东山再起的重型火箭

图为美国“航天发射系统”重型运载火箭。

“能源号”火箭家族。

图中最高、最粗的是“长征9号”模型。

庞之浩

新闻背景

6月25日，美国第三枚“猎鹰重型”火箭升空，执行了该火箭迄今“最难”的一次发射任务，即把24颗卫星送入3条不同的轨道，为此，其第2级火箭4次点火。

在冷战时期，为了载人登月，美苏都曾研制过重型火箭。后来，因为载人登月任务的结束，重型火箭在很长一段时间里归入沉寂。近年来，随着重返月球、载人登火计划的推出，全球再次掀起研制重型火箭的热潮。

1 重型火箭前景广

所谓重型火箭是指火箭起飞推力在3000吨上下、近地轨道运载能力在100吨左右的运载火箭。世界第一种发射成功的重型火箭是美国的“土星5号”，它在1969年至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，最终使12名美国航天员成功登月。苏联正是因为研制的N1重型火箭多次发射失利，被迫放弃了载人登月计划，不过后来他们研制成功了“能源号”重型火箭，并用它发射了“暴风雪号”航天飞机。

近几年，重型火箭之所以再次受到美俄的青睐，是因为他们已把载人航天的目标瞄准了月球、小行星和火星等地外星球。为此，首先要研制出能发射大质量深空载人飞船的重型火箭才行。

载人登月飞船质量一般在50吨左右，其奔月时的速度要求至少为10.9千米/秒，因此需用近地轨道运载能力在100吨以上的重型运载火箭，才能把50吨左右的载人登月飞船送入地月转移轨道。

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质量会更大，且飞行速度要达到第二宇宙速度——11.2千米/秒，因此发射载人登小行星飞船或载人登火星飞船需用运载能力更大的重型火箭。由此可见，重型火箭在深空载人探测中具有举足轻重的作用。

重型火箭不仅可以用于发射质量很大的载人登月飞船和航天飞机，未来还能用于发射载人小行星飞船、载人火星飞船和建造空间太阳能电站等。

2 美政府项目遭遇难产

美国政府在提出“重返月球”计划后，首先想到的就是研制新一代重型运载火箭，并取名“航天发射系统”。

“航天发射系统”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型有效载荷，以满足载人登陆月球、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。

早在2014年，美国航空航天局就公布了正在研制的新一代重型火箭——“航天发射系统”的照片。该火箭由美国航空航天局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。

“航天发射系统”采用两级半构型，它不仅采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：初始构型的“航天发射系统”近地轨道运载能力为70吨；改进后构型的“航天发射系统”近地轨道运载能力为130吨。

“航天发射系统”原计划在2017年实现载人火箭的首飞。美国航空航天局还计划在2030年以后研制出改进后构型的“航天发射系统”，在2035年执行载人登火星任务。

不过，“航天发射系统”项目进展一直在拖延，没有在2017年实现首飞，目前初始构型的“航天发射系统”的首飞时间已经推迟到2020年。为此，美国政府向波音公司施加压力，称如果再拖延，有可能采用民营公司的重型火箭进行“猎户座”飞船的首次绕月发射。

3 民营公司抢占风头

除了美国政府投资研制初始构型的“航天发射系统”重型火箭外，美国民营公司也在研制重型火箭，并且发展得很快。例如，美国太空探索技术公司已经成功发射了3枚“猎鹰重型”火箭，并且由于能够部分重复使用，所以成本很低。

不过准确地说，“猎鹰重型”属于准重型火箭，因为其近地轨道运载能力只有63.8吨。它采用两级半构型，起飞质量1420吨，每次重复使用第一级火箭的发射价格为9000万美元。

“猎鹰重型”是在已大量成功发射的“猎鹰-9”火箭基础上，在芯一级捆绑了两枚大型助推器，而这两枚大型助推器其实就是与芯一级一模一样的火箭，即“猎鹰重型”的第一级是由3枚相同的火箭并联而成的，并联后的最大宽度为12.2米，每枚上面装有9台梅林-1D发动机，都采用液氧/煤油，发射时共有27台发动机同时点火。所以，“猎鹰重型”既力大无比，又经济实惠。

