当代运载火箭谁执牛耳

□ 土星

在第64届国际宇航大会期间召开的航天局长会议上，多国的航天局长在阐述各自的航天政策和发展计划、呼吁国际合作和利益共赢的同时，也表示出对未来发展新型大型运载火箭的极大关注。

大力士受到青睐

从全球航天活动的总体发展来看，为了满足日益增长的太空开发需求，人造地球卫星、飞船和空间站、空间探测器等航天器的体积和重量越来越大，因而要求发射这些航天器的运载火箭向大推力、高可靠、低成本和少污染等方向发展，为此，世界各航天大国都在积极研制新型大推力运载火箭，并采取以下主要措施：

一是简化设计，如减少火箭级数（级数越少越可靠）和增加火箭的直径（可多装燃料，以增加推力）等；二是采用共用组件或技术，实现通用化、组合化和系列化；三是使用无毒、无污染、大比冲的推进剂，目前，液氢/液氧或液氧/煤油是无毒、无污染、大比冲的推进剂，但需要在低温下工作，所以技术比较复杂。

现在，近地轨道运载能力达20吨级的大推力运载火箭已成为航天器发射的主力，当前活跃在航天发射领域的著名大推力运载火箭有：美国的“宇宙神”5号、“德尔他”4号、“猎鹰”9号，欧洲的“阿里安”5号，俄罗斯的“质子”号，日本的H2-A和H2-B运载火箭等。

美国洛马公司的“宇宙神”5号、波音公司的“德尔他”4号火箭均为两级型火箭，其共同特点是各自都使用了通用的芯级火箭，并可根据需要加配不同尺寸的整流罩和数量不一的助推器。这两种火箭设计原则也相同：开发灵活、可批量生产的标准火箭组件；便于快速装配；容易按顾客的要求改造。其目的是减少人工，在每次任务前不需要大动干戈进行改造，生产装置把制造火箭变得跟加工香肠一样容易。由于采用标准的生产线、发射工序的流水线作业，所以使发射成本减少了25%，而且把发射间歇时间从目前的数周减少至几天。

“宇宙神”5号火箭芯级直径3.81米，使用液氧煤油发动机，有14种构型，近地轨道运载能力最大达25吨；发射准备时间只需提前12小时送上发射台即可。此外，这种火箭发射时不用庞大的发射塔，只需1座发射架，并可在大风条件下发射。“宇宙神”5号由400和500两个子系列组成：400系列采用4米直径整流罩，可以捆绑0～3个固体火箭助推器；500系列采用5米直径整流罩，可以捆绑0～5个固体火箭助推器。所有的“宇宙神”5号系列运载火箭均以“宇宙神”公用芯级和“半人马座”上面级作为主要的共用模块。

“德尔他”4号火箭芯级直径5.08米，使用液氢/液氧发动机，也都以通用的新式公用芯级为基础。该系列火箭可根据需要加配不同尺寸的整流罩和数量不一的助推器，有5种构型。这些火箭不仅能发射1～23吨的近地轨道有效载荷，还可发射4～10.9吨的地球同步转移轨道有效载荷。其中大型“德尔他”4号H更是具有向地球静止轨道直接发射6.275吨有效载荷的能力，可满足较大型卫星双星或多星发射的需求，大幅降低发射成本。

欧洲“阿里安”5号火箭升空

美国“猎鹰”9号火箭发射“龙”飞船

“猎鹰”9号为两级型火箭，使用液氧/煤油发动机，有3种构型，近地轨道运载能力为9.9～32吨，地球同步转移轨道运载能力4.9～19.5吨。其第1级安装了9台火箭发动机，所以在起飞时，若有1台或2台发动机发生故障，发射不会受到影响。

欧洲“阿里安”5号为两级型火箭，芯级直径5.4米，使用液氢/液氧发动机，有4种构型，近地轨道运载能力最大达21吨， 在全球卫星发射市场名气较大。欧洲还新研制了用于发射小卫星的“织女星”火箭，其前3级采用固体燃料，第4级采用液体燃料，可多次点火，将300～2500千克的卫星送入多种轨道。

