箭，其最終目標(biāo)均是更遠(yuǎn)的深空，因此運(yùn)載能力更大，且兼顧載人與貨物運(yùn)輸功能。

表1 不同飛行方案的飛行器和運(yùn)載火箭質(zhì)量規(guī)模

3.1.2 優(yōu)化構(gòu)型參數(shù)

運(yùn)載火箭的質(zhì)量規(guī)模影響構(gòu)型和總體參數(shù)，圖4給出了部分總體參數(shù)的關(guān)系，可通過基本公式和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對火箭方案進(jìn)行初步估計(jì)判斷。通過運(yùn)載效率、推重比和長細(xì)比等參數(shù)統(tǒng)計(jì)，可以看出各國載人運(yùn)載火箭的特點(diǎn)。

圖4 運(yùn)載火箭總體參數(shù)的關(guān)系Fig.4 The relationship of main parameters of launch vehicles

如表2所示，從火箭構(gòu)型對比分析，在早期登月競賽過程中，美蘇的重型載人火箭均選擇了結(jié)構(gòu)形式簡單、總體結(jié)構(gòu)功效高、可靠性較高的串聯(lián)構(gòu)型火箭[16]，目前中、小型載人火箭主要選擇串聯(lián)構(gòu)型，而大型、重型載人火箭則選擇捆綁構(gòu)型。捆綁火箭的優(yōu)點(diǎn)是縮短火箭長度、穩(wěn)定性好、可靠性高，通過不同捆綁數(shù)量可以衍生出不同運(yùn)載能力的系列運(yùn)載火箭構(gòu)型，運(yùn)載能力覆蓋性好[16]。同時(shí)，重型運(yùn)載火箭呈現(xiàn)出通用化、模塊化、系列化的發(fā)現(xiàn)趨勢，特別是通用芯級捆綁構(gòu)型火箭芯一級和助推器基本相同，減少模塊種類，具有較明顯的優(yōu)勢，如獵鷹重型、安加拉系列等。

表2 典型載人運(yùn)載火箭的主要參數(shù)

從運(yùn)載火箭級數(shù)分析，增加級數(shù)并在火箭飛行段拋掉結(jié)構(gòu)死重有利于提高運(yùn)載能力，但增加級數(shù)會(huì)帶來級間分離、發(fā)動(dòng)機(jī)高空起動(dòng)等復(fù)雜操作，降低飛行可靠性。表2可以看出，土星V火箭采用三級入軌的方式，第三級發(fā)動(dòng)機(jī)第一次工作后進(jìn)入近地停泊軌道并關(guān)機(jī)，滑行約2.5 h后第二次起動(dòng)，將飛船送入地月轉(zhuǎn)移軌道。N1火箭采用四級入軌模式，前三級工作完成后進(jìn)入近地軌道，由第四級進(jìn)行地月轉(zhuǎn)移加速，將登月飛行器送入地月轉(zhuǎn)移軌道，第五級完成近月制動(dòng)[17]。目前，SLS火箭采用兩級半構(gòu)型，通過芯二級一次工作后進(jìn)入停泊軌道滑行，之后發(fā)動(dòng)機(jī)第二次起動(dòng)工作，將飛船送入地月轉(zhuǎn)移軌道；葉尼塞火箭采用一級半入軌模式，需要配合上面級完成地月轉(zhuǎn)移加速?？傮w看來，對于近地軌道任務(wù)，較為優(yōu)化的是兩級串聯(lián)、一級半或兩級半捆綁構(gòu)型；對于高軌、深空探測發(fā)射任務(wù)，通常需要再增加一級或者采用上面級飛行器。

從推進(jìn)劑類型分析，就國內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)性能水平而言，固體推進(jìn)劑海平面比沖約250 s，常規(guī)推進(jìn)劑海平面比沖約270 s，液氧煤油推進(jìn)劑海平面比沖約310 s，液氫液氧推進(jìn)劑海平面比沖約360 s(真空比沖約460 s)[18]。表2可以看出，美國土星V火箭選擇液氧煤油和氫氧推進(jìn)劑組合方案，戰(zhàn)神I和SLS火箭采用了固體推進(jìn)劑和氫氧推進(jìn)劑組合方案，獵鷹9采用了全液氧煤油方案；俄羅斯則主要選用液氧煤油推進(jìn)劑。選擇推進(jìn)劑一方面要考慮推進(jìn)劑性能，但更多還是結(jié)合各國自身?xiàng)l件、發(fā)動(dòng)機(jī)研制基礎(chǔ)和優(yōu)勢進(jìn)行選擇。

