國外新一代重型運(yùn)載火箭發(fā)展分析

張綠云 龍雪丹 黃長梅 曲晶（北京航天長征科技信息研究所）

美國土星-5重型運(yùn)載火箭（來源：NASA)

重型運(yùn)載火箭代表了一個(gè)國家更大、更遠(yuǎn)、自主進(jìn)入空間的能力，是國家綜合國力和航天強(qiáng)國的重要標(biāo)志。從20世紀(jì)60年代開始，美國和蘇聯(lián)/俄羅斯相繼開展了第一代重型運(yùn)載火箭的研制，包括美國土星－5（Saturn－5）和蘇聯(lián)/俄羅斯N－1火箭，80年代兩國又相繼研制了航天飛機(jī)和能源號(hào)（Energia）火箭，將人類的足跡從近地軌道擴(kuò)展到了月球。2011年，隨著美國航天飛機(jī)的退役，世界上已經(jīng)沒有在役的重型運(yùn)載火箭。而為了滿足載人重返月球、載人登陸火星以及地球以遠(yuǎn)深空探索需求，美國、俄羅斯政府以及私營公司積極推進(jìn)新一代重型運(yùn)載火箭的研制，包括“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）、“超重-星艦”（Super-heavy Starship）運(yùn)輸系統(tǒng)，以及“葉尼塞”（Yenisei）重型運(yùn)載火箭，以滿足未來的長期、可持續(xù)的深空探索需求。

1 SLS航天發(fā)射系統(tǒng)

總體方案

美國奧巴馬政府在上臺(tái)后終止“星座”（Constellation）計(jì)劃，提出了“2025年實(shí)現(xiàn)載人登陸小行星，2030年載人探測火星并安全返回”的遠(yuǎn)期探索目標(biāo)。2011年9月14日， 美國國家航空航天局（NASA）正式對外公布了新型重型運(yùn)載火箭SLS方案。該火箭是美國繼土星－5之后的又一重型運(yùn)載火箭，用于向近地軌道及以遠(yuǎn)的空間發(fā)射“獵戶座”多用途乘員飛行器（MPCV）、重要貨物以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。除主要用于載人深空探測任務(wù)外，SLS還是“國際空間站”商業(yè)乘員運(yùn)輸系統(tǒng)的備份運(yùn)輸工具。

SLS火箭包括SLS－1型（載人/載貨）、SLS－1B型（載人/載貨）和SLS－2型（載人/載貨）。SLS－ 1型由芯級、2枚五段式固體助推器、級間段、過渡型低溫上面級（ICPS）和飛船支架組成，可實(shí)現(xiàn)70t 近地軌道運(yùn)載能力以及27t月球以遠(yuǎn)目的地的運(yùn)載能力。系統(tǒng)通過月球任務(wù)演示驗(yàn)證后，NASA計(jì)劃采用探索上面級（EUS）替換過渡型低溫上面級，并采用改進(jìn)型固體助推器以形成SLS－1B型，近地軌道運(yùn)載能力105t，而其深空運(yùn)載能力將達(dá)到38t。SLS－2型在SLS－1B型的基礎(chǔ)上使用先進(jìn)助推器替代五段式固體助推器，實(shí)現(xiàn)130t的近地軌道運(yùn)載能力，并將其深空運(yùn)載能力提高到46t。

SLS火箭構(gòu)型

研制進(jìn)展

自2011年9月對外公布SLS火箭研制方案以來，NASA在該項(xiàng)目上持續(xù)了9年時(shí)間，目前研制工作已經(jīng)進(jìn)展至首飛箭總裝準(zhǔn)備階段，首飛時(shí)間已從2018年推遲至2022年初。而在研制經(jīng)費(fèi)上，截至2021財(cái)年底，美國在SLS項(xiàng)目上的花費(fèi)已經(jīng)接近200億美元。

在研制進(jìn)展上，芯級的研制進(jìn)度滯后是影響SLS首飛時(shí)間最大的因素。作為全世界尺寸最大的火箭子級，SLS芯級在2014年7月通過了關(guān)鍵設(shè)計(jì)評審。2017年12月，波音公司完成芯級飛行件5個(gè)主要結(jié)構(gòu)的制造，而直到2019年底才完成首個(gè)芯級飛行件的組裝以及發(fā)動(dòng)機(jī)、飛行計(jì)算機(jī)與電子系統(tǒng)的安裝。隨后，NASA在2020年初將芯級運(yùn)抵斯坦尼斯航天中心，準(zhǔn)備進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)，但是該試驗(yàn)又因?yàn)榧夹g(shù)故障、疫情、天氣等原因持續(xù)了14個(gè)多月的時(shí)間。2021年3月19日，隨著芯級4臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)的成功，該芯級飛行件已于4月27日通過“飛馬座”（Pegasus）駁船運(yùn)至肯尼迪航天中心。對于SLS首飛任務(wù)，除了芯級，五段式固體助推器主要組件、級間段、過渡型低溫上面級以及飛船支架都已經(jīng)運(yùn)至肯尼迪航天中心，目前都處于箭體總裝準(zhǔn)備階段。其中，2枚五段式固體助推器在2017年底完成10個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)段的制造，于2020年6月運(yùn)至肯尼迪航天中心，目前已經(jīng)完成了總裝，正豎立在垂直組裝中心3號(hào)高跨間的活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上，接下來將完成儀器設(shè)備、火工品等的安裝。

