东山再起的重型运载火箭

       2014年底，中国航天科技集团公司董事长雷凡培透露，我国正在规划重型运载火箭的发展构想，以满足未来重大航天工程任务，重型运载火箭研制成功后，可显著提高我国进入太空的能力。

       2015年1月，美国航宇局（NASA）投资研制的“太空发射系统”重型运载火箭发动机完成500秒点火试验。2015年底，美国太空探索技术公司将发射首枚“重型猎鹰”运载火箭。俄罗斯也开始研制重型运载火箭。由此可见，重型运载火箭正成为航天发展新趋势，主要是为了满足未来载人登月有、载人登陆火星或建造空间太阳能电站的发射需求。

       一般来讲，所谓重型运载火箭是指火箭起飞推力在3000吨以下，近地轨道运载能力在100吨左右的火箭。但近地轨道运载能力在50吨～100吨的火箭也可叫重型运载火箭，比较准确地说，它应叫准重型运载火箭。也有人把近地轨道运载能力在100吨左右的火箭叫超重型运载火箭。

       在冷战时期，美国和苏联曾分别研制出“土星”5号和“能源”号两种重型火箭。现在，由于美国、俄罗斯都把载人航天的未来目标都瞄准了月球、小行星和火星，所以，这两个航天强国在沉寂40年后，又都再次启动了重型运载火箭的研制工作。

       温故知新

       世界第一种发射成功的重型运载火箭是美国的“土星”5号，它在1969～1972年间，先后把7艘“阿波罗”载人登月飞船送入地月转移轨道，最终有12名美国航天员成功登月。

       “土星”5号是一种3级液体火箭，全长110.64米，最大直径10.06米，起飞2945.95吨，起飞推力34029千牛，近地轨道运载能力120吨，地月转移轨道运载能力为50吨。其第1级火箭采用液氧－煤油作推进剂，装5台F－1液体火箭发动机（中间1台，四周4台），总推力34029千牛；第2级采用液氧－液氢作推进剂，装5台J－2氢－氧液体火箭发动机（中间1台，四周4台），总推力5148千牛；第3级也采用液氧－液氢作推进剂，装1台J－2发动机，推力为902千牛。

       1972年12月7日“土星”5号发射了最后一艘载人登月飞船“阿波罗”17号后，又于1973年5月14日 把美国第1个空间站“天空实验室”送入轨道。此后，这一“巨无霸”因无用武之地而退役了。

   

美国“土星”5号重型火箭发射“阿波罗”              苏联“能源”号重型运载火箭

                                   11号载人登月飞船 

       在“土星”5号问世之后，苏联于1987年首次成功发射了“能源”号重型运载火箭。它是1种2级运载火箭，全长58.735米，最大直径18米，起飞2220吨，起飞推力35457千牛，近地轨道运载能力为100吨。是苏联第1种使用低温液氢－液氧发动机的运载火箭。其助推火箭有4枚，每乡试长37.7米，直径3.9米，使用RD－170液氧－煤油发动机，总推力4×7257千牛；其芯级全长58.735米，直径7.75米，装4台RD－0120液氢－液氧发动机，总推力4×1962千牛；其低温上面级全长16.47米，最大直径5.7米，推进剂为60吨液氧（前部贮箱）和10吨液氢（后部贮箱），使用单台主发动机，真空推力为75千牛～100千牛，发动机可启动10次。

       “能源”号是苏联为发射“暴风雪”号航天飞机而研制的。它于1987年5月15日首次试射，1988年11月15日又成功发射了无人驾驶的“暴风雪”号航天飞机。此后，该火箭再没有发射过，这是因为其运载能力太大，1993年“暴风雪”号航天飞机计划被取消后，适合用它来发射的有效载荷极少，所以也就随之消失了。

       打造新箭

       2014年，NASA公布了正在建造的全球最大的民用重型运载火箭——“太空发射系统”的最新照片。它由NASA和波音公司共同研制，是一个高约117米、重约3000吨的庞然大物。其近地轨道运载能力最大达130吨，可使此前的超级大力士——美国“土星”5号和苏联“能源”号都相形见绌。“太空发射系统”定于2017年首次试飞，有望在未来人类登陆火星任务中扮演重要角色。

美国“太空发射系统”重型运载火箭

       近几年，重型运载火箭之所再次受到美国的青睐，是因为美国已把载人航天的目标瞄准了月球、小行星和火星。为此，首先要研制出能发射大质量深空载人飞船的重型运载火箭。载人登月飞船一般在50吨左右，且其奔月时的速度要求为每秒10.9千米，因此需用近地轨道运载能力在60吨～120吨的重型运载火箭。由于小行星或火星离地球更远，飞行的时间更长，即为航天员携带的环境控制和生命保障资源大大增加，所以载人登小行星飞船或载人登火星飞船会更大，且飞行速度要达到每秒11.2千米的第二宇宙速度，因此需用运载能力更大的重型运载火箭。当年美苏竞争载人登月时苏联之所以败给美国，最重要的原因就是苏联研制的N1重型火箭4次发射均失败。由此可见，重型运载火箭在深空载人探测中具有举足轻重的作用。