俄罗斯“质子”号火箭是苏联时代研制的老火箭，有两级型、三级型（质子-K、质子-M）、四级型（质子-K/D系列上面级、质子-K/微风-M上面级、质子-M /微风-M上面级），其中用于商业发射的质子-M芯级直径4.1米，使用偏二甲肼/四氧化二氮推进剂，近地轨道运载能力最大达21吨。

日本H2-A为两级火箭，芯级直径5.4米，使用液氢/液氧发动机，有5种构型，H2-B是H2-A的升级版本，与H2-A火箭3.7吨的地球同步转移轨道最大发射能力相比，H2-B的地球同步转移轨道最大发射能力为8吨，空间站转运飞行器轨道的最大发射能力为16.5吨。

此外，还有从飞机上发射的空射型运载火箭和从海上平台发射海射火箭，前者优点是费用低，灵活，快速；后者则可把发射场设置在赤道附近，从而最大限度借助地球自转力来提高火箭的运载能力。

上述这些火箭可以军民两用，但都不像初期的运载火箭那样从弹道导弹基础上发展而来，而是独立研制的，其特点是通用性、经济性、可靠性、系列性和适应性较强，可不断进行小的改进，以便满足用户需求。

中国正迎头赶上

中国主要发展的是“长征”系列运载火箭，已形成了包括长征一号、二号、三号甲、四号4个子系列共十多种型号的运载火箭。

长征二号系列用于发射低轨道航天器。目前使用长征二号丙，它采用了大推力液体火箭发动机，近地轨道的运载能力达到3.8吨，可靠性很高，是此后“长征”火箭发展的基础。长征二号E是在长征二号丙芯一级捆绑4个液体助推器，近地轨道运载能力达到9.5吨。长征二号F火箭是在长征二号E基础上增加了故障检测处理和逃逸系统，并采用多种手段提高了火箭各系统的可靠性，使其可靠性从长征二号E的91%提高到97%，航天员的安全性达到了99.7%，达到了载人火箭的要求。

长征三号甲系列用于发射高轨道航天器，包括月球探测器。目前使用的长征三号甲第3级采用大推力氢氧发动机，可将2.6吨有效载荷送入地球同步转移轨道。长征三号乙是在长征三号甲基础上并联捆绑了4个液体助推器，从而能把5.5吨有效载荷送入地球同步转移轨道。长征三号丙是在长征三号甲火箭的基础上捆绑有2个液体助推器，其地球同步转移轨道运载能力为2.6～3.8吨。

长征四号系列三级液体运载火箭的各级都采用四氧化二氮和偏二甲肼常规推进剂，其中长征四号甲极轨运载能力为1.6吨；改进后的长征四号乙极轨运载能力为2.8吨；长征四号丙的三级发动机具有二次启动能力，极轨运载能力为3.1吨。

虽然我国“长征”系列运载火箭已取得了举世瞩目的成就，成功率达95%以上，尤其近17年，成功率高达98.6%，但与上述国外新型大推力运载火箭相比存在明显差距，很难适应未来航天的发展需求，例如，我国目前使用的运载火箭近地轨道运载能力最大为9.5吨，只有国外新型大推力火箭的一半左右；由于“长征”火箭是在液体弹道导弹基础上进行适应性改进而形成的，所以通用化、系列化、组合化程度低，因此出现了型号多、通用性差的局面，同时限制了规模化、产业化的发展；我国火箭的第1、第2级和助推器现仍使用有毒、有污染的推进剂，从而存在航区和人员安全及环境污染问题，等等。

一个国家进入太空的能力在很大程度上决定了其空间活动能力以及空间应用水平。因此，为了赶上国外新型大推力运载火箭的先进水平，满足未来20～30年航天发展的需求，保持我国运载技术在世界航天领域的地位，2006年10月，我国立项研制新一代大推力运载火箭长征五号。它具有大直径、大推力、少级数、系列化、低成本、高可靠、易操作、无污染、适用广等特点。

运输中的俄罗斯“质子”号火箭

日本H2号A系列运载火箭图谱

四周装有避雷设施的“织女星”运载火箭发射台

长征五号的基本型为带助推器的两级火箭：芯一级采用2台推力各约50吨的氢氧发动机并联组成；助推器根据需要采用数台推力各约120吨的液氧煤油发动机；芯二级采用2台推力各约8吨的氢氧发动机并联组成，它由长征三号甲第3级氢氧发动机改进而成；整流罩直径5.2米，长18米。长征五号近地轨道运载能力为1.5～25吨，地球同步转移轨道运载能力为1.5～14吨。

