国内外载人运载火箭发展历程分析与思考

2020-02-01武新峰彭祺擘张海联逯耀锋吕纪远

载人航天 2020年6期

武新峰，彭祺擘*，张海联，逯耀锋，吕纪远

(1. 中国航天员科研训练中心，北京 100094； 2. 中国载人航天工程办公室，北京 100071)

1 引言

运载火箭是目前人类进入太空的主要工具，奠定了世界航天的发展基础。从1961年人类首次进入太空到1969年美国航天员登陆月球，再到近地轨道空间站大规模部署与在轨运营，乃至当前商业航天兴起并迅猛发展，每一次人类航天事业的跨越发展都离不开运载火箭技术的进步。

中国的载人航天中，CZ-2F运载火箭成功执行了13次发射任务，先后将11名航天员送入太空，为中国载人航天事业取得辉煌成就提供了强有力的支撑[1]。

当前，随着中国载人航天即将进入近地空间站时代，稳步推进载人月球探测和月球以远深空探测等相关预先研究工作，现有载人运载火箭性能逐渐难以满足后续载人航天发展需求，需要尽快布局研制新一代载人运载火箭，充分利用当代先进技术，打造一款安全可靠、性能先进、经济高效的载人运载火箭，为中国载人航天事业未来几十年发展提供支撑。

本文在研究国外载人运载火箭发展历程和现状基础上，分析探讨当前载人运载火箭发展的主要特点与趋势，初步分析提出中国发展新一代载人运载火箭的相关建议，为后续新一代载人运载火箭方案论证和研制提供参考。

2 国外载人运载火箭发展历程与现状

载人运载火箭不同于非载人运载火箭，必须满足人的过载、振动、热等环境要求和故障检测及逃逸与应急救生要求，需具备极高的可靠性和安全性，其研制难度、复杂程度、研制代价远高于非载人运载火箭[2]。因此，截止目前，世界上仅美国、俄罗斯(苏联)和中国研制并应用了载人运载火箭。进入新世纪，随着高新技术迅猛发展和航天发射市场逐渐开放，运载火箭研制门槛不再高不可攀，世界各航天国家甚至商业公司均开始以载人为目标探索研制运载火箭。

2.1 美国

美国研制应用的载人运载器主要包括宇宙神D、大力神2 LV4、土星系列火箭和航天飞机[3]，目前在研的主力载人运载火箭为航天发射系统(SLS)。2020年5月猎鹰9火箭完成首次载人发射，成为美国唯一一款现役载人运载火箭。

20世纪50年代末，美国在宇宙神D洲际导弹基础上改进研制了第一枚载人运载火箭，于1962年2月20日发射水星6号载人飞船，实现了美国人首次绕地球轨道飞行。1962年，在大力神2洲际导弹基础上研制大力神2 LV4火箭，于1965年6月3日发射双子星4号载人飞船，实现美国人首次在轨出舱活动[3]。

1958年起，美国开始研制用于载人登月的大型液体运载火箭，先后研制了包括土星I、土星1B和土星V 3种构型。土星I火箭主要验证大型液体运载火箭技术，开展近地轨道飞行试验验证；土星1B火箭主要验证阿波罗飞船、土星V火箭三级、轨道机动和空间交会对接等技术，为土星V研制积累了大量经验，并执行了3次天空实验室载人发射任务。土星V是目前世界上最大的载人运载火箭，采用三级构型，全箭高约111 m，起飞推力约34 029 kN，起飞质量约2946 t，LEO运载能力约120 t。土星V首次将人类送上了月球，13次发射任务全部成功，奠定了美国在世界航天领域的领先地位。

航天飞机是世界上第一种部分重复使用航天运载器，1969年开始研制，1981年哥伦比亚号首次飞行。航天飞机高约56.1 m，起飞推力约30 803 kN，起飞质量约2041 t，LEO运载能力约29.5 t，累计执行135次发射任务，共将355名航天员送入太空。

