各國重型運載火箭概覽

高旸　趙二剛

SLS 太空發(fā)射系統(tǒng)首次試飛

自從現(xiàn)代宇宙航行學(xué)的奠基人、被稱為航天之父的齊奧爾科夫斯基提出多級火箭原理，火箭就一直是人類進(jìn)入太空的主要運載工具。由運載火箭送入太空的航天器遍布地球的各個軌道，為人們提供著各項服務(wù)；近地軌道上運行的空間站，更是讓人們能長期在太空駐留。不過人類早已不滿足于只在近地軌道活動，各航天大國正將觸角伸向月球、火星等更遙遠(yuǎn)的地方，如美國的阿爾忒彌斯重返月球計劃、中國的月球科研站，甚至美國科技狂人馬斯克的火星移民愿景等，已經(jīng)奏響了人類更進(jìn)一步進(jìn)軍深空的序曲。而這些計劃的實現(xiàn)，則必須借助運載火箭來實現(xiàn)。今天，我們就帶領(lǐng)大家一起來認(rèn)識各國重型運載火箭。

首先必須要提到的，便是美國SpaceX 公司剛剛于4 月20日首次發(fā)射的星箭（Starship）重型火箭。作為當(dāng)前人類歷史上最大的運載火箭，雖然其發(fā)射未能取得成功，但這枚火箭在技術(shù)上的大膽創(chuàng)新卻令人稱道。

spaceX 公司的星箭首次發(fā)射

土星5號底部巨大的F-1 發(fā)動機(jī)

美國

SLS 太空發(fā)射系統(tǒng)

SLS（Space Launch System）太空發(fā)射系統(tǒng)是美國國家航空航天局針對阿爾忒彌斯計劃研發(fā)的一套超重型運載火箭，旨在實現(xiàn)更可靠、更安全的太空運輸。

作為STS（Space Transportation System）航天飛機(jī)計劃的延續(xù)和衍生，SLS 火箭采用了大量與航天飛機(jī)相同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和硬件設(shè)備，如采用RS-25 發(fā)動機(jī)作為一級推進(jìn)發(fā)動機(jī)，并捆綁式固定了2 個固體推進(jìn)發(fā)動機(jī)用于增加發(fā)射初段的推力。

為完成登陸月球、建立月面基地和前往火星等一系列計劃，SLS 火箭根據(jù)任務(wù)階段主要分為阿爾忒彌斯1 號、2 號和3 號。其中第一階段使用的1 號火箭已于2022 年成功發(fā)射，主要用于測試無人狀態(tài)下獵戶座飛船的大載荷運輸效果。第二階段計劃將使用1B 型火箭進(jìn)行載人發(fā)射任務(wù)，第三階段將在10年時間內(nèi)多次在地月間運輸貨物和人員。

土星5號

土星5 號是美國國家航空航天局在阿波羅計劃期間為探索月球而研發(fā)的一款超重型運載火箭，采用三級推進(jìn)結(jié)構(gòu)。在1967-1973 年間共執(zhí)行了9次載人登月飛行任務(wù)，并成功發(fā)射了美國第一座空間站天空實驗室。

隨著蘇聯(lián)成功發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星，美國也開始在太空競賽中加快了前進(jìn)的腳步，負(fù)責(zé)研發(fā)火箭的是大名鼎鼎的馮·布萊恩。他先是帶領(lǐng)團(tuán)隊研制了木星系列火箭朱諾1 號，并于1958 年發(fā)射了美國第一顆人造衛(wèi)星。之后，馮·布萊恩根據(jù)木星系列設(shè)計出了載荷更強(qiáng)大的土星系列火箭，并作為阿波羅計劃的主要運載工具。

土星5 號1970 年關(guān)閉生產(chǎn)線， 1973 年完成最后一次發(fā)射。截至2023 年，它仍是唯一將人類帶到近地軌道之外的運載火箭，并保持著最大發(fā)射有效載荷的世界紀(jì)錄。

執(zhí)行探月任務(wù)的長征5 號運載火箭正由總裝廠房轉(zhuǎn)移至發(fā)射工位（攝影：蔣聚榮）

中國

長征5號

長征5 號運載火箭被中國航天人親切地稱作“大火箭”，它高約57 米，箭體直徑5 米，起飛質(zhì)量870 噸，是我國體積最大的火箭。長征5 號火箭不僅個頭大，力氣也很大。其突破了大功率氫氧發(fā)動機(jī)等系列關(guān)鍵核心技術(shù)，起飛推力突破千噸級，近地軌道的運載能力達(dá)到25 噸，是國內(nèi)運載能力最強(qiáng)的火箭。

