世界航天新科技檔案（一）各國新型火箭（上）

+ 劉進軍

世界航天的下一個目標：登陸月球、火星、小行星、深空探測、洲際航行、太空旅游、太空采礦和星際移民。

為了實現這些目標，世界各國火箭專家挖空心思，想象、設計、試驗和研制各類新型運載火箭。火箭正朝著完全回收、完全復用、模塊化、價格低廉、低溫發動機、半低溫發動機、環保安全、火星運輸、地月運輸、多星運輸、洲際航行等方向發展。

近年來，各國研制新型火箭多達40多種：俄羅斯赫魯尼切夫國家研究與生產太空中心“安加拉-1.2”、“安加拉-A5P”，美國軌道科學公司“安塔瑞斯-230+”，歐空局“阿麗亞娜-6”、“織女星-C”、“織女星-E”，西班牙PLD太空公司“愛瑞安-2”，美國太空探索技術公司“大獵鷹”，烏克蘭“氣旋-4M”，澳大利亞吉爾莫太空技術公司“愛麗絲”，美國航空航天公司“螢火蟲-阿爾法”，日本宇宙航空研究開發機構“H-3”，羅馬尼亞航空航天協會“哈斯-2CA”，中國“快舟-11”、“快舟-21”、“快舟-31”、“長征-8”，“長征-9”，美國維京軌道公司“發射器-1”，韓國航空航天研究所“羅老-2”，美國藍色起源公司“新格倫”，美國諾斯羅普·格魯曼公司“歐米茄-A”，俄羅斯赫魯尼切夫設計局“質子-光”，“質子-介質”，美國航空航天局“太空發射系統”，俄羅斯進步火箭宇航中心“聯盟-5”、“聯盟-7”，印度太空研究組織“統一”，美國聯合發射聯盟“火神”等。

各國新型火箭具有10大特點：1.重型化、超重型化；2.最新科技推動火箭設計和研制；3.新火箭型號層出不窮；4.火箭研制時間越來越短；5.民營企業創新能力更強；6.火箭研制技術門檻降低，團隊越來越年輕化；7.火箭大國和強國面臨挑戰；8.先進、廉價的火箭沖擊火箭發射市場，競爭激烈；9.發射市場或將重新洗牌，大批火箭公司將破產倒閉；10.火箭技術和研發水平距離拉大，美國遙遙領先。

創新決定命運！各國新型火箭推陳出新，耳目一新。新型火箭，特別是各種重型火箭、超重型火箭更讓人振奮和震撼。世界航天和太空探索的未來一片光明。

以下對具代表性的部分新型火箭進行介紹。

圖1 已發射、在研、規劃中的各型超重火箭比較

1.“安加拉”號運載火箭

“安加拉”（Angara）系列運載火箭由位于莫斯科的赫魯尼切夫國家研究和生產太空中心研制。它能將3.8噸～24.5噸之間的航天器送入低軌道，成為幾種現有“聯盟-2”系列運載火箭的接任者。

俄羅斯火箭專家說：“安加拉”火箭是被“逼”出來的！以前蘇聯許多運載火箭或所需的組件，都是從現在位于烏克蘭的南方設計局研制及提供，包括南方機器制造廠的“天頂-2”、“第聶伯”和“旋風”火箭等。另外，蘇聯的主要航天發射場——拜科努爾發射場位于哈薩克斯坦，俄羅斯經過重重困難談判才得以租用。1992年，俄羅斯下定決心：建造新的、完全自主的運載火箭，名為“安加拉”，并建造新發射基地，確保火箭發射不受制于人。

俄羅斯決定：在理想情況下，在俄羅斯普列謝茨克航天中心建造“天頂-2”火箭發射臺和發射場，并能發射軍事衛星進入地球同步軌道。

表1 按低軌道運載能力，美國宇航局將運載火箭分為5個級別：

1994年，俄羅斯幾家公司提交了新火箭的標書。赫魯尼切夫設計局的開發人員起初將“質子”號火箭選為獲勝者，但沒有獲得政府的資金支持。當提出“安加拉”火箭計劃，俄羅斯政府經濟非常拮據，卻立刻為“安加拉”火箭計劃劃撥資金。