2005年起美国开始实施星座计划，研制战神I载人运载火箭和战神V货运运载火箭。战神I火箭采用两级串联构型，一级为5段式固体助推器，二级采用氢氧发动机，全箭高约94.2 m，起飞推力约16 000 kN，起飞质量约907 t，LEO运载能力约25 t。2009年战神I火箭飞行试验成功，但在2010年因星座计划取消而终止研制。

2011年，NASA启动SLS火箭研制，包括SLS-1、SLS-1B和SLS-2 3种构型。SLS-1火箭采用两级半构型，芯一级直径8.4 m、安装4台RS-25D氢氧发动机；助推器采用2个5段式固体发动机；上面级基于德尔它IV二级进行改进，直径5 m、采用1台RL10B-2氢氧发动机，全箭高约97.8 m，起飞推力约39 440 kN，起飞质量约2591 t，LEO运载能力为95 t。SLS-1B在SLS-1基础上改进，采用EUS上面级，直径为8.4 m，安装4台RL10C-3氢氧发动机，LEO运载能力约105 t。SLS-2在SLS-1B基础上改进，采用改进的固体助推器，LEO运载能力达到130 t[4]。SLS火箭主要用于开展载人登月和载人登火等深空探测任务，计划于2021年首飞执行Artemis-1无人飞行任务，支持2024年实现美国人重返月球。

猎鹰9火箭由美国SpaceX公司研制，主要用于低成本商业发射，实现了火箭一子级垂直回收和多次重复使用。猎鹰9火箭为两级构型，采用液氧煤油推进剂，全箭高约70 m，起飞推力约7607 kN，起飞质量约549 t，LEO运载能力约22.8 t[5]。随着猎鹰9火箭执行卫星和空间站货运发射次数增加，可靠性不断提高，成功实现载人飞行，为后续开展商业载人发射奠定了基础。猎鹰重型运载火箭是猎鹰9火箭的衍生构型，一级并联捆绑三个猎鹰9火箭一子级，二级直接采用猎鹰9火箭二子级，LEO运载能力约63.8 t。该火箭采用模块化设计，一级发动机具备较强动力冗余能力，大大提高了任务可靠性。2018年2月成功首飞后，2019年执行了2次商业发射任务。此外，SpaceX公司提出研制名为Starship-Super Heavey的完全重复使用运载火箭和飞船系统，其一级为超重型运载火箭(Super Heavey)，箭体直径为9 m，安装31台猛禽液氧甲烷发动机，二级为带翼式在轨飞行器星舰(Starship)，LEO运载能力约100 t，最多可容纳100人[6]。

如图1所示，纵观美国载人运载火箭发展历程，从基于导弹改进研制到专门设计载人运载火箭，从近地轨道运载能力几吨到上百吨，技术逐步成熟、性能不断提升。

图1 美国载人运载火箭发展历程Fig.1 Development of American crew launch vehicles

目前，美国主要依赖俄罗斯联盟号火箭执行空间站载人发射任务，随着猎鹰9火箭载人发射成功，SLS火箭即将首飞，美国在载人发射方面又将重新回到世界领先位置。在Artemis计划中，通过部署月球轨道空间站支持开展载人登月和载人登火任务，美国一方面联合俄罗斯、欧洲、加拿大、日本等开展国际合作，主导世界载人深空探测活动，保持其世界领先地位；另一方面积极引入猎鹰9火箭、龙飞船、新格伦火箭等私营航天力量，拓展任务灵活性、降低成本，促进其载人航天运输力量的发展。

2.2 俄罗斯

俄罗斯载人运载火箭主要包括东方号、联盟号、N1和能源号火箭，目前规划(或在研)主要包括安加拉A5P、联盟-5、叶尼塞和顿河运载火箭等。

东方号火箭是苏联在R-7导弹基础上研制，是世界上第一枚载人运载火箭，于1961年4月将世界上第一位航天员尤里·加加林送入太空。联盟号运载火箭是在东方号基础上改进研制，采用两级半构型，全箭高约51 m，起飞推力约4939 kN，起飞质量约310 t，LEO运载能力7.2 t。截止目前，联盟号运载火箭仍在执行国际空间站载人发射任务，是世界上发射次数最多的运载火箭[3]。