SLS首飛箭組裝完成 （來源：NASA）

此外，為了保障后續(xù)“阿爾忒彌斯”（Artemis）任務(wù)的有序進(jìn)行，確保深空探索的可持續(xù)性，NASA積極組織承包商開展所需SLS火箭組件的制造和裝配，通過結(jié)構(gòu)試驗(yàn)計(jì)劃、“創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目”和“先進(jìn)助推器項(xiàng)目”等為后續(xù)型號(hào)研制儲(chǔ)備相關(guān)先進(jìn)技術(shù)，并陸續(xù)發(fā)布芯級、探索上面級、RS－25發(fā)動(dòng)機(jī)以及固體助推器的批量采購合同，以批量生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品成本的降低。

2 “超重-星艦”星際運(yùn)輸系統(tǒng)

總體方案

美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）CEO馬斯克在2016年9月正式對外公布了“星際運(yùn)輸系統(tǒng)”（ITS），瞄準(zhǔn)人類殖民火星以及星際探索。隨后持續(xù)進(jìn)行快速迭代，每年均進(jìn)行一定程度的方案調(diào)整，從初期的“星際運(yùn)輸系統(tǒng)”方案到2017年的“大獵鷹火箭”（BFR）方案，最終逐漸演化成“超重-星艦”運(yùn)輸系統(tǒng)。其有效載荷運(yùn)載能力從最初設(shè)計(jì)的300t至目前的100+t，最大直徑由12m縮減到9m，箭體及柵格舵的材料由最初的碳纖維材料變更至目前的不銹鋼材料。該方案在不斷修改中逐漸向可實(shí)現(xiàn)的方向發(fā)展。

“超重-星艦”運(yùn)輸系統(tǒng)的主要參數(shù)變化

最新的資料顯示，該系統(tǒng)采用船箭一體化設(shè)計(jì)，包括“超重”火箭級和“星艦”飛船級，分為載人型和貨運(yùn)型。運(yùn)載能力為100+t，兩級均可重復(fù)使用。能將100人送往月球、火星或其他遙遠(yuǎn)目的地，或是繞地球飛行。系統(tǒng)全長120m，起飛質(zhì)量為5000t，起飛推力7400t（約合72.52MN）。

“超重”火箭級：高70m，直徑9m，推進(jìn)劑加注量為3300t，設(shè)有4個(gè)柵格舵（外型由矩型改為菱形），并設(shè)4個(gè)著陸支腿。采用“猛禽”（Raptor）液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，液氧/甲烷推進(jìn)劑均采用過冷加注方式。發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)量可根據(jù)任務(wù)需要進(jìn)行調(diào)整，最多37臺(tái)，最少24臺(tái)，但該數(shù)量仍存在爭議。馬斯克曾透露，為了簡化配置，可能將火箭級發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量減少至28臺(tái)或更少。“超重”火箭級將繼承獵鷹－9（Falcon－9）火箭的做法，采用垂直起降技術(shù)進(jìn)行回收。

“超重-星艦”運(yùn)輸系統(tǒng)的構(gòu)型演變

“超重-星艦”運(yùn)輸系統(tǒng)主要參數(shù)

“星艦”飛船級：高50m，直徑9m，推進(jìn)劑加注量為1200t，最初的MK1和MK2原型機(jī)干質(zhì)量均為200t，后續(xù)型號(hào)將逐漸減輕至100～120t，采用6臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)，其中包括3臺(tái)海平面型和3臺(tái)真空型發(fā)動(dòng)機(jī)。“星艦”采用雙鴨翼+雙尾翼，設(shè)6個(gè)可伸縮著陸支腿。鴨翼和尾翼均改成梯形，以提高著陸時(shí)的翼面控制效率。迎風(fēng)面防熱由氣膜主動(dòng)冷卻改為防熱瓦。標(biāo)準(zhǔn)“星艦”整流罩外徑9m，是目前或是尚在開發(fā)中的航天運(yùn)載器中體積最大的。有效載荷包絡(luò)線直徑8m。大翻蓋式外殼可容納新型有效載荷、共享模式和一次性部署整個(gè)星座的衛(wèi)星。這個(gè)可擴(kuò)展體積還可以容納高達(dá)22m的有效載荷。在回收方面，“星艦”將盡可能最大限度地利用空氣制動(dòng)，以60°傾斜姿態(tài)進(jìn)入大氣層。

研制進(jìn)展

SpaceX公司正在快速推進(jìn)“星艦”飛船級的研制工作，在研制過程中，SpaceX公司依然像“蚱蜢”（Grasshopper）一樣通過快速分階段驗(yàn)證的迭代式研制模式，驗(yàn)證設(shè)計(jì)概念和方案的可行性。從項(xiàng)目的公布到首架“星艦”驗(yàn)證機(jī)的建成僅僅用了3年。

