國外新一代重型運載火箭發展分析

張綠云 龍雪丹 黃長梅 曲晶（北京航天長征科技信息研究所）

美國土星-5重型運載火箭（來源：NASA

重型運載火箭代表了一個國家更大、更遠、自主進入空間的能力，是國家綜合國力和航天強國的重要標志。從20世紀60年代開始，美國和蘇聯/俄羅斯相繼開展了第一代重型運載火箭的研制，包括美國土星－5（Saturn－5）和蘇聯/俄羅斯N－1火箭，80年代兩國又相繼研制了航天飛機和能源號（Energia）火箭，將人類的足跡從近地軌道擴展到了月球。2011年，隨著美國航天飛機的退役，世界上已經沒有在役的重型運載火箭。而為了滿足載人重返月球、載人登陸火星以及地球以遠深空探索需求，美國、俄羅斯政府以及私營公司積極推進新一代重型運載火箭的研制，包括“航天發射系統”（SLS）、“超重-星艦”（Super-heavy Starship）運輸系統，以及“葉尼塞”（Yenisei）重型運載火箭，以滿足未來的長期、可持續的深空探索需求。

1 SLS航天發射系統

總體方案

美國奧巴馬政府在上臺后終止“星座”（Constellation）計劃，提出了“2025年實現載人登陸小行星，2030年載人探測火星并安全返回”的遠期探索目標。2011年9月14日， 美國國家航空航天局（NASA）正式對外公布了新型重型運載火箭SLS方案。該火箭是美國繼土星－5之后的又一重型運載火箭，用于向近地軌道及以遠的空間發射“獵戶座”多用途乘員飛行器（MPCV）、重要貨物以及科學實驗設備。除主要用于載人深空探測任務外，SLS還是“國際空間站”商業乘員運輸系統的備份運輸工具。

SLS火箭包括SLS－1型（載人/載貨）、SLS－1B型（載人/載貨）和SLS－2型（載人/載貨）。SLS－ 1型由芯級、2枚五段式固體助推器、級間段、過渡型低溫上面級（ICPS）和飛船支架組成，可實現70t 近地軌道運載能力以及27t月球以遠目的地的運載能力。系統通過月球任務演示驗證后，NASA計劃采用探索上面級（EUS）替換過渡型低溫上面級，并采用改進型固體助推器以形成SLS－1B型，近地軌道運載能力105t，而其深空運載能力將達到38t。SLS－2型在SLS－1B型的基礎上使用先進助推器替代五段式固體助推器，實現130t的近地軌道運載能力，并將其深空運載能力提高到46t。

SLS火箭構型

SLS首飛箭組裝完成 （來源：NASA）

研制進展

自2011年9月對外公布SLS火箭研制方案以來，NASA在該項目上持續了9年時間，目前研制工作已經進展至首飛箭總裝準備階段，首飛時間已從2018年推遲至2022年初。而在研制經費上，截至2021財年底，美國在SLS項目上的花費已經接近200億美元。

在研制進展上，芯級的研制進度滯后是影響SLS首飛時間最大的因素。作為全世界尺寸最大的火箭子級，SLS芯級在2014年7月通過了關鍵設計評審。2017年12月，波音公司完成芯級飛行件5個主要結構的制造，而直到2019年底才完成首個芯級飛行件的組裝以及發動機、飛行計算機與電子系統的安裝。隨后，NASA在2020年初將芯級運抵斯坦尼斯航天中心，準備進行動力系統試驗，但是該試驗又因為技術故障、疫情、天氣等原因持續了14個多月的時間。2021年3月19日，隨著芯級4臺主發動機點火試驗的成功，該芯級飛行件已于4月27日通過“飛馬座”（Pegasus）駁船運至肯尼迪航天中心。對于SLS首飛任務，除了芯級，五段式固體助推器主要組件、級間段、過渡型低溫上面級以及飛船支架都已經運至肯尼迪航天中心，目前都處于箭體總裝準備階段。其中，2枚五段式固體助推器在2017年底完成10個發動機段的制造，于2020年6月運至肯尼迪航天中心，目前已經完成了總裝，正豎立在垂直組裝中心3號高跨間的活動發射平臺上，接下來將完成儀器設備、火工品等的安裝。

此外，為了保障后續“阿爾忒彌斯”（Artemis）任務的有序進行，確保深空探索的可持續性，NASA積極組織承包商開展所需SLS火箭組件的制造和裝配，通過結構試驗計劃、“創新技術研發項目”和“先進助推器項目”等為后續型號研制儲備相關先進技術，并陸續發布芯級、探索上面級、RS－25發動機以及固體助推器的批量采購合同，以批量生產實現產品成本的降低。