苏联曾为载人登月研制了N1载人运载火箭，采用串联式五级构型方案，整体呈锥形，一级、二级和三级均采用液氧煤油推进剂，全箭高约105 m，起飞推力约44 100 kN，起飞质量约2750 t，LEO运载能力约95 t[7]。N1火箭连续进行了4次飞行试验，均以失败告终，最终导致前苏联终止N1火箭研制，并取消了载人登月计划[8]。此后，苏联为发射暴风雪号航天飞机研制了能源号运载火箭，芯一级直径约8 m，采用4台RD-0120氢氧发动机；捆绑4个助推器，助推器直径3.9 m、安装1台RD-170液氧煤油发动机，全箭高约60 m，LEO运载能力约105 t。能源号运载火箭共发射2次，均取得成功，尤其是RD-170发动机的成功研制为后续俄罗斯运载火箭发展奠定了坚实基础。

近年来，随着美国宣布重返月球，世界各航天大国对新型、大型运载火箭的需求更加迫切，俄罗斯在经济形势恢复和政治环境趋好的背景下也提出载人月球探测计划[9]，并宣布研制新型载人运载火箭。2007年俄罗斯提出在安加拉A5火箭基础上，取消二子级和上面级，增加了逃逸系统，形成中型载人运载火箭安加拉A5P方案，全箭高约67 m，起飞推力约9610 kN，起飞质量约716 t，LEO运载能力约20.8 t，主要任务是发射PTK NP载人飞船。

2017年，俄罗斯宣布研制联盟-5号火箭，取代安加拉A5P火箭执行未来载人发射任务，该火箭采用两级串联构型，一级直径4.1 m、安装1台RD-171MV液氧煤油发动机，全箭高约65.9 m，起飞推力约7840 kN，起飞质量约534 t，LEO运载能力约15.4 t(增加上面级后，LEO运载能力约18 t)[10-11]，联盟-5火箭预计2022年首飞。

2018年俄罗斯宣布研制叶尼塞超重型运载火箭，该火箭采用一级半构型，芯级采用1台RD-180发动机，捆绑6个助推器，每个助推器采用1台YF-170MV发动机，全箭高约79 m，起飞推力约50 865 kN，起飞质量约3160 t，LEO运载能力约102 t，预计2028年首飞。后期，在叶尼塞火箭基础上增加芯二级，形成顿河号火箭，LEO运载能力约130 t[12]。

如图2所示，纵观苏联/俄罗斯载人运载火箭发展历程，联盟号系列载人火箭为其成为世界航天强国提供了极其重要的支撑。联盟号运载火箭不断改进发展，货运与载人火箭技术状态基本相同，大大提高了火箭可靠性。20世纪末俄罗斯载人航天事业发展缓慢，但苏联时代积累了雄厚的技术成果，尤其是总体设计、发动机和箭体加工制造等方面均处于世界领先水平，也为后续重型载人运载火箭研制提供了良好的基础条件。近年来俄罗斯虽公布了多个版本载人运载火箭研制方案，实际研制工作却进展缓慢，未来仍可能出现一些变数，但其在载人运载火箭方面仍具有相当大的技术优势。

图2 俄罗斯载人运载火箭发展历程 Fig.2 Development of Russian crew launch vehicles

2.3 其他国家

载人航天工程是一个国家综合国力的体现，发展载人航天需要政治支持、经济允许和社会稳定等外部环境，同时也要匹配世界航天发展步伐。在上世纪六、七十年代，美苏争霸的背景下载人航天高速发展，取得巨大成就的同时，形成了由美国主导的世界航天发展格局。尤其是国际空间站的建造和运营，从某种程度上大大占用了参与国家航天发展的精力和资源，削弱了其他国家独立开展载人航天的热情和能力，因此其余各国均未能研发出载人运载火箭。