從運(yùn)載火箭推重比分析，戰(zhàn)神I和SLS-1火箭等采用固體助推器的捆綁火箭推重比較大，能夠縮短大氣層內(nèi)飛行時(shí)間，減小重力損失；但會(huì)相應(yīng)增大過載，執(zhí)行載人發(fā)射任務(wù)時(shí)需將過載控制在航天員可承受范圍內(nèi)。推重比一方面表征火箭起飛上升段的加速性能，另一方面也體現(xiàn)火箭上升過程中的動(dòng)力冗余能力[19]。對于多發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)的液體運(yùn)載火箭，推重比大時(shí)可以進(jìn)行動(dòng)力冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)某臺(tái)或多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，故障發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)關(guān)閉，控制系統(tǒng)重新規(guī)劃飛行彈道以繼續(xù)完成飛行任務(wù)。如N1火箭一級安裝30臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，最多可允許關(guān)閉4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)；獵鷹9火箭在2012年一次發(fā)射任務(wù)中發(fā)動(dòng)機(jī)故障，關(guān)閉故障發(fā)動(dòng)機(jī)后進(jìn)行彈道重構(gòu)，最終順利將龍飛船送入預(yù)定軌道。通過動(dòng)力冗余設(shè)計(jì)，顯著提高了運(yùn)載火箭飛行可靠性和適應(yīng)性[19]。

從運(yùn)載火箭長細(xì)比分析，長細(xì)比較大時(shí)不利于火箭穩(wěn)定性控制，且箭體過長會(huì)增加研制生產(chǎn)、試驗(yàn)、總裝、運(yùn)輸、發(fā)射等方面的難度。因此傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般通過捆綁助推器、增加箭體直徑等方式降低火箭高度，將長細(xì)比控制在一定范圍內(nèi)。近年來，隨著控制算法和控制能力的發(fā)展提升，長細(xì)比約束逐漸減弱，比如獵鷹9火箭和葉尼塞火箭的長細(xì)比分別達(dá)到了19.13和19.27。長細(xì)比確定涉及全箭載荷、結(jié)構(gòu)效率、姿控穩(wěn)定性等多方面的因素，需要全面綜合的優(yōu)化設(shè)計(jì)[20]。

3.2 重視技術(shù)繼承確保高可靠性

美、俄新型載人運(yùn)載火箭方案的一個(gè)主要特點(diǎn)是大量采用成熟產(chǎn)品和已有技術(shù)成果，提高運(yùn)載火箭的固有可靠性。

3.2.1 采用循序漸進(jìn)的研制模式

美國通過研制土星V系列和航天飛機(jī)積累了大量工程經(jīng)驗(yàn)，形成了較為完善的研制模式和生產(chǎn)體系。在新研重型運(yùn)載火箭過程中，繼承了大量航天飛機(jī)的技術(shù)和產(chǎn)品，包括芯級主發(fā)動(dòng)機(jī)、固體助推器、8.4 m直徑箭體結(jié)構(gòu)等產(chǎn)品以及德爾它4運(yùn)載火箭上面級的發(fā)動(dòng)機(jī)和箭體結(jié)構(gòu)。盡管從戰(zhàn)神I和戰(zhàn)神V火箭方案到SLS火箭方案產(chǎn)生了變化，但是總體技術(shù)方向和研究工作一直持續(xù)推進(jìn)，保證了產(chǎn)品和技術(shù)研究的延續(xù)性。如圖5所示，SLS火箭方案研制按照LEO 95 t-105 t-130 t(LTO 26 t-37 t-45 t)的運(yùn)載能力梯度進(jìn)行研制，逐步驗(yàn)證和應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，逐漸提升火箭綜合能力。另外，SpaceX公司在研制獵鷹9、獵鷹重型、龍飛船和星艦過程中，也采用了逐步驗(yàn)證、逐級實(shí)現(xiàn)、逐漸提升的研制策略，按照獵鷹1-獵鷹9-獵鷹重型形成運(yùn)載能力，從一次性火箭到重復(fù)使用火箭、從貨運(yùn)龍飛船到載人龍飛船，逐步驗(yàn)證技術(shù)、提高可靠性，確保了研制進(jìn)度，大大降低了研制風(fēng)險(xiǎn)和研制成本。