赫魯尼切夫設計局的初始設計要求改進“RD-170”發動機，用于“安加拉”第1級火箭推進。1997年，“RD-170”發動機被替換成源自四腔“RD-170”的新型“RD-191”。“RD-191”是高性能單燃燒室火箭發動機，它的燃料為煤油/液氧混合物，富氧分級燃燒循環。

1997年后期，赫魯尼切夫設計局已從俄羅斯政府獲批準，著手新火箭“安加拉”的設計。“安加拉”將吸取“第聶伯”、“旋風”、“呼嘯”號洲際導彈的優秀設計，能夠把衛星從普列謝茨克航天中心發射到地球靜止軌道，當然它需要一個新建設的發射臺。2008年，格魯什科動力機械制造科研生產聯合體研制成“RD-191”發動機，并完成點火試驗，準備制造和交付。

2009年1月，“安加拉”火箭第1級研制完成，并交付給赫魯尼切夫設計局。弗拉基米爾·涅赫魯尼切夫總干事宣布：2013年，“安加拉”火箭將舉行首次飛行測試。201年，“安加拉”火箭首次抵達普列謝茨克航天中心。

2014年7月9日，自從提出研制“安加拉”火箭最初概念22年后，“安加拉”火箭終于從俄羅斯北部的普列謝茨克航天中心發射升空，進行亞軌道試飛。2014年12月23日，“安加拉”火箭進行第二次發射，將2噸重的大型模擬器送入地球同步軌道。“安加拉”火箭二次試飛都取得了成功。

表2 重型和超重型火箭性能比較

“安加拉”運載火箭將擁有近十種型號，主要將從普列謝茨克航天中心發射。從2021年開始，俄羅斯計劃實現“安加拉”運載火箭可從普列謝茨克航天中心，也可從俄羅斯東部的東方港航天中心發射。由于“質子”火箭使用劇毒偏二甲肼和四氧化二氮為燃料，以及可靠性等問題，哈薩克斯坦反對繼續在拜科努爾航天中心發射“質子”火箭，因此“質子”火箭也將搬到東方港航天中心進行發射。

“安加拉”運載火箭將成為俄羅斯火箭未來的明星。目前，“安加拉”火箭正在急速變化，誕生多種變型，可增加和變換上面級。

圖2 2009年，在莫斯科國際航空航天展上的“安加拉”火箭模型。

2.“羅斯-M”運載火箭

俄羅斯薩馬拉的國家進步太空中心可謂歷史久遠，大名鼎鼎。

1917年,一個小工廠——杜克斯在莫斯科城里成立，制造自行車、摩托車和其他各種車輛。二戰前，它在莫斯科制造過幾架飛機模型，包括“米格-3”。在戰爭期間，杜克斯工廠制造了“伊爾Il-2”、“Il-10”飛機。1941年，蘇聯政府下令以杜克斯工廠為基礎，組建1號國家航空廠，并從莫斯科遷往現在稱為薩馬拉的城市，靠近伏爾加河。194年，它開始生產“米格-9”和“米格-15”噴氣機戰斗機；1954年，它開始生產“圖-16”轟炸機；1958年1月2日，1號國家航空廠開始生產“R-7”運載火箭。

圖3 “安加拉”火箭家族透視圖

圖4 “安加拉”運載火箭效果圖

表4 “安加拉”各型火箭主要參數 MN：萬牛 t：噸

表3 “安加拉”火箭主要參數

1966年4月12日，俄羅斯航天局下令2個俄羅斯航空航天組織：進步中央專業設計局與薩馬拉進步工廠合并成進步國家太空研究與生產中心（簡稱“進步太空中心”）。

進步太空中心是俄羅斯宇航局下屬的火箭研制公司，負責太空科學和航空航天研究。它曾研制了“閃電-M”、“聯盟-FG”、“聯盟-U”、“聯盟-U2”、“聯盟-1”、“聯盟-2”等著名火箭，以及“光子-M”科學衛星、“琥珀”照相偵察衛星和“資源-DK”地球資源衛星系列等。