如图3所示，欧空局主要研制了阿里安5火箭，LEO运载能力约21 t，并计划研制更低成本的阿里安6火箭；日本在H-2A火箭基础上发展了H-2B运载火箭，主要用于国际空间站运送货物、发射地球同步转移轨道卫星等，LEO运载能力约16.5 t；印度研制了PSLV火箭和GSLV火箭，主要用于卫星发射，LEO运载能力分别为1.5 t和5 t，后续也计划研制新型载人运载火箭开展载人月球探测活动；另外，以色列、朝鲜和韩国也都在研制运载火箭。

图3 其他国家主要运载火箭Fig.3 Typical foreign launch vehicles

3 国外载人运载火箭发展特点与趋势

载人运载火箭已经历了近60年的发展，推动和见证了人类走向太空。当前，以美国、俄罗斯为主的航天强国将探索目标瞄向月球及以远的深空，并将火星作为长远目标，持续拓展人类活动疆域，载人运载火箭也迎来了全面升级换代的历史机遇。

3.1 适应载人深空探测

从美、俄载人运载火箭研制规划可以看出，新研载人运载火箭主要面向载人登月、载人登火等深空探测发射任务，这就决定了载人运载火箭规模更大，研制难度更大。

3.1.1 提升质量规模

运载火箭的规模主要取决于探测任务目标定位和任务需求。以近期目标载人月球探测为例，前期分析[13]表明，不同的飞行模式和方案对应了不同的运载火箭规模。如果一次性发射飞船和着陆器组合体(即人货合运[14])，如阿波罗登月和N1-L3计划，要求运载火箭LEO运载能力达到百吨级。如采用人货分运模式，分别发射载人飞船和着陆器：当采用飞行器近地轨道一次对接时，可选用较小的载人运载火箭发射小型载人飞船和较大的货运运载火箭发射着陆器，如星座计划中的战神I和战神V火箭；当采用飞行器环月轨道对接时，载人飞船和着陆器可采用同一型运载火箭进行2次发射，不同的任务目标对运载能力需求也不相同，文献[13]分析得到LEO运载能力需求约65 t。表1给出了几种不同飞行方案的典型飞行器和运载火箭质量规模。可以看出，在20世纪六、七十年代的登月竞赛中，美苏均选择研制百吨级规模的重型运载火箭，采用一次性发射的登月方案。当前，美俄均计划建立月球轨道空间站[15]，环月轨道对接和基于月球轨道空间站登月方式成为两国共同的选择。无论是SLS火箭还是叶尼塞运载火箭，其最终目标均是更远的深空，因此运载能力更大，且兼顾载人与货物运输功能。

表1 不同飞行方案的飞行器和运载火箭质量规模

3.1.2 优化构型参数

运载火箭的质量规模影响构型和总体参数，图4给出了部分总体参数的关系，可通过基本公式和经验参数对火箭方案进行初步估计判断。通过运载效率、推重比和长细比等参数统计，可以看出各国载人运载火箭的特点。

图4 运载火箭总体参数的关系Fig.4 The relationship of main parameters of launch vehicles

如表2所示，从火箭构型对比分析，在早期登月竞赛过程中，美苏的重型载人火箭均选择了结构形式简单、总体结构功效高、可靠性较高的串联构型火箭[16]，目前中、小型载人火箭主要选择串联构型，而大型、重型载人火箭则选择捆绑构型。捆绑火箭的优点是缩短火箭长度、稳定性好、可靠性高，通过不同捆绑数量可以衍生出不同运载能力的系列运载火箭构型，运载能力覆盖性好[16]。同时，重型运载火箭呈现出通用化、模块化、系列化的发现趋势，特别是通用芯级捆绑构型火箭芯一级和助推器基本相同，减少模块种类，具有较明显的优势，如猎鹰重型、安加拉系列等。