据专家透露，我国长征五号火箭的研制是遵循“一个系列、两种发动机、三个模块”的总体思路，贯彻“通用化、组合化、系列化”的设计思想，通过模块化组合方式，可以形成包括5米直径大型运载火箭、3.35米直径中型运载火箭和2.25米直径小型运载火箭在内的火箭系列。

日本新型固体运载火箭“埃普西隆”

美国正在打造的“重型猎鹰”火箭发射示意图

美国正在研制的“航天发射系统”重型运载火箭示意图

未来火箭大变样

现在，国外还在研制新型火箭，其中包括发射小卫星的火箭。如日本于9月14日首次发射的新型固体运载火箭“埃普西隆”拥有智能自检功能、机动性强、成本低廉等特点，主要用于发射小卫星，其近地轨道运载能力为1200千克，太阳同步轨道运载能力为450千克。与液体火箭相比，固体火箭虽然推力小、多次启动难，但是使用时灵活方便，故多用于发射小型航天器和发射导弹，所以“埃普西隆”还可用于军事。

俄罗斯研制多年的“安加拉”系列新型火箭有望在2014年进行首次发射。该系列火箭可用多个通用火箭随任务需要组合出不同推力的火箭，这些通用火箭使用RD-191液氧煤油发动机（已在韩国“罗老”号火箭上试验成功），可将2吨～75吨的货物送至近地轨道，它将取代老旧的“质子”号火箭，成为俄罗斯未来太空火箭的主力。

日本宇宙航空研究开发机构和三菱重工公司正在为研制H3号火箭开展技术论证，H3号为三级火箭，将取代现役两级火箭H2-A和H2-B。其地球同步轨道运载能力为4吨，在使用固体燃料助推器的情况下可达6吨。该火箭可能在2020年前后首飞，它将有助于日本发射大型卫星、载人航天器和深空探测器，且发射费用将比H2-A便宜20%～30%。

2012年11月，欧空局同意研制“阿里安”5号ME，并继续研发模块化、低成本的后继型号“阿里安”6号火箭。与“阿里安”5号相比，“阿里安”5号ME采用了新的上面级，比目前的“阿里安”5号ECA型火箭的运载能力提高20%，地球同步转移轨道运载能力11.2吨，将在2017～2018年执行飞行任务。“阿里安”6号的地球同步转移轨道运载能力并不高，为3吨～8吨，但可靠性高于“阿里安”5号系列火箭，成本也比“阿里安”5号低，并能够实现更高的发射频率，预计在2020年后开始提供服务。

从长远看，未来运载火箭将呈现新的面貌，有两大特点：

一是发展可重复使用运载器，因为目前的运载火箭都是一次性使用的，成本很高，所以美国、俄罗斯、欧洲、印度及日本等国家都正在加紧研制可重复使用运载器。其中美国太空探索技术公司正在实施“蚱蜢”计划，已完成多次试验，并获初步成功。

二是发展重型运载火箭，因为美俄等国已把载人航天的目标都瞄准了月球、小行星和火星。为此要首先研制出发射大质量深空载人飞船的重型运载火箭。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N1重型火箭4次发射失败，而美国研制出近地轨道运载能力120多吨的“土星”5号重型火箭。美国太空探索技术公司正研制近地轨道运载能力达53吨的“重型猎鹰”火箭，它拟于近年进行首次试射，该公司还将研制近地轨道运载能力达170吨的“超级载重火箭”。美国航宇局正在研制的“航天发射系统”重型运载火箭采用航天飞机的发动机，初始近地轨道运载能力为70吨，改进后将达130吨。

《2011年中国的航天》白皮书指出，我国正开展载人登月前期方案论证，而研制重型火箭对于未来载人登月甚至载人登火星具有重要意义。由于载人登月飞船一般需在50吨以上，而且其奔月时的速度要求为每秒10.9千米，因此必须拥有重型运载火箭才行，如要进行载人登火星更是如此。