国内外载人运载火箭发展综述

2019-11-20邓新宇秦曈郭金刚北京宇航系统工程研究所

国际太空 2019年10期

邓新宇秦曈郭金刚（北京宇航系统工程研究所）

载人运载火箭一直是一个国家航天技术水平和实力的集中体现，目前只有美国、俄罗斯、中国完全独立掌握了载人航天技术。由于载人运载火箭涉及航天员的生命保障，具有高可靠、高安全的显著特点，是世界航天强国的重要标志。通过研究国内外载人运载火箭的发展历程以及国外新一代载人运载火箭的发展计划，从任务需求、可靠性设计、航天员安全保障等方面进行全面分析，总结了载人运载火箭研制中的经验和教训，提出了载人运载火箭的发展规律和趋势。

1 引言

“地球是人类的摇篮，但人类不会永远生活在摇篮里”，载人太空飞行是人类亘古不变的美好愿望，自1961年苏联航天员加加林首次进入太空以来，载人航天成为人类太空探索活动的重要领域和驱动力，载人运载火箭也一直是一个国家航天技术水平和实力的集中体现。目前具备独立研制载人运载火箭的国家仅有美国、俄罗斯和中国，执行过载人飞行的火箭包括美国的宇宙神-D、大力神-2LV-4、土星-V、航天飞机，俄罗斯的东方号、上升号、联盟号运载火箭，还有中国的长征二号F运载火箭。此外，俄罗斯的N-1火箭由于4次试验飞行连续失败不得不终止研制，“能源-暴风雪”航天飞机在成功完成试验飞行后由于政治和经费原因未正式执行载人发射。

随着航天技术的不断发展，21世纪初以来，美国、俄罗斯等航天大国针对应用卫星发射市场，先后研制成功了新一代运载火箭。在此基础上，近年来又提出了新一代载人运载火箭发展计划。美国正在研制“航天发射系统”（SLS）并计划2020年首飞，猎鹰-9火箭也计划未来承担载人飞行任务，其他新型载人运载火箭尚未见具体研制进展。

2 俄罗斯载人运载火箭发展情况

俄罗斯是第一个实现载人航天的国家，由联盟号系列运载火箭承担载人飞行任务，包括已经退役的东方号、上升号和正在使用的联盟号。联盟号系列运载火箭迄今已经累计发射1800余次，也是世界上发射次数最多的运载火箭。冷战时期为抢占载人登月先机，开展了N-1火箭研制，但四次飞行均以失败告终，导致工程最终下马。20世纪80年代根据重复使用运载器发展计划，完成了能源号载人运载火箭研制，并进行了2次无人飞行试验。随着苏联的解体，由于缺乏经费支持，停止了“能源号-暴风雪”发展计划。近年来又提出了安加拉-5V、联盟-5等载人运载火箭发展构想，但尚未见详细设计方案和研制进展。

联盟 FG运载火箭发射图

联盟号运载火箭

联盟号系列运载火箭是在东方号运载火箭基础上改进而来，是俄罗斯目前唯一的载人运载火箭。1961年4月12日，东方号火箭把第一位航天员—加加林送入太空，开创了人类载人航天的新纪元。1963年研制成功的上升号火箭发射了上升号载人飞船，1967年改称为联盟号火箭，并开始发射联盟号载人飞船。

联盟号运载火箭是两级半并联构型运载火箭。一子级直径2.95m，采用1台RD-118液氧煤油发动机；二子级直径2.66m，采用1台RD-0124液氧煤油发动机（早期为RD-0110）；采用4个直径为2.68m的助推器，并采用锥形结构布局，每个助推器安装1台RD-117发动机。联盟号火箭是目前世界上发射次数最多的运载火箭，火箭全长49.52m，起飞质量约310t，起飞推力约408t，近地轨道运载能力约7.2t。

N-1运载火箭

N-1运载火箭是苏联针对载人登月计划专门研制的火箭，出于当年美苏争霸的政治需要，N-1火箭研制过程较短、论证不充分，1969－1972年连续4次飞行均失败，1974年项目最终不得不下马。

N-1运载火箭是五级串联构型运载火箭，其中第四、五级用于地月转移和环月转移（也称L-3登月系统）。一子级直径17m，采用NK-33高压补燃液氧煤油发动机，单台推力约150t，由于当年苏联一直没有解决单燃烧室高压大推力发动机的问题，必须采用30台发动机并联的方式提高起飞推力；二子级直径约10m，采用8台NK-43高压补燃液氧煤油发动机；三子级直径约7.6m，使用4台NK-39高压补燃液氧煤油发动机。N-1火箭是世界上起飞推力最大的运载火箭，火箭全长105m，起飞质量约2800t，起飞推力约4500t，近地轨道运载能力约100t。