表2 典型载人运载火箭的主要参数

从运载火箭级数分析，增加级数并在火箭飞行段抛掉结构死重有利于提高运载能力，但增加级数会带来级间分离、发动机高空起动等复杂操作，降低飞行可靠性。表2可以看出，土星V火箭采用三级入轨的方式，第三级发动机第一次工作后进入近地停泊轨道并关机，滑行约2.5 h后第二次起动，将飞船送入地月转移轨道。N1火箭采用四级入轨模式，前三级工作完成后进入近地轨道，由第四级进行地月转移加速，将登月飞行器送入地月转移轨道，第五级完成近月制动[17]。目前，SLS火箭采用两级半构型，通过芯二级一次工作后进入停泊轨道滑行，之后发动机第二次起动工作，将飞船送入地月转移轨道；叶尼塞火箭采用一级半入轨模式，需要配合上面级完成地月转移加速。总体看来，对于近地轨道任务，较为优化的是两级串联、一级半或两级半捆绑构型；对于高轨、深空探测发射任务，通常需要再增加一级或者采用上面级飞行器。

从推进剂类型分析，就国内外发动机性能水平而言，固体推进剂海平面比冲约250 s，常规推进剂海平面比冲约270 s，液氧煤油推进剂海平面比冲约310 s，液氢液氧推进剂海平面比冲约360 s(真空比冲约460 s)[18]。表2可以看出，美国土星V火箭选择液氧煤油和氢氧推进剂组合方案，战神I和SLS火箭采用了固体推进剂和氢氧推进剂组合方案，猎鹰9采用了全液氧煤油方案；俄罗斯则主要选用液氧煤油推进剂。选择推进剂一方面要考虑推进剂性能，但更多还是结合各国自身条件、发动机研制基础和优势进行选择。

从运载火箭推重比分析，战神I和SLS-1火箭等采用固体助推器的捆绑火箭推重比较大，能够缩短大气层内飞行时间，减小重力损失；但会相应增大过载，执行载人发射任务时需将过载控制在航天员可承受范围内。推重比一方面表征火箭起飞上升段的加速性能，另一方面也体现火箭上升过程中的动力冗余能力[19]。对于多发动机并联的液体运载火箭，推重比大时可以进行动力冗余设计，当某台或多台发动机出现故障时，故障发动机自动关闭，控制系统重新规划飞行弹道以继续完成飞行任务。如N1火箭一级安装30台发动机，最多可允许关闭4台发动机；猎鹰9火箭在2012年一次发射任务中发动机故障，关闭故障发动机后进行弹道重构，最终顺利将龙飞船送入预定轨道。通过动力冗余设计，显著提高了运载火箭飞行可靠性和适应性[19]。

从运载火箭长细比分析，长细比较大时不利于火箭稳定性控制，且箭体过长会增加研制生产、试验、总装、运输、发射等方面的难度。因此传统设计中，一般通过捆绑助推器、增加箭体直径等方式降低火箭高度，将长细比控制在一定范围内。近年来，随着控制算法和控制能力的发展提升，长细比约束逐渐减弱，比如猎鹰9火箭和叶尼塞火箭的长细比分别达到了19.13和19.27。长细比确定涉及全箭载荷、结构效率、姿控稳定性等多方面的因素，需要全面综合的优化设计[20]。

