国外新一代重型运载火箭发展分析

张绿云 龙雪丹 黄长梅 曲晶（北京航天长征科技信息研究所）

美国土星-5重型运载火箭（来源：NASA)

重型运载火箭代表了一个国家更大、更远、自主进入空间的能力，是国家综合国力和航天强国的重要标志。从20世纪60年代开始，美国和苏联/俄罗斯相继开展了第一代重型运载火箭的研制，包括美国土星－5（Saturn－5）和苏联/俄罗斯N－1火箭，80年代两国又相继研制了航天飞机和能源号（Energia）火箭，将人类的足迹从近地轨道扩展到了月球。2011年，随着美国航天飞机的退役，世界上已经没有在役的重型运载火箭。而为了满足载人重返月球、载人登陆火星以及地球以远深空探索需求，美国、俄罗斯政府以及私营公司积极推进新一代重型运载火箭的研制，包括“航天发射系统”（SLS）、“超重-星舰”（Super-heavy Starship）运输系统，以及“叶尼塞”（Yenisei）重型运载火箭，以满足未来的长期、可持续的深空探索需求。

1 SLS航天发射系统

总体方案

美国奥巴马政府在上台后终止“星座”（Constellation）计划，提出了“2025年实现载人登陆小行星，2030年载人探测火星并安全返回”的远期探索目标。2011年9月14日， 美国国家航空航天局（NASA）正式对外公布了新型重型运载火箭SLS方案。该火箭是美国继土星－5之后的又一重型运载火箭，用于向近地轨道及以远的空间发射“猎户座”多用途乘员飞行器（MPCV）、重要货物以及科学实验设备。除主要用于载人深空探测任务外，SLS还是“国际空间站”商业乘员运输系统的备份运输工具。

SLS火箭包括SLS－1型（载人/载货）、SLS－1B型（载人/载货）和SLS－2型（载人/载货）。SLS－ 1型由芯级、2枚五段式固体助推器、级间段、过渡型低温上面级（ICPS）和飞船支架组成，可实现70t 近地轨道运载能力以及27t月球以远目的地的运载能力。系统通过月球任务演示验证后，NASA计划采用探索上面级（EUS）替换过渡型低温上面级，并采用改进型固体助推器以形成SLS－1B型，近地轨道运载能力105t，而其深空运载能力将达到38t。SLS－2型在SLS－1B型的基础上使用先进助推器替代五段式固体助推器，实现130t的近地轨道运载能力，并将其深空运载能力提高到46t。

SLS火箭构型

研制进展

自2011年9月对外公布SLS火箭研制方案以来，NASA在该项目上持续了9年时间，目前研制工作已经进展至首飞箭总装准备阶段，首飞时间已从2018年推迟至2022年初。而在研制经费上，截至2021财年底，美国在SLS项目上的花费已经接近200亿美元。

在研制进展上，芯级的研制进度滞后是影响SLS首飞时间最大的因素。作为全世界尺寸最大的火箭子级，SLS芯级在2014年7月通过了关键设计评审。2017年12月，波音公司完成芯级飞行件5个主要结构的制造，而直到2019年底才完成首个芯级飞行件的组装以及发动机、飞行计算机与电子系统的安装。随后，NASA在2020年初将芯级运抵斯坦尼斯航天中心，准备进行动力系统试验，但是该试验又因为技术故障、疫情、天气等原因持续了14个多月的时间。2021年3月19日，随着芯级4台主发动机点火试验的成功，该芯级飞行件已于4月27日通过“飞马座”（Pegasus）驳船运至肯尼迪航天中心。对于SLS首飞任务，除了芯级，五段式固体助推器主要组件、级间段、过渡型低温上面级以及飞船支架都已经运至肯尼迪航天中心，目前都处于箭体总装准备阶段。其中，2枚五段式固体助推器在2017年底完成10个发动机段的制造，于2020年6月运至肯尼迪航天中心，目前已经完成了总装，正竖立在垂直组装中心3号高跨间的活动发射平台上，接下来将完成仪器设备、火工品等的安装。

SLS首飞箭组装完成 （来源：NASA）

此外，为了保障后续“阿尔忒弥斯”（Artemis）任务的有序进行，确保深空探索的可持续性，NASA积极组织承包商开展所需SLS火箭组件的制造和装配，通过结构试验计划、“创新技术研发项目”和“先进助推器项目”等为后续型号研制储备相关先进技术，并陆续发布芯级、探索上面级、RS－25发动机以及固体助推器的批量采购合同，以批量生产实现产品成本的降低。