圖5 SLS火箭構(gòu)型圖[21]Fig.5 The configuration of SLS[21]

蘇聯(lián)N1火箭研制過程受到國內(nèi)外競爭壓力和政治環(huán)境影響，研制時(shí)間被大大壓縮，產(chǎn)品質(zhì)量控制得不到保證，箭體結(jié)構(gòu)和各系統(tǒng)沒有得到充分考核和試驗(yàn)驗(yàn)證，導(dǎo)致N1火箭4次發(fā)射失敗后所暴露的重大問題仍只停留在一、二級分離之前，這給蘇聯(lián)運(yùn)載火箭發(fā)展造成了重大損失。俄羅斯在安加拉火箭過程中，采取了模塊化、系列化研制思路，從安加拉A1開展研制和飛行驗(yàn)證，逐步拓展到安加拉A3、A5等捆綁構(gòu)型。最新公布的重型火箭也采用了類似的研制思路，從聯(lián)盟-5串聯(lián)構(gòu)型火箭到葉尼塞號一級半捆綁火箭，再到頓河號兩級半捆綁火箭，研制過程也是循序漸進(jìn)，逐級驗(yàn)證，確保火箭的每項(xiàng)新技術(shù)和每一級模塊都經(jīng)過充分驗(yàn)證，降低重型火箭研制難度和風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2 發(fā)揮動(dòng)力技術(shù)優(yōu)勢

發(fā)動(dòng)機(jī)是運(yùn)載火箭研制的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，美俄均選擇了基于成熟發(fā)動(dòng)機(jī)研制新型載人運(yùn)載火箭的發(fā)展路線。如表3所示，美國先后研制了J-2(J-2X)、RS-25(SSME、RS-25D/E)、RS-68(RS-68 A)、RL10(RL10-A、RL10-B)等高性能氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，成功用于土星系列、航天飛機(jī)、德爾它系列等運(yùn)載火箭，并應(yīng)用過程中持續(xù)改進(jìn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)推力、比沖、推重比和推力調(diào)節(jié)范圍等性能參數(shù)方面處于世界領(lǐng)先水平。美國在新研運(yùn)載火箭時(shí)，可選用的發(fā)動(dòng)機(jī)較多，戰(zhàn)神V選擇RS-68 A作為主發(fā)動(dòng)機(jī)，SLS火箭則選擇RD-25D作為主發(fā)動(dòng)機(jī)[22]。在液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)方面，美國為土星V研制的F-1發(fā)動(dòng)機(jī)為阿波羅登月奠定了基礎(chǔ)；SpaceX公司持續(xù)改進(jìn)Merlin發(fā)動(dòng)機(jī)，使其具備非常優(yōu)異的性能，并成功用于獵鷹重型運(yùn)載火箭，實(shí)現(xiàn)了基于多臺(tái)數(shù)、小推力發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)建重型運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)理念跨越。

表3 美國主要液體發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)[23]

如表4所示，俄羅斯自始至終均致力于研制液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，形成了RD-107、NK-33、RD-170、RD-180、RD-191等一系列高性能水平發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)用于聯(lián)盟號、天頂號、宇宙神-5、安加拉號等運(yùn)載火箭。俄羅斯在液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)研制和應(yīng)用方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)性能處于世界領(lǐng)先水平。在氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)方面，如RD-0120和RD-0146發(fā)動(dòng)機(jī)，推力量級相對較小，主要與液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)配合用于上面級。在新研重型運(yùn)載火箭過程中，俄羅斯選擇采用RD-171MV、RD-180液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和RD-0146氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，充分發(fā)揮了自身發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢。

表4 俄羅斯主要液體發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)[23]

3.3 采用先進(jìn)技術(shù)提高性能水平

美、俄新研載人運(yùn)載火箭采用成熟技術(shù)的同時(shí)，也大量采用了當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)，帶動(dòng)了技術(shù)進(jìn)步，大幅提高運(yùn)載火箭性能，滿足更高的任務(wù)需求。