N―1运载火箭发射图

能源号运载火箭

能源号运载火箭是苏联为发射第一个重复使用运载器暴风雪号航天飞机而专门研制的，按照分别捆绑2、4、6个助推器形成暴风雨号、能源号、火神号系列运载火箭，实现运载能力的梯度优化，除能源号火箭成功飞行两次外，其余两种火箭未飞行。

能源号运载火箭是一级半并联构型。一子级直径7.75m，采用4台RD-0120高压补燃氢氧发动机；采用4个直径3.9m助推器，每个助推器安装1台RD-170高压补燃液氧煤油发动机，单台发动机采用4个并联推力室，推力达到740t，是目前推力最大的液体火箭发动机。能源号全箭总长58.7m，起飞质量约2200t，起飞推力约3600t，近地轨道运载能力约30t（不含暴风雪号航天飞机质量）。

能源号运载火箭发射图

3 美国载人运载火箭发展情况

美国是拥有载人运载火箭种类最多的国家。冷战期间在与苏联争夺太空话语权的驱动下，制订了“水星-双子星-阿波罗”的一系列载人航天发展计划。通过利用洲际导弹改装而成的宇宙神号、大力神号运载火箭让美国紧跟苏联实现了载人飞行，最终在载人登月的角逐中通过土星-V运载火箭的成功研制，实现了人类首次载人登月，从此奠定了美国在太空领域的领先地位。20世纪80年代研制的航天飞机实现了运载器重复使用的梦想，虽然由于成本过高最终退役，但仍然代表了运载火箭技术发展的制高点。进入21世纪以来，提出了阿瑞斯号载人运载火箭发展计划，随后由于政府航天政策变化，最终载人飞行计划改由“航天发射系统”完成。

宇宙神―D运载火箭

宇宙神-D运载火箭是在宇宙神D导弹基础上改装而成，出于当时美苏争霸需要尽快实现载人飞行任务研制。1959年成功完成美国第一艘水星飞船亚轨道试验，1962年发射美国第一艘载人飞船，共飞行18次，6次失败。

宇宙神-D运载火箭是一级半并联构型运载火箭，一级和助推器采用共同的贮箱，在助推发动机工作结束后，助推发动机、尾段作为组合体与芯级发动机、贮箱分离。全箭直径3.05m，助推器采用2台LR-89-NA3液氧煤油发动机，芯级采用1台LR-105-NA3液氧煤油发动机。火箭全长29.07m，起飞质量约118t，起飞推力约164t，近地轨道运载能力约 1.36t。

宇宙神―D运载火箭发射图

大力神―2LV―4运载火箭

大力神-2LV-4运载火箭作为当时美国运载能力最大的火箭，专门用于发射双子星载人飞船，1964年成功发射美国第一艘双子星飞船，12次飞行全部成功。

大力神2LV-4运载火箭是两级串联构型运载火箭。一子级直径3.05m，采用2台LR-87-AJ-7四氧化二氮/混肼50发动机；二子级直径3.05m，采用1台LR-91-AJ-7四氧化二氮/混肼50发动机。大力神-2LV-4全箭总长33.2m，起飞质量约148t，起飞推力约196t，近地轨道运载能力约3.6t。

土星―V运载火箭

“土星”系列运载火箭是美国国家航空航天局（NASA）专为登月任务而研制的火箭，包括土星-I、IB和V三种。其中土星-I为研究试验型火箭，用于“阿波罗”计划早期地球轨道飞行试验和发射探测卫星；土星-IB为改进过渡型，用于不载人或载人“阿波罗”飞船地球轨道飞行试验；土星-V专为实现“阿波罗”飞船载人登月而研制，可以将3名航天员送入月球轨道。1969年7月21日，阿波罗11号登月飞船成功地在月球上软着陆，航天员阿姆斯特朗和奥尔德林踏上月球，人类载人航天和空间探索取得了重大突破。土星-V运载火箭总共发射13次，全部取得成功。

土星-V运载火箭是三级串联构型运载火箭。一子级直径10.06m，采用5台F-1液氧煤油发动机，单机推力达到694t，是迄今为止最大的单室液体火箭发动机；二子级直径10.06m，采用5台J-2氢氧发动机；三子级直径6.6m，使用一台J-2氢氧发动机。土星-V火箭是世界上起飞规模最大的运载火箭，火箭全长110.6m，起飞质量约2950t，起飞推力约3460t，奔月轨道运载能力约46t，近地轨道运载能力约120t。

