重型运载火箭大比拼中美俄三国争锋

□ 张雪松 展鹏飞

重型运载火箭大比拼中美俄三国争锋

□ 张雪松 展鹏飞

▲ SLS重型火箭示意图

在2017年6月北京召开的全球航天探索大会上，中国航天再次公布了未来的重型火箭方案，并提到火箭预计2028年进行首次发射。巧合的是，6月8日塔斯社报道俄罗斯提前进行重型火箭的研制，同样打算2028年在东方发射场进行首次发射。美国的SLS重型火箭将于2019年首飞，但完全版SLS Block II也将在2028年左右发射。中美俄三国的重型火箭将几乎同时投入使用，将在十余年后开展载人深空探索竞赛。

重型火箭一般是指近地轨道运载能力大于50吨的火箭，目前这类火箭主要用于地球轨道之外的飞行任务，其典型代表就是美国的“土星5号”运载火箭。“土星5号”运载火箭是为载人登月研制的重型火箭，近地轨道运力118吨，月球转移轨道运力45吨，可以将“阿波罗”飞船和登月舱一次射入月球转移轨道。自“阿波罗”登月以来，虽然航天商业化发展日益兴盛，但重型火箭仍然没有商业需求，需求始终来自政府推动的深空载人航天计划。21世纪初美国提出“重返月球”的星座计划，后来又提出飞向小行星和火星，带动了重型火箭的发展，最终成为现在即将首射的SLS火箭。面对美国载人航天的发展，俄罗斯和中国也先后将目光转向载人登月概念研究，中俄两国的重型火箭，其首要目标正是支持本国的深空探测计划。

坎坷颇多的美国SLS火箭

美国航宇局有世界第一的预算支持，又有“土星5号”和航天飞机的成功经验和技术，不过21世纪初美国总统小布什决定重返月球后，“战神5号”重型火箭的研制并不顺利。为了发射越来越重的载人登月舱，“战神5号”火箭近地轨道运力从130吨一路飙升到188吨，火箭不断更改设计方案，结果续任的总统奥巴马决定中止重返月球的星座计划时，“战神5号”火箭目前还停留在纸面上。奥巴马将目标指向小行星和火星，而重型火箭在美国参议院力保之下继续推进，只不过名字换成了空间发射系统（SLS）。SLS火箭吸取了“战神5号”火箭好高骛远反而一事无成的教训，直接使用航天飞机和“战神5号”已有的技术，比如SSME发动机和5段式固体助推器，还有来自德尔塔4火箭的氢氧低温上面级iCPS，构成了脚踏实地的SLS Block I型火箭。SLS Block I火箭的近地轨道运载能力可达70吨，月球转移轨道运力也有约24吨，可以将一艘“猎户座”飞船射向月球。美国2019年的SLS首次发射，就是使用SLS Block I发射一艘不载人的“猎户座”飞船绕月后返回。SLS火箭要是只能发射一艘载人飞船，那实在是难堪大用，美国接下来要研制改进型的SLS Block IB型火箭，这种火箭把临时的iCPS上面级换成了专门研制的EUS上面级，8.4米直径的EUS上面级使用RL10-C3氢氧发动机，近地轨道运载能力提高到105吨，月球转移轨道运载能力更是达到了40吨，足以进行类似“阿波罗”的载人登月任务。

根据美国宇航局的载人深空探索计划，2021年后将使用SLS Block IB火箭发射月球门户站的生活舱和服务舱，以及载人和货运飞船。美国2028年左右还将推出SLS火箭的终极型号，也就是SLS Block II型火箭，它主要的改进是使用了性能大幅度提升的先进助推器，将近地轨道运载能力提高到130吨，月球转移轨道运载能力可达50吨，从而更好地服务美国未来的载人登月和载人火星任务。

自求多福的俄罗斯重型火箭

▲ 俄罗斯重型火箭示意图

俄罗斯航天继承了苏联时代雄厚的航天工业基础，同样在重型火箭上拥有丰厚的储备。苏联由于N-1重型火箭的连续失败，最终输掉了载人登月竞赛，痛定思痛之后苏联下大力气发展重型火箭，耗费巨资研制了强大的“能源”号火箭。“能源”号火箭虽然只有两次发射，但它为俄罗斯留下了RD-0120大推力氢氧发动机和RD-170/171大推力液氧煤油发动机，以及大直径氢氧芯级储箱的技术。基于这笔丰厚的资产，俄罗斯不仅研制了RD-180液氧煤油发动机出口美国创汇，还研制了RD-191液氧煤油发动机成为新一代“安加拉”火箭的基础。

21世纪俄罗斯国力有所恢复，加上美国重返月球的刺激，俄罗斯也提出了载人登月的规划，并决定研制重型运载火箭。由于俄罗斯经济不时出现反复，2014年后乌克兰危机带来的封锁，更是让俄罗斯经济和财政雪上加霜，俄罗斯航天部门甚至提出了研制“安加拉”5V火箭凑合的想法，不过现在看来，研制重型火箭的一派又占了上风。

俄罗斯的重型火箭将在能源设计局的“能源”-5VR和“能源”-5V两种方案中选择一种，它们都源自更早的“能源”-5K方案，在发动机技术上和苏联时代的“能源”号火箭也有着切不断的联系。目前来看，能源-5V/ VR重型火箭方案都将使用RD-171液氧煤油发动机作为助推器和芯一级，芯二级将使用新研制的RD-0150氢氧发动机，5VR构型芯三级直接使用 R D-58MF液氧煤油发动机，而5V构型增加了一个使用RD-0146氢氧发动机的芯三级，把 R D-58MF发动机放到第四级。“能源”-5V/VR起飞质量约2400吨，近地轨道运载能力约为100吨，但这种简化版重型火箭的研制同样花费不菲，有报道称“能源”-5系列重型火箭及其发射场的研制和建设，将耗资260亿美元。如果未来俄罗斯航天预算没有较大幅度的增长，2028年如期发射能源-5V/VR重型火箭是不现实的。

稳步推进的中国大火箭

▲ 新一代火箭家族

中国嫦娥探月的“绕、落、回”三步走计划即将进行第三步，有外媒分析无人探测之后我国可能展开“探、登、驻”的后续大三步计划，也就是实现载人登月和月球基地（驻月）。去年11月3日，我国成功发射了长征五号大型运载火箭，但它的同步转移轨道运载能力只有14吨，月球转移轨道运力更是只有约8.2吨，换句话说也就是能把一艘神舟飞船打入飞向月球的轨道，这对载人登月和建立月球基地是远远不够的。中国航天科技集团公司一直开展重型火箭的预研，目前我国正在开展长征九号关键技术的攻关。

根据2017年全球航天探索大会上中国航天科技集团公司一院公开的方案，暂命名为长征九号的重型运载火箭将使用捆绑4个液体助推器的构型，火箭近地轨道运载能力可达140吨，月球转移轨道运力为50吨。如果研制顺利的话，按计划2028年前后长征九号火箭将进行首次发射，它以强大的运载能力，将为中华民族实现登月的千年梦想提供有力的支持。★