美俄現(xiàn)役大型運載火箭一覽

彭振忠

2016年11月3日20時43分，我國首枚大型運載火箭長征五號在中國文昌航天發(fā)射場點火升空。長征五號作為我國運載火箭升級換代的里程碑工程，是我國全新研制的一型大推力、高可靠、無毒無污染新一代運載火箭，也是我國起飛規(guī)模最大、運載能力最大、技術跨度最大的一型運載火箭，總體技術達到國際先進水平。據(jù)新華網(wǎng)報道，長征五號運載火箭實現(xiàn)了我國液體運載火箭直徑由3.35米至5米的跨越，采用5米直徑芯級，捆綁4枚3.35米直徑助推器，全長約57米，起飛重量約870噸;具備近地軌道（LEO）25噸級、地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）14噸級的運載能力，比現(xiàn)役火箭地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力提升了2.5倍以上。

美國德爾塔L=lV型運載火箭發(fā)射

在航天飛行中，運載火箭是現(xiàn)在乃至將來很長一段時間內(nèi)能夠?qū)⒂行лd荷送至外太空中的最有效的工具。長征五號是我國新一代大型運載火箭，那么什么樣的火箭才能稱之為大火箭呢？

大型運載火箭基本內(nèi)涵

基本分類 按照運載能力劃分，運載火箭分為小型、中型、大型和重型四類。由于各國運載火箭技術發(fā)展階段存在差異，即使同一國家的不同歷史階段，對運載火箭的規(guī)模定義也不盡相同。

在我國，一般將近地軌道運載能力2噸及以下的火箭稱為小型運載火箭，近地軌道運載能力2～20噸的火箭稱為中型運載火箭，近地軌道運載能力20～50噸的火箭稱為大型運載火箭，近地軌道運載能力50噸級及以上的火箭稱為重型運載火箭。

根據(jù)美國航空航天局的分類，運載火箭共分為5個級別，分別是探空火箭、輕型運載火箭、中型運載火箭、重型運載火箭、超重型運載火箭。探空火箭一般是指用于大氣環(huán)境研究，通常僅具有進入地球亞軌道飛行的能力，軌道高度距地面35～300千米;小型運載火箭近地軌道運載能力為2噸;中型運載火箭近地軌道運載能力在2～20噸;重型運載火箭近地軌道運載能力為20～50噸;超重型運載火箭近地軌道運載能力大于50噸。

中國和美國等西方國家對于運載火箭的基本分類是一致的，只是名稱叫法略有差異。

技術難點 運載火箭可以說是當今世界尖端的工業(yè)產(chǎn)品之一，而大型運載火箭則更是尖端中的尖端。大型運載火箭的研制、開發(fā)和制造涉及學科之廣，涉及要求之高都是前所未有的，在材料、設計、工藝、研發(fā)、制造等方面都有著非常高的水準，可謂是當今工業(yè)界之冠，其中涉及的大尺寸箱體焊接、大尺寸整流罩可靠解鎖、大集中力載荷擴散問題、高參數(shù)發(fā)動機底殼段防熱、管路線路、推進裝置、飛行控制裝置、通信裝置都是有著極高的要求。所以說，大型運載火箭的研制對國家工業(yè)體系的要求非常嚴格，大型運載火箭也從一個側(cè)面反映了一個國家的工業(yè)實力和綜合國力。其中有2個難點尤為突出。

難點一是大型運載火箭總體設計技術。大型運載火箭的總體設計是一個多學科多領域的綜合應用，它需要以基礎科學和技術科學為基礎，運用系統(tǒng)工程、仿真建模等現(xiàn)代設計理論和方法，綜合航天領域各學科的專業(yè)技術，協(xié)調(diào)各分系統(tǒng)設計和試驗，已完成最終設計。在現(xiàn)代先進科學技術和工業(yè)的基礎上，總體設計技術已發(fā)展成為一門新興的工程技術，它是航天工程的重要組成部分?；鸺咚亠w行過程中，其結(jié)構(gòu)及各種設備的工作環(huán)境惡劣，劇烈的震動、沖擊、噪聲、過載和加熱，對大型運載火箭的結(jié)構(gòu)和電子元器件提出了苛刻的要求，這需要以空氣動力學、固體力學、材料學、電子技術等為基礎，經(jīng)過較長周期的研制和試驗才能攻克這些技術難題。除了這些技術難點外，還要考慮經(jīng)濟性、通用性、適應性、可靠性等等。而相應的運載火箭總體設計師更是需要對各個子系統(tǒng)和相關技術工藝有足夠的掌握，其培養(yǎng)周期更長。這些無形中從各個方面增加了大型運載火箭總體設計的復雜性和難度。

難點二是大型運載火箭動力系統(tǒng)設計技術。液體火箭發(fā)動機是航天發(fā)射的主流，構(gòu)造上比固體發(fā)動機復雜得多，主要由點火裝置，燃燒室，噴管，燃料輸送裝置組成。目前，國內(nèi)外大型運載火箭的發(fā)動機更是清一色的大推力液體發(fā)動機，主要是因為液體火箭發(fā)動機的比沖高，推力范圍大，工作時間較長，能反復起動，能控制推力大小等優(yōu)點。大推力的液體火箭發(fā)動機主要使用偏二甲肼/四氧化二氮、液氧煤油和液氫液氧三種燃料體系。比沖是衡量發(fā)動機性能的重要指標之一，其數(shù)值越大表示燃料的效能越高，偏二甲肼/四氧化二氮組合的比沖為348秒，液氧煤油組合的比沖為347秒，液氫液氧組合的比沖達到了457秒，從中我們可以看到液氫液氧發(fā)動機的優(yōu)勢。