和以往火箭相比，長征5 號是一枚全新研制的火箭，核心技術(shù)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，新研產(chǎn)品比例高達(dá)90%，共計攻克大直徑箭體結(jié)構(gòu)、大型低溫捆綁火箭耦合振動抑制等12 大類247 項核心關(guān)鍵技術(shù)，可謂是不折不扣的“新一代”運載火箭。

長征5 號使我國跨入世界大噸位火箭發(fā)射行列，是我國運載火箭升級換代的里程碑工程，代表了我國運載火箭科技創(chuàng)新的最高水平。2020 年7 月23 日，長征5 號在中國文昌航天發(fā)射場點火升空，成功實施我國首次火星探測任務(wù)。未來，它將繼續(xù)承擔(dān)月球南極綜合探測、火星采樣返回、木星系探測及天王星飛越等多項重要任務(wù)。

長征7號

從20世紀(jì)60年代以來，中國的長征系列運載火箭經(jīng)歷了從常溫推進(jìn)到低溫推進(jìn)、從串聯(lián)到捆綁、從一箭單星到一箭多星、從發(fā)射衛(wèi)星到發(fā)射載人飛船的技術(shù)歷程，逐步發(fā)展成為由多種型號組成的大家族，具備進(jìn)入低、中、高等多種軌道的能力，入軌精度達(dá)到了國際先進(jìn)水平。然而，中國已有長征系列運載火箭面臨運載能力不滿足更長遠(yuǎn)發(fā)展需求的問題。為了滿足中國未來航天發(fā)展的需求，中國決策開展新一代運載火箭的研制，以滿足載人航天工程、月球探測等重大專項工作的需要并實現(xiàn)中國運載火箭的更新?lián)Q代。最后研制方?jīng)Q定，研制一種新型中型火箭，其既綜合了長征2 號F 的成熟技術(shù)，又同時運用了長征5號的新技術(shù)，并賦予新的編號—長征7 號。

長征7 號火箭主要用于發(fā)射近地軌道或太陽同步軌道有效載荷，將承擔(dān)載人航天貨運飛船等發(fā)射任務(wù)，未來也可以承擔(dān)商業(yè)航天器和國內(nèi)其他航天器的發(fā)射任務(wù)。2016 年6 月25 日，長征7 號火箭首飛圓滿成功。其采用無毒、無污染的液氧/ 煤油推進(jìn)劑，具備近地軌道13.5 噸、700 千米太陽同步軌道5.5噸的運載能力。

長征7號運載火箭發(fā)射升空（ 攝影：蔣聚榮）

俄羅斯 / 蘇聯(lián)

矗立在發(fā)射臺上的N-1 火箭

N-1 火箭

N-1火箭是蘇聯(lián)太空競賽時期，為了應(yīng)對美國土星5 號火箭而設(shè)計的一款超重型運載火箭，旨在將有效載荷運送到比近地軌道更遠(yuǎn)的地方。該火箭開發(fā)計劃于1959 開始，由科羅廖夫主持，然而由于對手的競爭以及當(dāng)時政府對于火箭發(fā)展方向的判斷，導(dǎo)致其最終僅獲得了很少的研發(fā)資金支持。這也使得N-1 火箭的研發(fā)時間要晚于土星5 號，也沒有進(jìn)行足夠的地面測試。在1969 年至1972 年間進(jìn)行的4 次飛行測試均以失敗告終。1976 年，N-1 火箭的研發(fā)計劃暫停，1989 年正式取消。

雖然N-1 火箭失敗了，但其還是留下了許多寶貴的設(shè)計經(jīng)驗。此外，該火箭的最大推力高達(dá)45400 千牛，曾是人類歷史上推力最大的火箭。這一紀(jì)錄直到2023 年的星艦發(fā)射才被打破。