3.3.1 實(shí)現(xiàn)較高的運(yùn)載效率

運(yùn)載效率是有效載荷質(zhì)量與火箭起飛質(zhì)量之比，能夠直觀反映運(yùn)載火箭的性能水平。圖6可以看出，目前國內(nèi)外載人運(yùn)載火箭質(zhì)量規(guī)模主要集中在500～1000 t和2500～3000 t兩個(gè)區(qū)間，前者用于近地軌道發(fā)射任務(wù)，后者則主要用于載人深空探測發(fā)射任務(wù)；運(yùn)載效率主要集中在3%～4%左右。對于深空探測任務(wù)，運(yùn)載火箭規(guī)模對運(yùn)載效率非常敏感，比如SLS-1火箭和N1火箭運(yùn)載能力均為95 t，運(yùn)載效率僅相差0.21%，但起飛質(zhì)量相差達(dá)到159 t。起飛質(zhì)量增加會(huì)大大提高研制生產(chǎn)、地面試驗(yàn)、運(yùn)輸、發(fā)射等方面難度和成本，因此美俄均積極采取有效措施最大程度提高運(yùn)載效率，使運(yùn)載火箭質(zhì)量規(guī)模控制在合理、可承受的范圍內(nèi)。

圖6 典型載人運(yùn)載火箭運(yùn)載能力與效率Fig.6 The payload capacity and efficiency of typical crew launch vehicles

3.3.2 廣泛采用先進(jìn)技術(shù)

提升火箭運(yùn)載效率的主要措施包括總體優(yōu)化設(shè)計(jì)、提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能、降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量等[24]。在運(yùn)載火箭總體優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，美俄采用了先進(jìn)設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，如基于發(fā)射概率設(shè)計(jì)方法、主動(dòng)減載設(shè)計(jì)方法、自適應(yīng)在線規(guī)劃控制方法等；在研制應(yīng)用階段，持續(xù)對總體方案進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到性能最優(yōu)，例如獵鷹9火箭將一級發(fā)動(dòng)機(jī)由3×3布局改為中心1臺(tái)、周邊8臺(tái)布局。

發(fā)動(dòng)機(jī)作為運(yùn)載火箭的心臟，對運(yùn)載火箭性能提升起到至關(guān)重要作用。一款發(fā)動(dòng)機(jī)研制成功后，通常會(huì)應(yīng)用于多個(gè)火箭型號，并且會(huì)持續(xù)改進(jìn)升級，甚至衍生出多個(gè)系列產(chǎn)品。如圖7所示，以RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)為例，從1976年開始研制，歷時(shí)12年研制成功，應(yīng)用于能源號、天頂號等運(yùn)載火箭；在此基礎(chǔ)上，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)性又研制了RD-180和RD-191發(fā)動(dòng)機(jī)；2015年開始改進(jìn)研制RD-170MV發(fā)動(dòng)機(jī)，海平面推力由7256 kN提高到7840 kN，用于構(gòu)建葉尼塞和頓河重型運(yùn)載火箭[23, 25]。發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升最具代表性的是Merlin發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過多次改進(jìn)其海平面推力由323 kN提升到845 kN，且具有55%～100%的推力調(diào)節(jié)能力，為獵鷹9火箭實(shí)現(xiàn)垂直回收、重復(fù)使用提供了重要支撐。

箭體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)也是運(yùn)載效率提高的重要途徑，表 5給出了部分典型載人運(yùn)載火箭芯一級、二級的結(jié)構(gòu)系數(shù)，可以看出獵鷹9芯一級結(jié)構(gòu)系數(shù)為5.1%，芯二級結(jié)構(gòu)系數(shù)為3.7%，是結(jié)構(gòu)輕量化水平最高的。一方面，Merlin發(fā)動(dòng)機(jī)推重比高，較其他液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)減重60%以上；另一方面采用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和準(zhǔn)則，大量采用了鋁鋰合金、碳纖維復(fù)合材料等先進(jìn)新材料，使用框桁式貯箱、整體成型箱底、碳纖維箭體艙段等新結(jié)構(gòu)(圖8)，以及攪拌摩擦焊等新工藝，使得箭體結(jié)構(gòu)大幅減重[26]。

圖7 RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)衍生和Merlin1發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)歷程Fig.7 The evolution of RD-170 and improvement of merlin engine