低溫發(fā)動機火箭使用低溫液體為推進劑，一般為液氫和液氧。這類火箭燃料質(zhì)量最輕，比沖強勁、容易調(diào)節(jié)，而且較為環(huán)保，目前只有美國、俄羅斯、中國、法國和日本擁有該技術。但是，氫氧火箭發(fā)動機研制的技術難度較大，西方國家憑借技術優(yōu)勢，在這方面具有領先地位。美、俄、日、歐都有各自獨立的大推力氫氧發(fā)動機型號，其最大推力都在100噸以上。美國的“土星”-5號火箭的F-1發(fā)動機，進行了高達20萬秒的地面試車臺燃燒測試，蘇聯(lián)能源號火箭的RD-170發(fā)動機，也進行了10多萬秒的地面試車臺燃燒測試，在反復的燃燒測試中不斷優(yōu)化發(fā)動機各項參數(shù)，緩解不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象。

俄羅斯“質(zhì)子”-M運載火箭

美國現(xiàn)役大型運載火箭

德爾塔IV型重型火箭是美國現(xiàn)役并已執(zhí)行任務的最大型運載火箭，也是德爾塔家族中的最大型號，它由美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟研發(fā)和制造。值得一提的是聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟成立于2006年，由洛克希德·馬丁公司和波音公司合并發(fā)射業(yè)務，各自出資一半創(chuàng)立，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟幾乎發(fā)射了所有的美國軍事衛(wèi)星。

德爾塔IV型重型運載火箭由2級構(gòu)成，高72米，直徑5米，寬度15米，起飛重量733噸，低地軌道運載能力28噸，地球同步軌道運載能力14噸。德爾塔IV型重型運載火箭2枚助推器和芯第一級火箭均采用公共核心助推器，發(fā)動機為RS-68A發(fā)動機，其高度為40.8米，直徑均為5.1米，單臺助推器推力為6280千牛，助推器能夠燃燒242秒。第二級發(fā)動機采用RL10-B-2型發(fā)動機，第二級高13.7米，直徑5.1米，推力為110千牛，燃燒時間1125秒。第一級和第二級發(fā)動機均為液氧液氫。

截至目前共進行了9次發(fā)射活動，其中8次成功，1次失敗。德爾塔IV運載火箭發(fā)射地點一處位于卡納維爾角LC-37B發(fā)射臺，另一處位于范登堡空軍基地SLC-6發(fā)射臺。德爾塔IV型重型運載火箭每個通用助推核心的底端部分都有一臺RS-68發(fā)動機，中間部分包括燃料箱，裝有液態(tài)氫和液態(tài)氧。

美國土星V號已經(jīng)退役，但是不得不提的是土星V號截至目前仍是人類歷史上使用過的自重最大的運載火箭。該火箭高達110.6米，起飛重量3038噸，總推力達3400噸左右，月球軌道運載能力45噸，近地軌道運載能力118噸。

俄羅斯現(xiàn)役大型運載火箭

“質(zhì)子”-M重型運載火箭是俄羅斯現(xiàn)役的大型運載火箭，在蘇聯(lián)質(zhì)子運載火箭的基礎上發(fā)展起來的，“質(zhì)子”-M是質(zhì)子家族的最新型號，由赫魯尼切夫國家航天科研生產(chǎn)中心研制，于2011年首飛。

“質(zhì)子”-M高58米，直徑7.4米，起飛重量705噸，其低軌運載能力為23噸，地球同步軌道運載能力為6.5噸，其發(fā)射地點位于哈沙克斯坦拜科努爾航天發(fā)射場。“質(zhì)子”-M運載火箭為3級運載火箭，第一級型號為8S810K，采用6臺RD-275M發(fā)動機，推力10532千牛，高21.1米，直徑7.4米，燃燒時間108秒;第二級火箭型號8S811K采用4臺RD-0210發(fā)動機，推力2399千牛，高17米，直徑4.1米，燃燒時間206秒;第三級火箭型號8S812，采用1臺RD-0212發(fā)動機，高4.1米，直徑4.1米，推力613.8千牛，燃燒時間238秒;第四級采用1臺S5.98M或者RD-58M發(fā)動機。

未來發(fā)展趨勢

首先，不斷加大新一代大型運載火箭的研發(fā)力度。以美國為代表的航天大國不斷加大新一代大型運載火箭的研發(fā)力度。美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司2015年推出新一代火箭“火神”，按照計劃，“火神”火箭將在2019年最終取代該公司現(xiàn)有的宇宙神V型火箭和德爾塔IV型重型火箭，后兩者是當前美國軍方航天發(fā)射采用的主要火箭。2014年，歐空局決定研發(fā)新一代的“阿麗亞娜”-6重型運載火箭，以替代現(xiàn)有的“阿麗亞娜”-5型運載火箭。

其次，民間企業(yè)參與深度不斷加大。以美國太空探索技術公司（SpaceX）為代表的私營企業(yè)，開始涉足航天產(chǎn)業(yè)，并取得不俗的成績。SpaceX正在抓緊研發(fā)新型重型獵鷹運載火箭（Falcon Heavy），藍色起源公司也在研制新型重型運載火箭New Glenn，預計將在2020年前完成收費測試。

最后，不斷開發(fā)利用顛覆性技術。SpaceX公司已成功對獵鷹9號火箭進行了回收作業(yè)，循環(huán)利用獵鷹9號回收的火箭將降低當前獵鷹9號火箭成本的30%，甚至更多，未來重型獵鷹也將回收再利用，進而迅速降低成本。聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的“火神”重型運載火箭其最大特色是第一級主發(fā)動機將能夠重復使用，將來還會采用全新設計的第二級以發(fā)射更大載荷，從而降低發(fā)射成本，應對航天發(fā)射競爭對手的挑戰(zhàn)。

責任編輯：劉靖鑫