質(zhì)子號火箭

質(zhì)子號火箭發(fā)射升空

質(zhì)子號火箭發(fā)射升空

質(zhì)子號火箭最初是作為超重型洲際導(dǎo)彈設(shè)計的，但軍方并未采用，于是設(shè)計方向便轉(zhuǎn)為了運載火箭。1965 年7 月16日，該火箭在拜科努爾航天發(fā)射場執(zhí)行了第一次任務(wù)，將質(zhì)子1 號科學(xué)考察衛(wèi)星送入太空，火箭也從此而得名質(zhì)子號。

從1971 年開始， 蘇聯(lián)用質(zhì)子-K 型火箭先后將8個空間站（禮炮1 號～禮炮7 號、和平號）的幾乎全部艙體發(fā)射入軌?？梢哉f，除了美國的航天飛機(jī)外，質(zhì)子號是唯一能夠承擔(dān)這項任務(wù)的運載工具。

但因為存在結(jié)構(gòu)性問題，質(zhì)子號的發(fā)射成功率并不突出，同時因為其使用了劇毒的偏二甲肼液體作為燃料，一旦發(fā)射失敗可能對發(fā)射場周邊地區(qū)造成嚴(yán)重污染，所以俄羅斯已決定用新研制的安加拉號（使用更環(huán)保的液氧/ 煤油作為推進(jìn)劑）來取代它。

歐洲

阿里亞娜5 號阿里亞娜是歐洲開發(fā)的系列大型運載火箭，其中5 號為已發(fā)射火箭中的最重型號，主要用于將人造衛(wèi)星等發(fā)射到同步軌道或近地軌道。阿里亞娜5 號火箭由歐洲航天局及法國國家太空研究中心出資建造，空客公司負(fù)責(zé)主要制造，阿里亞娜航天公司負(fù)責(zé)經(jīng)營及銷售。

早期的阿里亞娜4 號火箭雖然十分成功，但研發(fā)耗費了10 年時間和超過70 億歐元資金，使得其在后續(xù)運營時很難獲利。為提高經(jīng)濟(jì)效益，在其基礎(chǔ)上開發(fā)出了阿里亞娜5號運載火箭。最初計劃該火箭可發(fā)射小型載人航天飛機(jī)赫爾墨斯號，但隨著計劃取消，后續(xù)的阿里亞娜5質(zhì)子號火箭號運載火箭僅用于載物飛行。

質(zhì)子號采用水平轉(zhuǎn)動的方式運送到發(fā)射場

相較于其他國家動輒數(shù)億元的發(fā)射費用，阿里亞娜5 號運載火箭不僅發(fā)射費用更低，而且可靠性更高。自1996 年首次發(fā)射以來，截至2023 年4 月，阿里亞娜5 號已完成116 次發(fā)射任務(wù)，發(fā)射成功率高達(dá)95.69%。接下來，作為改進(jìn)型，能使發(fā)射成本減半的阿里亞娜6 號火箭已基本完成地面測試，并計劃2023 年第四季度首飛。

阿麗亞娜5 號是當(dāng)前歐洲最大的運載火箭

受困于高昂的成本和較低的成功率，日本的運載火箭技術(shù)發(fā)展緩慢。

日本

H-2/H-3 火箭

H-2火箭源自日本的衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)，由日本宇宙開發(fā)事業(yè)集團(tuán)（NASDA）開發(fā)，旨在讓日本具有獨立發(fā)射衛(wèi)星的能力。H-2 火箭是日本第一款僅使用本國技術(shù)制造的二級液體助推發(fā)動機(jī)火箭，可惜由于成本和可靠性的原因，只在1994 至1997 年間飛行了7 次，后便被H-2A 火箭替代。

2003年，日本空間科學(xué)研究所（ISAS）、日本國家航空航天實驗室（NAL）和日本宇宙開發(fā)事業(yè)集團(tuán)（NASDA）合并成為日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu) （JAXA）。2013 年，受政府批準(zhǔn)，JAXA 與三菱重工合作開發(fā)用于發(fā)射商業(yè)衛(wèi)星的H-3 火箭。該火箭是世界首枚采用膨脹循環(huán)發(fā)動機(jī)作為一級發(fā)動機(jī)的火箭，理論上最大可提供80019 千克有效載荷。可惜的是，2023年2 月的首次試飛因點火系統(tǒng)問題而失敗，一個月后再次發(fā)射時雖成功升空，但二級發(fā)動機(jī)點火失敗，導(dǎo)致箭體墜入大海。