国外重型运载火箭发展趋势述评①

2012-09-26马志滨何麟书

固体火箭技术 2012年1期

马志滨，何麟书

(北京航空航天大学宇航学院，北京 100191)

0 引言

重型运载火箭是指将起飞质量在2 000 t以上，或者近地轨道(200 km圆轨道)运载能力达到90～100 t以上的运载火箭。该种火箭具有结构尺寸大、起飞推力大、研制和发射成本高等特点。20世纪60年代以来，美、俄(或前苏联)两国先后研制出重型运载火箭，借助重型运载火箭，人类登上月球，实现了天地往返，在人类开发利用外空资源上发挥了重要作用。进入21世纪，美国政府提出了重返月球计划，计划实施载人登陆小行星，进而实现载人探测火星计划，并提出研制新型重型运载火箭的规划设想。虽然目前这一计划已转向航天发射系统(Space Launch System，SLS)，但新型重型运载火箭的规划设想主旨不变。

运载火箭发展规划的核心问题是总体构型方案，包括箭体直径、发动机选型问题，同时兼顾解决技术继承性问题。本文通过对国外重型运载火箭发展脉络进行分析，以期找出一些趋势性规律结果，为我国重型运载火箭后续发展规划工作，特别是总体构型方案选择提供借鉴。

1 国外重型运载火箭情况

迄今为止，世界上已经投入使用或计划研制的重型运载火箭有美国的土星-5号载人运载火箭［1］、可重复使用的航天飞机［1］、前苏联的N-1载人运载火箭、能源号火箭［1］、美国星座计划中的战神-5火箭［2］以及刚刚公布的美国航天发射系统(SLS)［3］。美、俄(或前苏联)先后研制的多种重型运载火箭的主要技术参数见表1。

1.1 土星-5火箭

土星-5火箭是美国Apollo载人登月计划使用的重型载人运载火箭，火箭为三级结构。一子级箭体直径10.06 m，使用5台大推力F-1液氧煤油发动机，单台推力达到6 806 kN;二子级直径10.06 m、三子级直径6.6 m，均使用液氢液氧推进剂，分别安装了5台、1台J-2氢氧发动机，J-2发动机单台真空推力为1 030 kN。土星-5火箭总长110.6 m、起飞质量2 946 t，起飞推力3 472 t，近地轨道运载能力117 t，奔月轨道运载能力约47 t。1957年开始研制，1967年11月成功实现首飞，共进行了13次发射，并全部成功。

1.2 N-1 火箭

N-1火箭是前苏联用于载人登月的重型运载火箭。火箭采用五级的构型方案，火箭各级均使用液氧煤油推进剂。一子级使用30台NK-33发动机捆绑组成，其布局为中心6台，周围24台;二子级、三子级、四子级和五子级分别使用了8台、4台、1台、1台液氧煤油发动机。火箭呈锥形，一子级最大直径达到17 m。N-1起飞质量为3 080 t，起飞推力达4 620 t，近地轨道运载能力约为100 t。该型火箭研制过程极为不顺利，4次飞行试验全部以失败告终。在美国Apollo计划率先实现了人类的首次载人登月后，苏联终止了N-1火箭的研制，并取消了载人登月计划。

表1 国外重型运载火箭主要技术参数表Table 1 Parameters of heavy-lift launch vehicles of foreign countries

1.3 美国航天飞机

美国航天飞机是世界上第一种往返于地面和宇宙空间的部分重复使用的航天运载器，按设计要求每架轨道飞行器可重复使用100次。航天飞机由轨道飞行器、外贮箱、固体助推器等3大部分组成。轨道飞行器采用氢氧主发动机，单台发动机真空推力约213 t，推进剂全部贮存于外贮箱中，主发动机关机后外贮箱被抛弃，外贮箱直径8.38 m;2个大型固体助推器，直径3.7 m，单个助推器推力约为1 315 t。起飞质量约2 041 t，起飞推力3 143 t，入轨有效载荷质量约30 t(不含轨道飞行器)。航天飞机共进行了135次飞行，遭受2次重大事故，2011年退役。

1.4 能源号火箭

能源号火箭是前苏联研制的一种通用重型运载火箭，它可以运送暴风雪号轨道飞行器，还可以向近地轨道发射大型军用和民用卫星。火箭由芯级、助推器组成。芯级捆绑了4个相同的液体火箭助推器，芯级直径7.75 m，安装4台真空推力1 962 kN的RD-0120氢氧发动机;助推器直径3.9 m，每个助推器采用1台海平面推力7 252 kN的RD-170液氧煤油发动机，火箭全长约 58.7 m，起飞质量约 2 220 t，起飞推力约3 616 t。近地轨道运载能力100 t。

1.5 战神-5火箭

战神-5火箭是美国星座计划中研制的重型货运火箭，采用了两级全氢氧芯级捆绑大推力固体助推器的构型方案。芯一级、二级直径为10 m，芯一级使用6台RS-68B氢氧发动机，单台推力3 122 kN;二级使用1台J-2X氢氧发动机，推力1 059 kN;固体助推器直径3.7 m，单台推力16 860 kN。火箭全长110 m，起飞质量为3 705 t，起飞推力5 352 t，近地轨道运载能力160 t，奔月轨道运载能力63 t。

1.6 航天发射系统(SLS)