進步太空中心的主要生產設施位于薩馬拉市，包括一個設計局，一個大型的“R-7”火箭和洲際導彈工廠，一個光子衛星工廠。進步太空中心擁有2.5萬員工，其中，5000人為火箭和衛星系統工作，360人在任何特定時間為“R-7”火箭生產線工作。蘇聯解體后，進步太空中心陷入困境，只得產業多樣化，生產機床、伏特加酒和糖果。

2009年春，進步太空中心提出一項“羅斯-M”號火箭計劃，打算使其成為俄羅斯的主要運載火箭，并在2018年后進行載人航天發射。“羅斯-M”號火箭計劃還包括一種前瞻性的駕駛運輸系統，一種新的載人飛船——“聯邦”號。它將取代俄羅斯目前的“聯盟-FG”號載人火箭系統。

“羅斯-M”號火箭是俄羅斯正在研發的一種運載火箭。俄羅斯航天局提出安全要求，強調了火箭的設計必須極其可靠；載人飛船的安全中止選項必須在任何飛行階段都可用；在發射時序的早期階段,必須保證火箭從發射臺起飛，以防發生緊急情況。“羅斯-M”火箭的基礎型，有效載荷運載能力50～60噸；超重火箭型號，設計有效載荷運載能力提升到130～150噸。

“羅斯-M”火箭將派生四種型號。第一種型號能將23.8噸貨物或衛星等有效載荷送往200千米、51.7°的圓形軌道；18.8噸的飛船送往135～400千米的軌道；地球同步轉移軌道運力7噸，地球靜止軌道運力4噸。第二種型號將增加2個助推器，并允許捷聯助推器在飛行中提前分離，將有效載荷運力提升到35噸。第三種型號將使用燃料箱增壓器，再增加有效載荷運力至50噸。第四種型號將只有芯級火箭和增加一個“聯盟-2”火箭派生的上面級。

表5 “羅斯-M”火箭主要參數

按照計劃，進步太空中心負責項目領導、系統集成、2級火箭開發和生產。第1級火箭由位于車里雅賓斯克州米阿斯的，專業研制彈道導彈、潛射彈道導彈的馬克耶夫火箭設計局，也就是國家火箭中心進行研發。位于葉卡捷琳堡的自動化科研生產聯合體提供火箭的飛行控制系統。

2011年10月，俄羅斯航天局局長弗拉基米爾·波波夫金說：“我們得出的結論是，我們不需要一種新火箭，我們可以繼續使用已經擁有的‘聯盟-FG’號載人火箭。”于是，“羅斯-M”火箭計劃停止。俄羅斯航天局計劃研發全新的“聯盟-5”號運載火箭。“羅斯-M”火箭的命運將就此終結？未必，它很有可能會死而復生。

圖5 “羅斯-M”火箭模型

3.“聯盟-5”號運載火箭

“聯盟-5”號運載火箭屬于重型運載火箭系列，由俄羅斯進步太空中心研制。

2016年初，進步太空中心提出了“聯盟-5”火箭計劃。該計劃充滿活力，它的優勢在于技術性：細節和組裝將比“聯盟-2”少兩倍。由于“聯盟-5”計劃從哈薩克斯坦的拜科努爾航天中心發射，而哈薩克政府拒絕劇毒的火箭燃料。因此“聯盟-5”計劃將致力于使用環保的燃料——精制煤油和液態氧，以及研制一種新的發動機。

“聯盟-5”火箭的第1級火箭高度為37.14米，將高于“天頂-3SL”的第1級火箭32.94米；火箭直徑4.1米，比“天頂”更寬。因此，它可以攜帶363噸推進劑。“聯盟-5”的基座仍然具有3.68米，與“天頂”火箭發射臺兼容。第1級火箭采用“RD-171M”發動機，可以增加10%推力。