3.2 重视技术继承确保高可靠性

美、俄新型载人运载火箭方案的一个主要特点是大量采用成熟产品和已有技术成果，提高运载火箭的固有可靠性。

3.2.1 采用循序渐进的研制模式

美国通过研制土星V系列和航天飞机积累了大量工程经验，形成了较为完善的研制模式和生产体系。在新研重型运载火箭过程中，继承了大量航天飞机的技术和产品，包括芯级主发动机、固体助推器、8.4 m直径箭体结构等产品以及德尔它4运载火箭上面级的发动机和箭体结构。尽管从战神I和战神V火箭方案到SLS火箭方案产生了变化，但是总体技术方向和研究工作一直持续推进，保证了产品和技术研究的延续性。如图5所示，SLS火箭方案研制按照LEO 95 t-105 t-130 t(LTO 26 t-37 t-45 t)的运载能力梯度进行研制，逐步验证和应用先进技术，逐渐提升火箭综合能力。另外，SpaceX公司在研制猎鹰9、猎鹰重型、龙飞船和星舰过程中，也采用了逐步验证、逐级实现、逐渐提升的研制策略，按照猎鹰1-猎鹰9-猎鹰重型形成运载能力，从一次性火箭到重复使用火箭、从货运龙飞船到载人龙飞船，逐步验证技术、提高可靠性，确保了研制进度，大大降低了研制风险和研制成本。

图5 SLS火箭构型图[21]Fig.5 The configuration of SLS[21]

苏联N1火箭研制过程受到国内外竞争压力和政治环境影响，研制时间被大大压缩，产品质量控制得不到保证，箭体结构和各系统没有得到充分考核和试验验证，导致N1火箭4次发射失败后所暴露的重大问题仍只停留在一、二级分离之前，这给苏联运载火箭发展造成了重大损失。俄罗斯在安加拉火箭过程中，采取了模块化、系列化研制思路，从安加拉A1开展研制和飞行验证，逐步拓展到安加拉A3、A5等捆绑构型。最新公布的重型火箭也采用了类似的研制思路，从联盟-5串联构型火箭到叶尼塞号一级半捆绑火箭，再到顿河号两级半捆绑火箭，研制过程也是循序渐进，逐级验证，确保火箭的每项新技术和每一级模块都经过充分验证，降低重型火箭研制难度和风险。

3.2.2 发挥动力技术优势

发动机是运载火箭研制的基础和关键，美俄均选择了基于成熟发动机研制新型载人运载火箭的发展路线。如表3所示，美国先后研制了J-2(J-2X)、RS-25(SSME、RS-25D/E)、RS-68(RS-68 A)、RL10(RL10-A、RL10-B)等高性能氢氧发动机，成功用于土星系列、航天飞机、德尔它系列等运载火箭，并应用过程中持续改进，使发动机推力、比冲、推重比和推力调节范围等性能参数方面处于世界领先水平。美国在新研运载火箭时，可选用的发动机较多，战神V选择RS-68 A作为主发动机，SLS火箭则选择RD-25D作为主发动机[22]。在液氧煤油发动机方面，美国为土星V研制的F-1发动机为阿波罗登月奠定了基础；SpaceX公司持续改进Merlin发动机，使其具备非常优异的性能，并成功用于猎鹰重型运载火箭，实现了基于多台数、小推力发动机构建重型运载火箭的设计理念跨越。

表3 美国主要液体发动机参数[23]

如表4所示，俄罗斯自始至终均致力于研制液氧煤油发动机，形成了RD-107、NK-33、RD-170、RD-180、RD-191等一系列高性能水平发动机，应用于联盟号、天顶号、宇宙神-5、安加拉号等运载火箭。俄罗斯在液氧煤油发动机研制和应用方面积累了大量经验，发动机性能处于世界领先水平。在氢氧发动机方面，如RD-0120和RD-0146发动机，推力量级相对较小，主要与液氧煤油发动机配合用于上面级。在新研重型运载火箭过程中，俄罗斯选择采用RD-171MV、RD-180液氧煤油发动机和RD-0146氢氧发动机，充分发挥了自身发动机的优势。

表4 俄罗斯主要液体发动机参数[23]