表5 典型載人運(yùn)載火箭一級、二級結(jié)構(gòu)系數(shù)

圖8 獵鷹9火箭的新材料新工藝應(yīng)用Fig.8 The application of new materials and technologies in Falcon 9

另外，增加推進(jìn)劑加注量、減少推進(jìn)劑剩余量(不可用量)也是提高火箭運(yùn)載性能的重要途徑。如獵鷹9火箭采用推進(jìn)劑過冷加注技術(shù)，在同體積貯箱中加注更多推進(jìn)劑，有效提升了運(yùn)載能力。

4 發(fā)展新型載人運(yùn)載火箭的初步建議

中國現(xiàn)有CZ-2F載人火箭是在CZ-2E火箭基礎(chǔ)上改進(jìn)研制，大量采用冗余設(shè)計(jì)，增加故障檢測處理系統(tǒng)和逃逸系統(tǒng)，并根據(jù)歷次任務(wù)中出現(xiàn)的問題，進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化，大大提高了火箭的可靠性和安全性[8]。截止目前，CZ-2F火箭已成功完成載人飛船工程、空間實(shí)驗(yàn)室工程的發(fā)射任務(wù)，后續(xù)還將繼續(xù)執(zhí)行空間站工程的載人發(fā)射任務(wù)。

CZ-2F火箭為兩級半構(gòu)型，采用常規(guī)推進(jìn)劑，全箭高約58.3 m，起飛重量約480 t，LEO運(yùn)載能力約8.6 t，運(yùn)載效率約1.71%[27]。與國外先進(jìn)載人運(yùn)載火箭相比，CZ-2F火箭仍屬于第一代載人運(yùn)載火箭，在運(yùn)載能力、運(yùn)載效率、先進(jìn)性等方面存在差距。目前，中國已經(jīng)成功研制了CZ-5[28]、CZ-7[29-30]等新一代運(yùn)載火箭[31](圖9)，為研制新一代載人運(yùn)載火箭奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖9 CZ-2F載人運(yùn)載火箭和新一代運(yùn)載火箭Fig.9 CZ-2F crew launch vehicle and new generation launch vehicles

在當(dāng)前我國信息技術(shù)高速發(fā)展、工業(yè)制造能力大幅提升、火箭研制經(jīng)驗(yàn)積累豐富和認(rèn)識深入的新時(shí)代背景下，如何研制一款達(dá)到世界先進(jìn)水平的新一代載人運(yùn)載火箭，是論證和研制過程中都必須考慮的問題。

4.1 需求定位

近年來，中國在無人深空探測方面取得了重大突破，儲(chǔ)備和驗(yàn)證了載人月球探測相關(guān)技術(shù)，為開展載人月球探測提供了很好的條件。著眼于載人月球探測等深空探測發(fā)射任務(wù)，并兼顧支持近地軌道空間站運(yùn)營等發(fā)射任務(wù)，推進(jìn)中國載人運(yùn)載火箭升級換代，亟需開展新型載人運(yùn)載火箭研制。綜合國外情況，新一代載人運(yùn)載火箭是下一步開展載人深空探測的基礎(chǔ)：一方面需要大幅提升運(yùn)載能力和運(yùn)載效率，LTO運(yùn)載能力至少應(yīng)達(dá)到25 t級，與世界未來載人運(yùn)載火箭保持相同的能力水平；另一方面需要考慮研制進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)成本、長遠(yuǎn)發(fā)展需要，滿足未來載人航天發(fā)射需求，形成系列化型譜，為中國載人航天事業(yè)未來幾十年的發(fā)展提供支撐。

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)選擇

CZ-5、CZ-7等新一代運(yùn)載火箭的技術(shù)成果、研制設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施等條件為新一代載人運(yùn)載火箭研制奠定了良好基礎(chǔ)，可大大降低研制風(fēng)險(xiǎn)，滿足高可靠性要求。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)是運(yùn)載火箭中研制難度最大、技術(shù)含量最高的產(chǎn)品，中國液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)包括YF-100、YF-115、YF-100 K發(fā)動(dòng)機(jī)，氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)包括YF-77、YF-75、YF-75D發(fā)動(dòng)機(jī)。其中，YF-100 K泵后擺發(fā)動(dòng)機(jī)[32]是在YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)研制，綜合性能提高，總體布局更加優(yōu)化，在5 m直徑箭體可安裝7臺(tái)YF-100 K發(fā)動(dòng)機(jī)，單模塊推力達(dá)到900 t級，可為構(gòu)建更大運(yùn)載能力火箭提供良好基礎(chǔ)。