第2級火箭高度7.77米，直徑4.1米，空重5.9噸，可裝59噸燃料。它采用2臺“RD-0124A”發動機，與“安加拉”火箭一樣。但是，“聯盟-5”不是將4個噴嘴布置在一個正方形中，而是采用半圓排列，所以這2臺發動機的特征是8個噴嘴，形成一個圓圈。這樣的安排可以使工作臺長度最小化，同時保持發動機良好的比沖量。

“聯盟-5”的總質量為484噸，并且其第2級火箭的效率提高。它可以從拜科努爾航天中心將16噸有效載荷發射到一個200千米，軌道傾角為51.6°的圓形軌道。“天頂”只能發射大約12噸有效載荷。“聯盟-5”比“天頂-3SL”來說是一個顯著的改進。

對于地球同步軌道發射任務，“聯盟-5”第3級可以選擇配備一個“布洛克DM03”上面級。因為它將使用相同的推進劑，并且已經在“天頂-3SL”和“安加拉-A5”上使用，這將是一個低風險的選擇。“聯盟-5”火箭預期的運載能力為：地球同步轉移軌道4.5噸，地球靜止軌道2.3噸。

俄羅斯火箭專家設想：“聯盟-5”的第1級火箭可以用作超級火箭的助推器，甚至芯級火箭。它可以從拜科努爾航天中心、東方港航天中心發射73噸載荷至低地球軌道。火箭專家考慮到這種結構，可能將“聯盟-5”的運載能力提高到120噸，甚至160噸。

表6 “聯盟-5”火箭主要參數

目前，雖然俄羅斯的“2016～2025深空探測”計劃要求使用“安加拉-5V”重型火箭，但它的運載能力僅36噸。一次月球任務，“安加拉-5V”需要多達4次發射，還需要使用昂貴的氫氣作為燃料。如果“聯盟-5”建成超重型火箭，將簡化任務，同時使用現成的模塊。何樂不為！由于經濟狀況不好，“聯盟-5”計劃一直進展緩慢，只有路線圖，沒有具體發射計劃和時間表。

2018年4月，俄羅斯副總理德米特里羅戈津訪問參觀了化工自動化設計局的生產現場,公布了有關“聯盟-5”火箭的計劃。德米特里羅戈津說：“不久前，‘聯盟-5’火箭草案獲得通過。火箭的起始質量將在530噸左右，直徑4.1米，長度是61.87米，加上‘聯邦’號載人飛船總長達到65.9米。”

“當然，在不久的將來，氧煤油發動機應該被替換為新的甲烷發動機。這將基于氧-氫和氧-甲烷，即液化天然氣。這些是更簡單、更便宜、更可靠的解決方案。如果你做‘聯盟-5’火箭，應該建造一臺現代化的發動機，而不是在一臺50歲的發動機上瞎折騰。”

這位副總理的話，讓人耳目一新。科技人員將考慮甲烷發動機項目。因此，“聯盟-5”火箭可能將面目一新，盛裝登場。

圖6 “聯盟-5.1”運載火箭

4.“火神”重型運載火箭

“火神”火箭是美國新型的重型運載火箭，由美國聯合發射聯盟研制。

2006年12月，聯合發射聯盟成立。它是由美國洛克希德·馬丁航天系統公司與波音防務、空間與安全公司組建的合資企業。聯合發射聯盟擁有3種服役火箭：“德爾塔-2”、“德爾塔-4”和“宇宙神-5”。50多年來，這些火箭家族已經發射了各種衛星、航天器，包括深空探測器和星際探索探測器。美國政府、國防部和美國航空航天局，以及其他組織都是聯合發射聯盟的客戶。

圖7 “聯盟-5”各型運載火箭部分參數

這10多年來，聯合發射聯盟審議了幾種新運載火箭的設計和概念。各種概念火箭都繼承了“宇宙神”和“德爾塔”運載火箭的優良基因。由于沒有一種火箭超越原來火箭的技術，向美國政府申請提供資金，理由不足。