3.3 采用先进技术提高性能水平

美、俄新研载人运载火箭采用成熟技术的同时，也大量采用了当代先进技术，带动了技术进步，大幅提高运载火箭性能，满足更高的任务需求。

3.3.1 实现较高的运载效率

运载效率是有效载荷质量与火箭起飞质量之比，能够直观反映运载火箭的性能水平。图6可以看出，目前国内外载人运载火箭质量规模主要集中在500～1000 t和2500～3000 t两个区间，前者用于近地轨道发射任务，后者则主要用于载人深空探测发射任务；运载效率主要集中在3%～4%左右。对于深空探测任务，运载火箭规模对运载效率非常敏感，比如SLS-1火箭和N1火箭运载能力均为95 t，运载效率仅相差0.21%，但起飞质量相差达到159 t。起飞质量增加会大大提高研制生产、地面试验、运输、发射等方面难度和成本，因此美俄均积极采取有效措施最大程度提高运载效率，使运载火箭质量规模控制在合理、可承受的范围内。

图6 典型载人运载火箭运载能力与效率Fig.6 The payload capacity and efficiency of typical crew launch vehicles

3.3.2 广泛采用先进技术

提升火箭运载效率的主要措施包括总体优化设计、提升发动机性能、降低结构质量等[24]。在运载火箭总体优化设计方面，美俄采用了先进设计理念和设计方法，如基于发射概率设计方法、主动减载设计方法、自适应在线规划控制方法等；在研制应用阶段，持续对总体方案进行改进，达到性能最优，例如猎鹰9火箭将一级发动机由3×3布局改为中心1台、周边8台布局。

发动机作为运载火箭的心脏，对运载火箭性能提升起到至关重要作用。一款发动机研制成功后，通常会应用于多个火箭型号，并且会持续改进升级，甚至衍生出多个系列产品。如图7所示，以RD-170发动机为例，从1976年开始研制，历时12年研制成功，应用于能源号、天顶号等运载火箭；在此基础上，为提高发动机适应性又研制了RD-180和RD-191发动机；2015年开始改进研制RD-170MV发动机，海平面推力由7256 kN提高到7840 kN，用于构建叶尼塞和顿河重型运载火箭[23, 25]。发动机性能提升最具代表性的是Merlin发动机，经过多次改进其海平面推力由323 kN提升到845 kN，且具有55%～100%的推力调节能力，为猎鹰9火箭实现垂直回收、重复使用提供了重要支撑。

箭体结构轻量化设计也是运载效率提高的重要途径，表 5给出了部分典型载人运载火箭芯一级、二级的结构系数，可以看出猎鹰9芯一级结构系数为5.1%，芯二级结构系数为3.7%，是结构轻量化水平最高的。一方面，Merlin发动机推重比高，较其他液氧煤油发动机减重60%以上；另一方面采用了先进的设计方法和准则，大量采用了铝锂合金、碳纤维复合材料等先进新材料，使用框桁式贮箱、整体成型箱底、碳纤维箭体舱段等新结构(图8)，以及搅拌摩擦焊等新工艺，使得箭体结构大幅减重[26]。

图7 RD-170发动机衍生和Merlin1发动机改进历程Fig.7 The evolution of RD-170 and improvement of merlin engine

表5 典型载人运载火箭一级、二级结构系数

图8 猎鹰9火箭的新材料新工艺应用Fig.8 The application of new materials and technologies in Falcon 9

另外，增加推进剂加注量、减少推进剂剩余量(不可用量)也是提高火箭运载性能的重要途径。如猎鹰9火箭采用推进剂过冷加注技术，在同体积贮箱中加注更多推进剂，有效提升了运载能力。

4 发展新型载人运载火箭的初步建议

中国现有CZ-2F载人火箭是在CZ-2E火箭基础上改进研制，大量采用冗余设计，增加故障检测处理系统和逃逸系统，并根据历次任务中出现的问题，进行持续改进和优化，大大提高了火箭的可靠性和安全性[8]。截止目前，CZ-2F火箭已成功完成载人飞船工程、空间实验室工程的发射任务，后续还将继续执行空间站工程的载人发射任务。