4.3 逃逸方式選擇

載人運(yùn)載火箭必須以安全性設(shè)計(jì)為強(qiáng)約束，在每一個(gè)環(huán)節(jié)都要確保不危害航天員安全，同時(shí)在故障情況下有冗余設(shè)計(jì)和應(yīng)急措施，必須確保航天員能夠應(yīng)急逃逸。目前，載人運(yùn)載火箭應(yīng)急逃逸方式主要為逃逸塔和自逃逸等[33]，CZ-2F載人火箭采用了逃逸塔方式，可通過逃逸塔將飛船帶離危險(xiǎn)區(qū)域；美國的龍飛船和CST-100飛船采用自逃逸模式，可通過飛船安裝逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)飛船自身逃離危險(xiǎn)區(qū)域。這2種應(yīng)急逃逸模式各有優(yōu)點(diǎn)，需要根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)和研制需要進(jìn)行選擇。安全性設(shè)計(jì)尤為重要，需要貫穿載人運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié)。

4.4 新技術(shù)應(yīng)用

新一代載人運(yùn)載火箭要?jiǎng)?chuàng)新發(fā)展，綜合性能達(dá)到世界先進(jìn)水平，這就需要處理好技術(shù)繼承與創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)系，技術(shù)繼承并不是全盤應(yīng)用已有產(chǎn)品和模式，而是根據(jù)新需求采用新技術(shù)取得新突破，創(chuàng)新研制模式和優(yōu)化研制流程，通過創(chuàng)新發(fā)展來提高火箭綜合性能。需對標(biāo)獵鷹9號、安加拉A5等世界先進(jìn)運(yùn)載火箭，通過動(dòng)力冗余設(shè)計(jì)提高運(yùn)載火箭的可靠性；大量采用鋁鋰合金貯箱、碳纖維復(fù)合材料等新材料實(shí)現(xiàn)箭體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)；采用數(shù)字化設(shè)計(jì)、基于3D增材制造的設(shè)計(jì)-工藝-制造一體化技術(shù)、電氣系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)、故障檢測隔離、自主在線規(guī)劃等[34-35]現(xiàn)代化技術(shù)手段不斷提高運(yùn)載火箭適應(yīng)性，打造未來智慧運(yùn)載火箭。

總之，新一代載人運(yùn)載火箭的研制，可充分借鑒使用國外運(yùn)載火箭先進(jìn)設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)手段和研制流程，通過采用新材料、新工藝、智能控制等措施，大幅提高運(yùn)載火箭整體研制水平。

5 結(jié)論

本文分析了國外載人運(yùn)載火箭發(fā)展歷程與現(xiàn)狀，總結(jié)探討了相關(guān)特點(diǎn)與趨勢，進(jìn)一步分析提出了中國發(fā)展新一代載人運(yùn)載火箭的相關(guān)建議，主要結(jié)論如下：

1)面向載人深空探測發(fā)射任務(wù)和載人運(yùn)載火箭升級換代的需求，中國亟需發(fā)展新一代載人運(yùn)載火箭。

2)新一代載人運(yùn)載火箭研制要立足現(xiàn)實(shí)可行，充分利用YF-100 K發(fā)動(dòng)機(jī)、5 m直徑箭體等現(xiàn)有產(chǎn)品和技術(shù)成果、研制設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施等，降低研制風(fēng)險(xiǎn)，滿足可靠性要求。

3)新一代載人運(yùn)載火箭研制全流程都要貫徹安全性設(shè)計(jì)原則，在每一個(gè)環(huán)節(jié)都要確保不危害航天員安全，同時(shí)在故障情況下有冗余設(shè)計(jì)和應(yīng)急措施，確保航天員能夠應(yīng)急逃逸。

4)新一代載人運(yùn)載火箭要?jiǎng)?chuàng)新發(fā)展，采用先進(jìn)設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段，通過采用新材料、新工藝、動(dòng)力冗余、智能控制等措施，大幅提高運(yùn)載火箭整體研制水平，綜合性能要達(dá)到世界先進(jìn)水平。