2014年初，在烏克蘭危機期間，俄羅斯入侵烏克蘭、侵占烏克蘭的克里米亞。政治局勢可能導致的后果是：國際制裁將限制俄羅斯“RD-180”發動機出口到美國！而“RD-180”發動機正是聯合發射聯盟欲采購作為第1級火箭主發動機的標的，這種情況下繼續使用RD-180，可能將被視為影響美國軍事發射市場和核心國家安全，而這樣的局面是已經面臨來自太空探索技術公司競爭的聯合發射聯盟所不愿看到的。

未雨綢繆，2014年6月，聯合發射聯盟向幾個美國火箭發動機供應商發出合同邀約：研發第1級火箭主發動機。2014年9月，聯合發射聯盟公司宣布：已經與美國藍色起源公司訂立合作伙伴關系，將共同研發“BE-4”液氧甲烷發動機，作為新型火箭第1級火箭發動機的備選項，以取代俄羅斯的“RD-180”。美國藍色起源公司保證將在第3年完成“BE-4”發動機的研制，預期不早于2019年開始新發動機和第1級火箭發動機的飛行。2014年10月，聯合發射聯盟宣布：在未來幾年內，對產品和流程進行實質性的重組,以降低發射成本。這次結構調整和新的成本降低目標的原因之一是：美國太空探索技術公司在發射市場發起的強有力競爭。同時宣布，聯合發射聯盟正在計劃建造一枚新的火箭，它將成為“宇宙神-5”的繼任者，在第一級火箭上將使用新的火箭發動機。

2015年4月13日，聯合發射聯盟首席執行官托利·布魯諾宣布：其新火箭的名字為“火神（Vulcan）”，這個名稱是在網絡投票中脫穎而出的。2016年，聯合發射聯盟公司宣布：“火神”火箭第1級火箭可以有從0～6個固體火箭助推器，發射重量比“宇宙神-5”高，但比“德爾塔-4”少。

表7 “火神”重型火箭主要參數

圖8 “火神”重型火箭分解圖

圖9 “火神”的“RL-10”發動機

圖10 “火神”火箭突破卡門線效果圖

根據計劃，第1級火箭發動機可重復使用。聯合發射聯盟正在開發一項技術：當發動機與火箭分離，依靠隔熱屏和降落傘穿過大氣層下降，最后被一架直升機在空中回收。到2015年4月，聯合發射聯盟估計：重復使用的發動機會將第1級火箭的成本降低90%，發動機占第1級火箭成本的65%。

“火神”重型火箭，又稱為“火神-半人馬座”。“火神”火箭的運載能力可比美國航空航天局“土星C-3”、“德爾塔-4”，歐空局“阿麗亞娜-5”，美國太空探索技術公司“獵鷹-9”，中國“長征-5”火箭，美國藍色起源公司“新格倫”等火箭更大。

2015年5月，聯合發射聯盟公司發布圖表顯示：“火神”重型火箭具有將23噸載荷送入地球靜止軌道的能力。“火神”的第1級火箭直徑有2種版本：一種5.4米直徑，燃料采用密度更高的煤油和密度不太高的甲烷；一種具有與“宇宙神-5”火箭一樣的3.81米直徑。2016年4月，首席執行官托利·布魯諾表示：“火神”火箭在沒有固體火箭助推器的情況下，發射價格為9900萬美元。

“火神”重型火箭研發成本為20億美元，其中10億美元用于主發動機。2016年3月，美國空軍資助聯合發射聯盟2.2億美元，而聯合發射聯盟希望獲得更多的政府資金支持。同年4月，聯合發射聯盟公司董事會成員、波音執行副總裁、波音公司網絡與太空系統公司總裁克雷格說：我相信美國空軍將投資更多的資金，用于“火神”的研發。截止2018年3月，“火神”的研制費用中有75%是由私人資助的。

“火神”的第一次飛行將不早于2020年代中期。