2 “超重-星艦”星際運輸系統

總體方案

美國太空探索技術公司（SpaceX）CEO馬斯克在2016年9月正式對外公布了“星際運輸系統”（ITS），瞄準人類殖民火星以及星際探索。隨后持續進行快速迭代，每年均進行一定程度的方案調整，從初期的“星際運輸系統”方案到2017年的“大獵鷹火箭”（BFR）方案，最終逐漸演化成“超重-星艦”運輸系統。其有效載荷運載能力從最初設計的300t至目前的100+t，最大直徑由12m縮減到9m，箭體及柵格舵的材料由最初的碳纖維材料變更至目前的不銹鋼材料。該方案在不斷修改中逐漸向可實現的方向發展。

“超重-星艦”運輸系統的構型演變

“超重-星艦”運輸系統的主要參數變化

最新的資料顯示，該系統采用船箭一體化設計，包括“超重”火箭級和“星艦”飛船級，分為載人型和貨運型。運載能力為100+t，兩級均可重復使用。能將100人送往月球、火星或其他遙遠目的地，或是繞地球飛行。系統全長120m，起飛質量為5000t，起飛推力7400t（約合72.52MN）。

“超重”火箭級：高70m，直徑9m，推進劑加注量為3300t，設有4個柵格舵（外型由矩型改為菱形），并設4個著陸支腿。采用“猛禽”（Raptor）液氧/甲烷發動機，液氧/甲烷推進劑均采用過冷加注方式。發動機的數量可根據任務需要進行調整，最多37臺，最少24臺，但該數量仍存在爭議。馬斯克曾透露，為了簡化配置，可能將火箭級發動機數量減少至28臺或更少?！俺亍被鸺墝⒗^承獵鷹－9（Falcon－9）火箭的做法，采用垂直起降技術進行回收。

“星艦”飛船級：高50m，直徑9m，推進劑加注量為1200t，最初的MK1和MK2原型機干質量均為200t，后續型號將逐漸減輕至100～120t，采用6臺“猛禽”發動機，其中包括3臺海平面型和3臺真空型發動機。“星艦”采用雙鴨翼+雙尾翼，設6個可伸縮著陸支腿。鴨翼和尾翼均改成梯形，以提高著陸時的翼面控制效率。迎風面防熱由氣膜主動冷卻改為防熱瓦。標準“星艦”整流罩外徑9m，是目前或是尚在開發中的航天運載器中體積最大的。有效載荷包絡線直徑8m。大翻蓋式外殼可容納新型有效載荷、共享模式和一次性部署整個星座的衛星。這個可擴展體積還可以容納高達22m的有效載荷。在回收方面，“星艦”將盡可能最大限度地利用空氣制動，以60°傾斜姿態進入大氣層。

研制進展

SpaceX公司正在快速推進“星艦”飛船級的研制工作，在研制過程中，SpaceX公司依然像“蚱蜢”（Grasshopper）一樣通過快速分階段驗證的迭代式研制模式，驗證設計概念和方案的可行性。從項目的公布到首架“星艦”驗證機的建成僅僅用了3年。

自2019年3月，“星艦”項目進入密集測試階段，截至2021年4月底，已對1架“星艦跳蟲”（StarHopper）驗證機、1架MK全尺寸原型機、9架SN系列原型機和多個9m直徑不銹鋼貯箱進行了測試。試驗中損失了7架原型機，實現了“星艦跳蟲”驗證機、SN5和SN6全尺寸原型機的150m低空試飛，SN8～SN11的10千米級高空試飛。

在低空飛行試驗中，偏置安裝的“猛禽”發動機在飛控算法控制下，實現了垂直起飛和降落，證明了大推力發動機偏置用于垂直起降的可行性。

而10千米級高空飛行試驗，雖然結局均是原型機炸毀，但過程中驗證了3臺“猛禽”發動機的性能（能夠支撐SN原型機達到預定高度）、飛行器整體空氣動力學再入能力（水平滑行）、著陸前飛行姿態控制調整（水平狀態翻轉到垂直狀態）、機身襟翼控制、推進劑供應貯箱轉換（從主貯箱切換到上貯箱）等。

此前，“超重”火箭級原型機的制造工作遲遲未開展，馬斯克對此的解釋是“受生產能力所限”。而經過一年的建設，隨著位于博卡奇卡裝配中心的建成，目前，SpaceX公司已經具備了相當規模的生產能力，并在2020年10月開啟了首枚“超重”火箭級原型機的制造工作。該原型機代號為BN－1，有可能配備2～4臺“猛禽”發動機。目前，該原型機仍在裝配廠房中進行組裝。

“超重-星艦”運輸系統主要參數

3 俄羅斯“葉尼塞”火箭

“葉尼塞”為俄羅斯擬研制的新型重型運載火箭。2019年2月，俄羅斯政府簽署了關于2028年前研制重型運載火箭計劃的文件，2019年底通過初步設計方案。按照目前的方案，“葉尼塞”火箭為兩級構型，芯級將捆綁6枚助推器。助推器擬采用在研的聯盟－5（Soyuz－5）火箭的一子級，發動機為RD－171MV液體火箭；芯級采用聯盟－5火箭的一子級或聯盟－6火箭的一子級，發動機為RD－171MV或RD－180液體發動機；二子級采用在研的安加拉－A5V（Angara）火箭的氫氧二子級，發動機為RD－0150。未來，“葉尼塞”火箭可實現近地軌道和探月軌道運載能力分別為100t和27t（或80t和20t）的目標?！叭~尼塞”首飛成功后，俄羅斯政府將在其基礎上研制三級型“頓河”（Don River）火箭，將近地軌道能力提高至140t，探月運載能力提高到33t。不過，目前俄羅斯的重型運載火箭依然處于方案論證階段，未來有可能采用液氧/甲烷發動機，現公開方案有可能面臨較大調整。