2 “超重-星舰”星际运输系统

总体方案

美国太空探索技术公司（SpaceX）CEO马斯克在2016年9月正式对外公布了“星际运输系统”（ITS），瞄准人类殖民火星以及星际探索。随后持续进行快速迭代，每年均进行一定程度的方案调整，从初期的“星际运输系统”方案到2017年的“大猎鹰火箭”（BFR）方案，最终逐渐演化成“超重-星舰”运输系统。其有效载荷运载能力从最初设计的300t至目前的100+t，最大直径由12m缩减到9m，箭体及栅格舵的材料由最初的碳纤维材料变更至目前的不锈钢材料。该方案在不断修改中逐渐向可实现的方向发展。

“超重-星舰”运输系统的主要参数变化

最新的资料显示，该系统采用船箭一体化设计，包括“超重”火箭级和“星舰”飞船级，分为载人型和货运型。运载能力为100+t，两级均可重复使用。能将100人送往月球、火星或其他遥远目的地，或是绕地球飞行。系统全长120m，起飞质量为5000t，起飞推力7400t（约合72.52MN）。

“超重”火箭级：高70m，直径9m，推进剂加注量为3300t，设有4个栅格舵（外型由矩型改为菱形），并设4个着陆支腿。采用“猛禽”（Raptor）液氧/甲烷发动机，液氧/甲烷推进剂均采用过冷加注方式。发动机的数量可根据任务需要进行调整，最多37台，最少24台，但该数量仍存在争议。马斯克曾透露，为了简化配置，可能将火箭级发动机数量减少至28台或更少。“超重”火箭级将继承猎鹰－9（Falcon－9）火箭的做法，采用垂直起降技术进行回收。

“超重-星舰”运输系统的构型演变

“超重-星舰”运输系统主要参数

“星舰”飞船级：高50m，直径9m，推进剂加注量为1200t，最初的MK1和MK2原型机干质量均为200t，后续型号将逐渐减轻至100～120t，采用6台“猛禽”发动机，其中包括3台海平面型和3台真空型发动机。“星舰”采用双鸭翼+双尾翼，设6个可伸缩着陆支腿。鸭翼和尾翼均改成梯形，以提高着陆时的翼面控制效率。迎风面防热由气膜主动冷却改为防热瓦。标准“星舰”整流罩外径9m，是目前或是尚在开发中的航天运载器中体积最大的。有效载荷包络线直径8m。大翻盖式外壳可容纳新型有效载荷、共享模式和一次性部署整个星座的卫星。这个可扩展体积还可以容纳高达22m的有效载荷。在回收方面，“星舰”将尽可能最大限度地利用空气制动，以60°倾斜姿态进入大气层。

研制进展

SpaceX公司正在快速推进“星舰”飞船级的研制工作，在研制过程中，SpaceX公司依然像“蚱蜢”（Grasshopper）一样通过快速分阶段验证的迭代式研制模式，验证设计概念和方案的可行性。从项目的公布到首架“星舰”验证机的建成仅仅用了3年。

自2019年3月，“星舰”项目进入密集测试阶段，截至2021年4月底，已对1架“星舰跳虫”（StarHopper）验证机、1架MK全尺寸原型机、9架SN系列原型机和多个9m直径不锈钢贮箱进行了测试。试验中损失了7架原型机，实现了“星舰跳虫”验证机、SN5和SN6全尺寸原型机的150m低空试飞，SN8～SN11的10千米级高空试飞。

在低空飞行试验中，偏置安装的“猛禽”发动机在飞控算法控制下，实现了垂直起飞和降落，证明了大推力发动机偏置用于垂直起降的可行性。

而10千米级高空飞行试验，虽然结局均是原型机炸毁，但过程中验证了3台“猛禽”发动机的性能（能够支撑SN原型机达到预定高度）、飞行器整体空气动力学再入能力（水平滑行）、着陆前飞行姿态控制调整（水平状态翻转到垂直状态）、机身襟翼控制、推进剂供应贮箱转换（从主贮箱切换到上贮箱）等。

此前，“超重”火箭级原型机的制造工作迟迟未开展，马斯克对此的解释是“受生产能力所限”。而经过一年的建设，随着位于博卡奇卡装配中心的建成，目前，SpaceX公司已经具备了相当规模的生产能力，并在2020年10月开启了首枚“超重”火箭级原型机的制造工作。该原型机代号为BN－1，有可能配备2～4台“猛禽”发动机。目前，该原型机仍在装配厂房中进行组装。

3 俄罗斯“叶尼塞”火箭

“叶尼塞”为俄罗斯拟研制的新型重型运载火箭。2019年2月，俄罗斯政府签署了关于2028年前研制重型运载火箭计划的文件，2019年底通过初步设计方案。按照目前的方案，“叶尼塞”火箭为两级构型，芯级将捆绑6枚助推器。助推器拟采用在研的联盟－5（Soyuz－5）火箭的一子级，发动机为RD－171MV液体火箭；芯级采用联盟－5火箭的一子级或联盟－6火箭的一子级，发动机为RD－171MV或RD－180液体发动机；二子级采用在研的安加拉－A5V（Angara）火箭的氢氧二子级，发动机为RD－0150。未来，“叶尼塞”火箭可实现近地轨道和探月轨道运载能力分别为100t和27t（或80t和20t）的目标。“叶尼塞”首飞成功后，俄罗斯政府将在其基础上研制三级型“顿河”（Don River）火箭，将近地轨道能力提高至140t，探月运载能力提高到33t。不过，目前俄罗斯的重型运载火箭依然处于方案论证阶段，未来有可能采用液氧/甲烷发动机，现公开方案有可能面临较大调整。