“能源”号重型火箭发射“暴风雪”号航天飞机

       “太空发射系统”采用两级半构型，它不仅利用了大量航天飞机技术，还借鉴了原计划用于“星座计划”但现已下马的“战神”5号重型运载火箭的设计思路，并采取“两步走”发展模式。其助推火箭5段式航天飞机助推器（它是在航天4段式固体助推器改进而来的，即增加第5段，增大火箭的运载能力和动力；改变推进剂药柱；采用更大的发动机喷管；采用先进的橡胶衬里防热材料）；第1级芯级采用可以重复使用的航天飞机主发动机——RS－25D/25E液氢－液氧发动机，其初始构型的“太空发射系统”使用3台RS－25D，近地轨道运载能力为70吨，改进后构型的“太空发射系统”使用5台RS－25E，近地轨道运载能力为130吨；第2级芯级发动机J－2X是从“土星”5号火箭的J－2发动机改进而成的。“太空发射系统”可用于向近地轨道及更远的太空发射多用途乘员飞行器或大于有效载荷，以满足载人登陆小行星、载人登陆火星等深空探测的任务需求，还可作为国际空间站商业乘员运输系统的备份运输工具。

       初始构型的“太空发射系统”高97.5米，起飞2495吨，起飞推力37365千牛；助推火箭直径3.7米，推进剂为固体，数量2枚，发动机型号为5段式航天飞机助推器；第1级芯级直径8.38米，推进剂为液氢－液氧，3台RS－25D发动机，单台推力为1779千牛；第2级芯级直径5米，推进剂为液氢－液氧，1台RL10B－2发动机（现役“德尔他”4号火箭的第2级）。

       改进后构型的“太空发射系统”高122米，起飞2948吨，起飞推力40924千牛；助推火箭不变；第1级芯级直径8.38米，推进剂为液氢－液氧，5台RS－25E发动机，单台推力为1779千牛；第2级芯级直径8.38米，推进剂为液氢－液氧，1台J－2X发动机（也是“战神”5号的第2级）。

       最新进展

       “太空发射系统”使用的RS－25发动机于今年1月9日完成了第一次500秒的点火测试，从测试情况来看，RS－25的表现不错。

       RS－25是一种非常成熟的发动机，之前作为航天飞机动力系统的组成部分，“太空发射系统”将于2017年首次用于发射“猎户座”飞船，最终用于发射搭载航天员的深空探测飞船对小行星和火星进行探索。马歇尔太空飞行中心“太空发射系统”液体发动机办公室主任透露，他们已经对RS－25发动机进行了改进，能够满足“太空发射系统”火箭的箭体结构要求，还分析了“太空发射系统”火箭使用该发动机后的基本情况。

       今年4月，RS－25发动机将进行点火状态下的冷却水循环测试，它包括8次试验，共计3500秒。此后，RS－25发动机将10次测试，共计4500秒，其中包括新的飞行控制系统的测试等。

       “太空发射系统”将在肯尼迪航天中心的39B发射台升空。为此，NASA投资20亿美元对相关基础设施进行改造，包括一部“阿波罗”时代的履带式运输车和为“战神”1号火箭建造的移动发射平台。经过改装后的履带式的运输车重约2721吨，空车最高速度为每小时3.2千米，托运能力提高至8165吨。

       美国计划于2017年12月用初始构型的“太空发射系统”发射“猎户座”飞船进行无人绕月飞行，测试其70吨的近地轨道运载能力，并测试火箭各系统的集成性能；2021年8月发射“猎户座”飞船进行载人探索小行星；2032年开始使用改进后构型的“太空发射系统”，测试130吨的近地轨道运载能力。

       “猎鹰”展翅

       美国太空探索技术公司也在研制商用重型运载火箭——“重型猎鹰”，计划在今年底进行首次试射。该火箭是在目前使用的“猎鹰”9号火箭的基础上研制的两级液体火箭，由改进的“猎鹰”9号火箭捆绑两枚“猎鹰”9号的第1级作助推火箭组成。其近地轨道运载能力是53吨，地球静止轨道运载能力是19.5吨，地月转移轨道运载能力是16吨，地为转移黑道运载能力是14吨。它虽然无法一次发射地外星球任务所需的所有设备，但可以分批发射各种不同设备，然后在太空对接，组成大的航天器再飞往地外星球。这种采用多次发射再对接的方式可以降低重型运载火箭的研制难度，但对接次数不能太多，否则会增加成本且容易出现故障。

       “重型猎鹰”长69.2米，第1级直径11.6米，第2级3.66米，整流罩直径5.2米，起飞1400吨，起飞推力17000千牛，采用“隼”－1D液氧－煤油发动机。其第1级3×5600千牛；第2级采用单台“隼”－1D，推力445千牛。

       它将是第一种使用“交叉输送”技术的火箭，即2枚助推火箭和第1级芯级火箭内的推进剂可以对流，从而在助推火箭分离时，第1级芯级火箭仍能保留最多的推进剂，这等于增加了1级火箭。在发射较轻的航天器时，也可不使用“交叉输送”技术，以减少其复杂性和事故概率，即使这样，“重型猎鹰”的近地轨道运载能力也可以达到45吨。

       它将是第一种全面使用“2195铝锂合金”液氧－煤油发动机的火箭，可大大降低重量，质量比（加满推进剂质量/耗尽推进剂）超过30，而使用高比冲液氢－液氧发动机的“德尔他”4重型运载火箭的质量比仅为10。