CZ-2F火箭为两级半构型，采用常规推进剂，全箭高约58.3 m，起飞重量约480 t，LEO运载能力约8.6 t，运载效率约1.71%[27]。与国外先进载人运载火箭相比，CZ-2F火箭仍属于第一代载人运载火箭，在运载能力、运载效率、先进性等方面存在差距。目前，中国已经成功研制了CZ-5[28]、CZ-7[29-30]等新一代运载火箭[31](图9)，为研制新一代载人运载火箭奠定了良好的基础。

图9 CZ-2F载人运载火箭和新一代运载火箭Fig.9 CZ-2F crew launch vehicle and new generation launch vehicles

在当前我国信息技术高速发展、工业制造能力大幅提升、火箭研制经验积累丰富和认识深入的新时代背景下，如何研制一款达到世界先进水平的新一代载人运载火箭，是论证和研制过程中都必须考虑的问题。

4.1 需求定位

近年来，中国在无人深空探测方面取得了重大突破，储备和验证了载人月球探测相关技术，为开展载人月球探测提供了很好的条件。着眼于载人月球探测等深空探测发射任务，并兼顾支持近地轨道空间站运营等发射任务，推进中国载人运载火箭升级换代，亟需开展新型载人运载火箭研制。综合国外情况，新一代载人运载火箭是下一步开展载人深空探测的基础：一方面需要大幅提升运载能力和运载效率，LTO运载能力至少应达到25 t级，与世界未来载人运载火箭保持相同的能力水平；另一方面需要考虑研制进度、经济成本、长远发展需要，满足未来载人航天发射需求，形成系列化型谱，为中国载人航天事业未来几十年的发展提供支撑。

4.2 发动机选择

CZ-5、CZ-7等新一代运载火箭的技术成果、研制设备和基础设施等条件为新一代载人运载火箭研制奠定了良好基础，可大大降低研制风险，满足高可靠性要求。其中，发动机是运载火箭中研制难度最大、技术含量最高的产品，中国液氧煤油发动机包括YF-100、YF-115、YF-100 K发动机，氢氧发动机包括YF-77、YF-75、YF-75D发动机。其中，YF-100 K泵后摆发动机[32]是在YF-100发动机基础上改进研制，综合性能提高，总体布局更加优化，在5 m直径箭体可安装7台YF-100 K发动机，单模块推力达到900 t级，可为构建更大运载能力火箭提供良好基础。

4.3 逃逸方式选择

载人运载火箭必须以安全性设计为强约束，在每一个环节都要确保不危害航天员安全，同时在故障情况下有冗余设计和应急措施，必须确保航天员能够应急逃逸。目前，载人运载火箭应急逃逸方式主要为逃逸塔和自逃逸等[33]，CZ-2F载人火箭采用了逃逸塔方式，可通过逃逸塔将飞船带离危险区域；美国的龙飞船和CST-100飞船采用自逃逸模式，可通过飞船安装逃逸发动机，实现飞船自身逃离危险区域。这2种应急逃逸模式各有优点，需要根据任务特点和研制需要进行选择。安全性设计尤为重要，需要贯穿载人运载火箭设计的每个环节。

4.4 新技术应用

新一代载人运载火箭要创新发展，综合性能达到世界先进水平，这就需要处理好技术继承与创新发展的关系，技术继承并不是全盘应用已有产品和模式，而是根据新需求采用新技术取得新突破，创新研制模式和优化研制流程，通过创新发展来提高火箭综合性能。需对标猎鹰9号、安加拉A5等世界先进运载火箭，通过动力冗余设计提高运载火箭的可靠性；大量采用铝锂合金贮箱、碳纤维复合材料等新材料实现箭体结构轻量化设计；采用数字化设计、基于3D增材制造的设计-工艺-制造一体化技术、电气系统一体化设计、故障检测隔离、自主在线规划等[34-35]现代化技术手段不断提高运载火箭适应性，打造未来智慧运载火箭。

总之，新一代载人运载火箭的研制，可充分借鉴使用国外运载火箭先进设计理念、设计方法、设计手段和研制流程，通过采用新材料、新工艺、智能控制等措施，大幅提高运载火箭整体研制水平。