俄罗斯政府计划在2027年完成“叶尼塞”火箭及其位于东方航天发射中心（Vostochny Cosmodrome）发射系统的研制和建造工作，于2028年实现火箭首飞。根据初步计算，火箭和基础设施的建设将花费15000亿卢布，其中，首枚火箭的研制费用约为7000亿～7500亿卢布。

“叶尼塞”火箭点火起飞模拟图

4 发展特点分析

美、俄政府采用的这种渐进式的发展策略符合“由易渐难”的型号研制规律，可降低重型火箭的研制难度和风险，同时利用初始构型可以实现多项空间探索技术的先期验证，有利于实现逐步拓展深空探测领域的长远规划。

循序渐进，降低研制难度

美国在SLS重型运载火箭研制上采取“三步走”的发展战略，分阶段实现近地轨道运载能力分别为70t、105t和130t的目标。第一步，研制SLS－1型，借助现有成熟的RS－25氢氧发动机技术、固体助推器技术、氢氧上面级技术，以较低的初期研制成本实现高可靠性的重型运载火箭的首飞；第二步，研制直径更大、飞行时间更长的探索上面级，替代现有的过渡型低温上面级，形成运载能力达到100吨级的SLS－1B构型；第三步，开展先进助推器的方案研究与试验，以SLS－2型实现该重型火箭在运载能力上的跨越。除了美国，俄罗斯先行研制两级型“叶尼塞”火箭，在其基础上再行研制三级型“顿河”重型运载火箭的做法也是类似发展思路的体现。

利用成熟技术，降低研发成本

根据本国技术优势和基础，关注继承性和经济性，充分采用成熟技术和通用组件，最大限度地利用现有资源，有利于降低研制和发射成本，成为各国发展新型重型运载火箭的有效途径。美国SLS重型火箭项目充分利用了航天飞机的RS－25主发动机技术和固体助推器技术，并在德尔他－4（Delta－4）火箭低温上面级的基础上研制了过渡型低温上面级。同时，对现有技术和成熟产品的继承也促进了对制造、试验和发射等基础设施和研制能力的继承，降低了相应的投资。俄罗斯充分发挥和利用其在液氧/煤油发动机上的优势，对已经成功应用的RD－171和RD－180发动机进行改进，并充分继承“天顶”（Zenit）火箭的自动化测试技术。而美国SpaceX公司在其“超重-星舰”运输系统的研制上也注重技术和能力的继承，其中火箭级将沿用猎鹰－9火箭的垂直起降回收技术。

新技术探索，满足性能需求

对于重型运载火箭研制，美国在充分继承成熟技术的同时也在积极探索新技术的发展和应用，以满足新型重型运载火箭高可靠、低成本等方面的需求。在SLS项目上，NASA在材料方面深入研究轻质铝锂合金和复合材料的应用可行性，降低结构质量，未来有望用于SLS火箭的“超轻质贮箱”、先进助推器、探索上面级的结构制造；在工艺上大量引进搅拌摩擦焊和3D打印技术，提高了芯级的工艺水平，大大降低了芯级、上面级发动机的喷注器、涡轮泵、纵向耦合振动蓄压器（POGO）抑制组件、排气盖板等结构零部件的制造成本和研发时间；评估系列低温推进剂贮存技术，计划应用于SLS后续型号。在“超重-星舰”项目上，SpaceX公司更是将新技术探索发挥到了极致，包括：飞船级结合水平返回再入方案、“猛禽”液氧/甲烷发动机技术、低温推进剂在轨加注技术、全箭不锈钢制造技术等。

并行研发，保障进度

SpaceX公司为了加快研制采用并行研发和快速迭代的模式，加速推进相关试验验证，该公司分别在德克萨斯州和佛罗里达州两地快速打造出两艘原型星舰－Mark1和Mark2。虽然星舰－Mark1原型机在低温增压测试时破裂导致佛罗里达州的星舰－Mark2直接退役，但这种并行研发模式为后期的工作开展打下了良好的基础，验证了生产工艺，加速了研制进度。在进入验证阶段后，采取快速迭代的策略，利用原型机测试进行多次“设计－建造－测试”的循环流程，及时为设计提供系统实测数据，实现了设计上的“小步快跑”。虽然损失了多型原型机，但从整个工程进度和研制花费上来看，并没有造成浪费，反而增加了在研制初期的试错机会，保证了后续发展路线的正确性。