其第二级与“猎鹰-9”的第二级一样，但具备多次点火能力，从而大大增强了其对于任务的适应能力。

“猎鹰重型”的最大特点是其芯一级和两个助推器甚至价值几百万美元的整流罩都能够回收与重复使用，这能大大降低火箭的发射成本。在冷战时期，美国发射“阿波罗”载人登月飞船用的“土星5号”重型火箭每一枚造价都高达5亿美元，大致相当于现在的40亿美元。

如果不回收第一级和两枚助推器，“猎鹰重型”的近地轨道运载能力为63.8吨（相当于一架波音737客机重量），地球同步转移轨道运载能力为26.7吨（相当于一辆T-34坦克重量），发至火星的载荷能力16.8吨（相当于一辆满载的油罐车重量），发至木星的载荷能力3.5吨。因此它不仅能把超大型卫星送入轨道，还具有执行载人登月或载人登火星飞行的潜力。例如，可以采用分两次先后发射乘员舱和登月舱到近地轨道，然后用在轨对接的方式来发射载人登月飞船。

美国太空探索技术公司还在研制“大猎鹰”火箭，它是名副其实的重型运载火箭。其直径9米，高118米，由两级组成。该火箭近地轨道运载能力100吨，能在轨加注燃料、重复使用。它将首先用于载日本游客绕月旅行，此后计划抢在美国政府之前用于载人登火星。

4 俄罗斯技高钱少谋合作

俄罗斯已多次宣称，要研制新一代重型火箭，用于载人登月，建立月球基地。

早在2014年6月9日，俄罗斯联邦航天局局长奥斯塔科就透露，为实现登月计划，俄罗斯需要制造一个近地轨道运载能力为80-85吨的重型火箭。

2014年9月2日，俄罗斯副总理罗戈津表示，普京总统赞同开始开发载重量达到150吨的重型火箭。据估计，项目也将分两个阶段落实：第一阶段是有效载重量为70-80吨的火箭，下一个阶段是120-190吨。 

俄新社2019年称，俄罗斯将打造由重型火箭、载人运输飞船和月球起降系统组成的空间运输基础设施。其中“叶尼塞”重型火箭的设计已经定型，它由6个配备RD-171发动机的助推器以及RD-180发动机芯级组成，长约百米。这款重型运载火箭能将88-103吨货物送上近地轨道，将20-27吨货物送上月球轨道。

另外，俄罗斯还开始研发“顿河”超重型火箭，并计划于2029年首次发射。它将保障未来俄罗斯航天员登陆月球。与“叶尼塞”火箭相比，“顿河”的载重量更大，能将125-130吨载荷送上近地轨道，将32吨的货物送上月球轨道。

俄罗斯有研制成功“能源号”重型火箭的底子，其大批量出口RD-180火箭发动机到美国，所以研制新一代重型火箭在技术上问题不大，但资金严重缺乏，为此，俄罗斯正积极谋求国际合作。

5 中国也有宏伟计划

研制重型火箭，要攻克重型火箭总体设计，以及超大推力发动机、超大型结构等关键技术。2014年12月，时任中国航天科技集团董事长的雷凡培说，我们计划通过四五年的时间，突破重型火箭总体设计、460吨液氧/煤油发动机、220吨液氧/液氢发动机和8.5米直径火箭结构设计制造等关键技术，为重型运载火箭工程研制打下基础。他透露，我们将用15年左右的时间完成重型火箭研制，2030年左右实现首次飞行。

据2018年年底的第十二届珠海航展相关信息介绍，我国研发的重型火箭“长征9号”采用三级半构型，全箭总长近百米，起飞推力在3000吨上下。通过对助推器数量的调整，以及芯一级适应性增加一台4800千牛推力液氧/煤油发动机，可以构建近地轨道运载能力50吨-140吨、奔月转移轨道运载能力15-50吨、奔火转移轨道运载能力12-44吨的系列化型谱。任务规划将于2028年前后实现首飞，综合性能指标达到国际运载火箭的先进水平。

（作者为全国空间探测技术首席科学传播专家）