大力神―2LV―4运载火箭发射图

航天飞机

航天飞机是美国国家航空航天局在“阿波罗”载人登月计划后，立足于经济、高效进出空间的可持续发展而研制的世界上第一种部分重复使用运载器。它可以将最多7名航天员送入太空，在轨服务时间长达7～30天，进行交会、对接、停靠，执行人员和货物运送、空间试验、卫星发射、检修和回收等任务。美国共研制了挑战者号、哥伦比亚号、发现号、奋进号和亚特兰蒂斯号等5架航天飞机，共执行135次飞行任务，其中挑战者号和哥伦比亚号分别在上升段和再入段发生事故导致飞行失利，并且造成2次共14名航天员遇难牺牲。

航天飞机是一级半并联构型运载火箭。一子级由轨道飞行器和外贮箱组成，外贮箱悬挂在轨道飞行器侧面，贮箱直径8.38m，采用3台RS-25D高压补燃氢氧发动机，比冲比普通开式循环氢氧发动机提高了10%，是目前为止最先进的发动机；采用两个直径3.7m的固体助推器，为了提高发动机推力采用五段式结构，单台发动机推力达到约1300t，是目前推力最大的固体火箭发动机（Ares-1、SLS的固体发动机均为其改进型）。航天飞机全长56.1m，起飞质量约2000t，起飞推力约3000t，近地轨道运载能力约29.5t（不含轨道器结构质量）。

航天飞机发射图

航天发射系统

为了实现重返月球的目标，美国国家航空航天局于2011年启动了新一代“航天发射系统”的研制。为了实现高安全和可持续性，采用渐进式发展模式，包括SLS-1、1A和2三种构型。SLS-1主要为月球初始探索任务和近地轨道以远的科学试验载荷发射任务提供支撑；SLS-1A在SLS-1基础上进一步提升能力，并可适用于载货任务的有效载荷整流罩和适配器；SLS-2主要用于执行深空探测任务及近地轨道以远的载人任务。目前仍然处于研制阶段，预计2020年实现SLS-1构型首飞。

SLS-1是两级半并联构型运载火箭。一子级直径8.4m，采用4台RS-25E高压补燃氢氧发动机；二子级直径8.4m，采用1台RL-10B氢氧发动机；采用2个直径3.7m的固体助推器，为分段式固体发动机。SLS-1全长97.8m，起飞质量约2494t，起飞推力约3800t，近地轨道运载能力约70t。

4 中国载人运载火箭发展情况

长征二号F运载火箭是在长征二号捆绑运载火箭基础上改进而来，是我国目前唯一的载人运载火箭。1999年11月20日，长征二号F火箭把我国第一艘载人试验飞船—神舟一号送入太空。2003年10月15日，首次载人飞行圆满成功，开创了我国航天史上第二个重大里程碑。

长征二号F运载火箭是两级半并联构型。一子级直径3.35m，采用4台75t级发动机；二子级直径3.35m，采用1台75t级发动机；采用4个直径2.25m的助推器，每个助推器安装1台75t级发动机。长征二号F火箭全长58.3m，起飞质量约480t，起飞推力约604t，近地轨道运载能力约8.2t。

5 发展规律及趋势

载人运载火箭由于涉及航天员的生命安全，因此具有高可靠、高安全的显著特点，这也是载人运载火箭设计的首要准则。而冗余设计是实现高可靠的有效手段，在载人运载火箭发展之初即得到全面应用，例如大力神-2LV-4火箭在大力神-2导弹的基础上，对电源、制导控制、伺服机构都采取了冗余设计，土星-V火箭中应用了多数表决冗余技术，在N-1火箭中还采用发动机冗余技术。正是在这一设计原则的指导下，载人运载火箭研制成功后始终保持着极高的飞行成功率，例如土星-V、大力神-2LV-4、长征二号F火箭实际飞行成功率100%，航天飞机飞行成功率超过98%，远高于同时期的其他运载火箭的成功率水平。

根据国内外载人运载火箭的发展历程，我们可以从中获得如下经验教训。

1）急于求成代价巨大。载人运载火箭作为一个国家运载火箭技术水平的重要标志，各种新技术的应用对于提高火箭性能十分必要。在新技术的应用过程中，应该遵循“充分试验、逐步验证”的原则，将新技术的风险降到最低。早期美苏争霸时期，航天活动被赋予了过多冷战对抗的政治目的，片面强调研制进度和技术先进，导致由于违背技术发展规律带来惨痛的代价。例如N-1火箭研制中采用了迄今为止最大的17m直径箭体结构，而且30台发动机同时工作还必须采用十分复杂的动力冗余重构，本身技术跨度极大。同时由于当时各方意见不统一，经过多年争论直到1964年才确定技术方案，距离首飞时间仅仅5年，无法充分开展地面试验，甚至连一级模块的全系统试车都未能开展，最终导致4次研制飞行试验全部失败。反之，土星-V运载火箭研制过程严格确保地面试验充分，克服了种种困难完成了3000t级全箭模态试验、一子级3500t级动力系统试车，并通过土星-I、IB火箭飞行逐步验证各种新技术，最终实现13次飞行任务全部成功。