俄羅斯政府計劃在2027年完成“葉尼塞”火箭及其位于東方航天發射中心（Vostochny Cosmodrome）發射系統的研制和建造工作，于2028年實現火箭首飛。根據初步計算，火箭和基礎設施的建設將花費15000億盧布，其中，首枚火箭的研制費用約為7000億～7500億盧布。

4 發展特點分析

“葉尼塞”火箭點火起飛模擬圖

美、俄政府采用的這種漸進式的發展策略符合“由易漸難”的型號研制規律，可降低重型火箭的研制難度和風險，同時利用初始構型可以實現多項空間探索技術的先期驗證，有利于實現逐步拓展深空探測領域的長遠規劃。

循序漸進，降低研制難度

美國在SLS重型運載火箭研制上采取“三步走”的發展戰略，分階段實現近地軌道運載能力分別為70t、105t和130t的目標。第一步，研制SLS－1型，借助現有成熟的RS－25氫氧發動機技術、固體助推器技術、氫氧上面級技術，以較低的初期研制成本實現高可靠性的重型運載火箭的首飛；第二步，研制直徑更大、飛行時間更長的探索上面級，替代現有的過渡型低溫上面級，形成運載能力達到100噸級的SLS－1B構型；第三步，開展先進助推器的方案研究與試驗，以SLS－2型實現該重型火箭在運載能力上的跨越。除了美國，俄羅斯先行研制兩級型“葉尼塞”火箭，在其基礎上再行研制三級型“頓河”重型運載火箭的做法也是類似發展思路的體現。

利用成熟技術，降低研發成本

根據本國技術優勢和基礎，關注繼承性和經濟性，充分采用成熟技術和通用組件，最大限度地利用現有資源，有利于降低研制和發射成本，成為各國發展新型重型運載火箭的有效途徑。美國SLS重型火箭項目充分利用了航天飛機的RS－25主發動機技術和固體助推器技術，并在德爾他－4（Delta－4）火箭低溫上面級的基礎上研制了過渡型低溫上面級。同時，對現有技術和成熟產品的繼承也促進了對制造、試驗和發射等基礎設施和研制能力的繼承，降低了相應的投資。俄羅斯充分發揮和利用其在液氧/煤油發動機上的優勢，對已經成功應用的RD－171和RD－180發動機進行改進，并充分繼承“天頂”（Zenit）火箭的自動化測試技術。而美國SpaceX公司在其“超重-星艦”運輸系統的研制上也注重技術和能力的繼承，其中火箭級將沿用獵鷹－9火箭的垂直起降回收技術。

新技術探索，滿足性能需求

對于重型運載火箭研制，美國在充分繼承成熟技術的同時也在積極探索新技術的發展和應用，以滿足新型重型運載火箭高可靠、低成本等方面的需求。在SLS項目上，NASA在材料方面深入研究輕質鋁鋰合金和復合材料的應用可行性，降低結構質量，未來有望用于SLS火箭的“超輕質貯箱”、先進助推器、探索上面級的結構制造；在工藝上大量引進攪拌摩擦焊和3D打印技術，提高了芯級的工藝水平，大大降低了芯級、上面級發動機的噴注器、渦輪泵、縱向耦合振動蓄壓器（POGO）抑制組件、排氣蓋板等結構零部件的制造成本和研發時間；評估系列低溫推進劑貯存技術，計劃應用于SLS后續型號。在“超重-星艦”項目上，SpaceX公司更是將新技術探索發揮到了極致，包括：飛船級結合水平返回再入方案、“猛禽”液氧/甲烷發動機技術、低溫推進劑在軌加注技術、全箭不銹鋼制造技術等。

并行研發，保障進度

SpaceX公司為了加快研制采用并行研發和快速迭代的模式，加速推進相關試驗驗證，該公司分別在德克薩斯州和佛羅里達州兩地快速打造出兩艘原型星艦－Mark1和Mark2。雖然星艦－Mark1原型機在低溫增壓測試時破裂導致佛羅里達州的星艦－Mark2直接退役，但這種并行研發模式為后期的工作開展打下了良好的基礎，驗證了生產工藝，加速了研制進度。在進入驗證階段后，采取快速迭代的策略，利用原型機測試進行多次“設計－建造－測試”的循環流程，及時為設計提供系統實測數據，實現了設計上的“小步快跑”。雖然損失了多型原型機，但從整個工程進度和研制花費上來看，并沒有造成浪費，反而增加了在研制初期的試錯機會，保證了后續發展路線的正確性。