美国奥巴马政府在终止了星座计划和战神-5火箭研制的同时，提出了“2025年实现载人登陆小行星，2030年载人登陆火星并安全返回”的远期探索目标。研制近地轨道运载能力130 t的重型运载火箭(SLS)，如图1所示。

SLS研制计划分为3个阶段:

(1)第一阶段。到2017年，SLS首次执行无人环月飞行任务，火箭研制最大化地基于现有航天飞机技术和生产设施，采用航天飞机外贮箱改造芯一级+航天飞机主发动机RS-25D+航天飞机固体助推器的基础级，配以新研制的德尔它-4载人火箭上面级，构造近地轨道运载能力70 t的重型载人火箭。

(2)第二阶段。通过竞争，在液体助推器和固体助推器中最后选出确定的构型，到2024年实现新构型火箭首飞，2025年执行载人登小行星任务。

(3)第三阶段。到2032年，通过一系列改进，包括采用改进后的RS-25E发动机、增加芯一级发动机台数、上面级改用J-2X发动机并增大规模，实现近地轨道130 t的最终目标。

2 国外重型运载火箭发展特点和趋势分析

通过分析，重型火箭的构型特点和发展趋势具有以下4个特点:

(1)重型运载火箭由传统的串联构型向捆绑助推器构型发展，以提高任务适应性

美国和前苏联早期研制的重型运载火箭，如土星-5和N-1火箭，都使用了多级串联构型方案。该类火箭的优点是在同等发动机条件下系统的结构紧凑、对接结构简单、装配、运输简单、运载效率较高、所需研制时间较短;缺点是火箭需要大直径箭体结构，飞行中第二级及以后各级发动机需要高空低压点火，带来高空点火的复杂性和可靠性问题，火箭长细比大，对飞行中弹性稳定性不利，火箭拓展性不好，只能满足单一特定任务［4］。

阿波罗计划后的重型运载火箭，如航天飞机、能源号火箭、战神-5火箭及新一代重型运载火箭SLS，都采用了捆绑助推器的构型。这种构型可以缩短火箭长度，稳定性好，一级半构型发射近地轨道有效载荷时，所有发动机均可地面点火，发射可靠性高，通过对助推器数量、火箭级数或推进剂加注量的调整，可衍生出系列拓展构型，运载能力覆盖面大，任务适应性好。

(2)重型运载火箭采用大直径箭体和大推力发动机

箭体直径是决定火箭运载能力最重要的因素之一，箭体直径大小决定了火箭的的规模和能力。从对国外十余种大型、重型运载火箭的箭体直径和运载能力的统计分析结果(图2)可以看出，火箭运载能力与箭体直径之间存在着接近线性的正相关关系。正是因为存在这样的关系，其突出共性特点是都使用了大直径箭体。

国外重型运载火箭的另一个特点是都使用大推力发动机作为动力。使用大推力发动机可以有效减少发动机数量，降低火箭总体的复杂度，有利于提高可靠性。例如，土星-5火箭芯一级使用5台单台推力约700 t的F-1液氧煤油发动机，能源号助推器使用单台推力达740 t的RD-170发动机，航天飞机和战神-5火箭的固体助推器单台推力超过1 000 t。N-1火箭是个例外，它的一级使用的NK-33发动机单台推力只有154 t，而火箭起飞质量达到3 080 t，为了达到起飞推重比的要求，一级使用了多达30台发动机，同时为保证发动机布局空间，一级直径达17 m。由于起飞时发动机台数多，系统复杂，火箭可靠性低，4次飞行试验全部以失败告终。

(3)动力系统选择上充分发挥液体、固体发动机的优势，实现最佳动力组合

液体发动机有其性能比冲高(最高可达460 s)、工作时间长、推力可调节、空中多次启动等优点，是重型火箭芯级和上面级发动机的首选;固体发动机有其密度比冲高、可靠性高、使用维护简单、研制成本低等优点［5］，使用在助推器上可有效降低运载火箭的规模。美国航天飞机、战神-5火箭和新型航天发射系统均采用了这种组合方式，通过这种组合还可以减少一级箭体结构，发射近地轨道有效载荷时可采取一级半构型结构，所有发动机均地面点火，以提高发射可靠性。另外，固体助推器可以回收和可重复使用，可有效降低发射成本。

俄罗斯的大型、重型火箭采用捆绑液体助推器构型，这与俄罗斯在液体发动机研制方面有长期的技术积累和经验，并与该领域达到了无人企及的水平有关。对于综合实力一般、也没有完全掌握液体发动机技术的国家，发展大推力固体发动机是提高火箭运载能力的一个相对简便、快捷的途径。由于固体发动机通过增加分段数提高推力较容易，使得捆绑固体助推器构型的火箭在提高运载能力方面更具优势。

(4)发动机要充分利用成熟技术

采用成熟技术和通用组件有利于减小研制难度和风险，降低研制和发射成本，成为各国未来发展新型重型运载火箭的有效途径。美国在研制战神-1和战神-5时就充分利用了航天飞机、土星-5、德尔它-4火箭的成熟技术，并在此基础上加以改进。战神-1的第一级与战神-5的固体火箭助推器都是在航天飞机的可重复使用固体火箭助推器基础上发展而来的，战神-5的芯级由航天飞机外贮箱改进而来，6台RS-68B氢氧发动机［6］是由德尔它-4火箭主发动机改进而来的。2种火箭的第二级发动机J-2X也完全相同，是在土星-5的J-2发动机基础上改进的，如图3所示。