2）逃逸系统必不可少。载人运载火箭虽然在各个环节都采用了高可靠的设计，但是运载火箭由于系统多、产品多、器件多，百分之一的失败概率对于火箭研制已经是极高的水平，但对于航天员的生命安全而言却又远远不够。因此，载人运载火箭发展之初就十分重视航天员的安全逃逸，由最初借用飞机的弹射座椅发展到成熟可靠的逃逸塔，通过逃逸系统可以将航天员的安全风险降低1～2个数量级。在航天飞机研制过程中，由于无法设置逃逸塔，早期设置的弹射座椅也由于弹出后不能承受固体发动机喷流以及数量不足最终取消。虽然其上升段飞行成功率达到99.3%，但仍然导致了挑战者号飞行失利时的7名航天员全部遇难，不得不说这是人类航天史上的一个遗憾。反之，联盟号火箭在1975、1983、2018年三次出现重大故障时均通过逃逸系统或飞船应急救生完成航天员的安全逃逸，实现了载人航天高安全的目的。

根据未来各国太空战略规划，载人运载火箭技术呈现如下发展趋势：

1）近地以远载人任务需求日益迫切。美国实现载人登月后，受技术难度、应用价值、国家经济实力等的综合影响，人类载人航天活动逐渐回归到近地空间。但探索浩渺宇宙是人类永恒的梦想，随着近几十年来深空探测的开展和世界各国经济持续发展，人类对宇宙的认识日益深入和丰富，对载人探索的需求也日益迫切。美国重返月球即将成为现实，载人登火也已经提上日程，并且越来越多的国家加入载人飞行活动中。除了对载人火箭的运载能力需求更大之外，对火箭综合使用性能的要求也日益提升，例如更高冗余水平、更高入轨精度、快速测试发射、零窗口发射等。

2）采用可校验试车发动机降低风险。发动机的可靠性是影响运载火箭可靠性的主要环节，而地面试车是暴露发动机薄弱环节的重要和有效方式。液氧煤油或液氢液氧发动机具有可以开展地面校准试车的显著优势，在飞行任务前都可以通过校准试车充分考核发动机的可靠性，降低在正式载人飞行过程中出现故障的可能性，实现载人飞行的可靠与安全。猎鹰-9火箭甚至在发射场正式飞行前还开展一子级9台发动机的整模块点火试验，通过地面试车确保飞行任务圆满成功。

3）液体载人运载火箭安全优势更加明显。从国内外发展历程和趋势来看，载人运载火箭呈现固液并存的特点，美国的航天飞机和SLS都采用了固体助推器，而我国和俄罗斯一直使用液体火箭。固体火箭由于推力大、系统简单，从火箭构型来看有其自身的固有优势。但是固体推进剂爆炸TNT当量系数显著高于液体火箭，最大可达到液氧煤油推进剂的15倍。固体火箭出现故障后爆炸产生的冲击波更强，载人飞船需要逃逸的安全距离更远。例如，起飞规模均为1000t推进剂的两种火箭，固体火箭的逃逸安全距离需要超过425m，而采用液氧煤油推进剂时仅需要182m。固体火箭安全距离越远，逃逸难度更大。并且由于允许逃逸的响应时间往往有限，当安全距离大到一定程度，为了使得载人飞船尽快到达安全范围，逃逸需要的加速度越大，甚至可能超过航天员生理允许承受的能力。

另一方面，固体火箭所有推进剂均安装在燃烧室中，缺乏故障隔离和控制措施，一旦发生爆燃、爆炸等故障将迅速发展和扩散，允许载人逃逸系统的响应和处置时间更短，也增加了逃逸系统设计难度。而且由于固体推进剂比冲性能低，达到相同的运载能力需要的推进剂更多，进一步增加了固体火箭的爆炸当量和逃逸难度。因此，尽管固、液载人运载火箭未来一段时期内仍然将长期并存，但是从安全性角度出发无疑采用液体推进剂具有更大优势。而美国在利用航天飞机固体助推器的基础尽快完成SLS-1研制后，在拓展构型SLS-2中也提出可能使用先进的液体助推器替代固体助推器。

此外，由于火箭一子级和助推器的推进剂占到全箭推进剂的80%，是决定火箭爆炸当量的主要因素，从降低爆炸危险性出发，液氧-烃类燃料TNT当量系数仅为液氢-液氧的1/6，安全优势更明显。虽然液氧-烃类燃料比冲较液氢液氧偏低，但一子级和助推器的比冲性能对火箭运载能力影响较小，并且液氧-烃类发动机具有推力大的特点，作为载人运载火箭的基础级有十分突出的优势。