自2019年3月，“星艦”項(xiàng)目進(jìn)入密集測試階段，截至2021年4月底，已對1架“星艦跳蟲”（StarHopper）驗(yàn)證機(jī)、1架MK全尺寸原型機(jī)、9架SN系列原型機(jī)和多個(gè)9m直徑不銹鋼貯箱進(jìn)行了測試。試驗(yàn)中損失了7架原型機(jī)，實(shí)現(xiàn)了“星艦跳蟲”驗(yàn)證機(jī)、SN5和SN6全尺寸原型機(jī)的150m低空試飛，SN8～SN11的10千米級高空試飛。

在低空飛行試驗(yàn)中，偏置安裝的“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)在飛控算法控制下，實(shí)現(xiàn)了垂直起飛和降落，證明了大推力發(fā)動(dòng)機(jī)偏置用于垂直起降的可行性。

而10千米級高空飛行試驗(yàn)，雖然結(jié)局均是原型機(jī)炸毀，但過程中驗(yàn)證了3臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)的性能（能夠支撐SN原型機(jī)達(dá)到預(yù)定高度）、飛行器整體空氣動(dòng)力學(xué)再入能力（水平滑行）、著陸前飛行姿態(tài)控制調(diào)整（水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到垂直狀態(tài)）、機(jī)身襟翼控制、推進(jìn)劑供應(yīng)貯箱轉(zhuǎn)換（從主貯箱切換到上貯箱）等。

此前，“超重”火箭級原型機(jī)的制造工作遲遲未開展，馬斯克對此的解釋是“受生產(chǎn)能力所限”。而經(jīng)過一年的建設(shè)，隨著位于博卡奇卡裝配中心的建成，目前，SpaceX公司已經(jīng)具備了相當(dāng)規(guī)模的生產(chǎn)能力，并在2020年10月開啟了首枚“超重”火箭級原型機(jī)的制造工作。該原型機(jī)代號(hào)為BN－1，有可能配備2～4臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，該原型機(jī)仍在裝配廠房中進(jìn)行組裝。

3 俄羅斯“葉尼塞”火箭

“葉尼塞”為俄羅斯擬研制的新型重型運(yùn)載火箭。2019年2月，俄羅斯政府簽署了關(guān)于2028年前研制重型運(yùn)載火箭計(jì)劃的文件，2019年底通過初步設(shè)計(jì)方案。按照目前的方案，“葉尼塞”火箭為兩級構(gòu)型，芯級將捆綁6枚助推器。助推器擬采用在研的聯(lián)盟－5（Soyuz－5）火箭的一子級，發(fā)動(dòng)機(jī)為RD－171MV液體火箭；芯級采用聯(lián)盟－5火箭的一子級或聯(lián)盟－6火箭的一子級，發(fā)動(dòng)機(jī)為RD－171MV或RD－180液體發(fā)動(dòng)機(jī)；二子級采用在研的安加拉－A5V（Angara）火箭的氫氧二子級，發(fā)動(dòng)機(jī)為RD－0150。未來，“葉尼塞”火箭可實(shí)現(xiàn)近地軌道和探月軌道運(yùn)載能力分別為100t和27t（或80t和20t）的目標(biāo)?！叭~尼塞”首飛成功后，俄羅斯政府將在其基礎(chǔ)上研制三級型“頓河”（Don River）火箭，將近地軌道能力提高至140t，探月運(yùn)載能力提高到33t。不過，目前俄羅斯的重型運(yùn)載火箭依然處于方案論證階段，未來有可能采用液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，現(xiàn)公開方案有可能面臨較大調(diào)整。

俄羅斯政府計(jì)劃在2027年完成“葉尼塞”火箭及其位于東方航天發(fā)射中心（Vostochny Cosmodrome）發(fā)射系統(tǒng)的研制和建造工作，于2028年實(shí)現(xiàn)火箭首飛。根據(jù)初步計(jì)算，火箭和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)將花費(fèi)15000億盧布，其中，首枚火箭的研制費(fèi)用約為7000億～7500億盧布。

“葉尼塞”火箭點(diǎn)火起飛模擬圖

4 發(fā)展特點(diǎn)分析

美、俄政府采用的這種漸進(jìn)式的發(fā)展策略符合“由易漸難”的型號(hào)研制規(guī)律，可降低重型火箭的研制難度和風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)利用初始構(gòu)型可以實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)空間探索技術(shù)的先期驗(yàn)證，有利于實(shí)現(xiàn)逐步拓展深空探測領(lǐng)域的長遠(yuǎn)規(guī)劃。

循序漸進(jìn)，降低研制難度

美國在SLS重型運(yùn)載火箭研制上采取“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，分階段實(shí)現(xiàn)近地軌道運(yùn)載能力分別為70t、105t和130t的目標(biāo)。第一步，研制SLS－1型，借助現(xiàn)有成熟的RS－25氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、固體助推器技術(shù)、氫氧上面級技術(shù)，以較低的初期研制成本實(shí)現(xiàn)高可靠性的重型運(yùn)載火箭的首飛；第二步，研制直徑更大、飛行時(shí)間更長的探索上面級，替代現(xiàn)有的過渡型低溫上面級，形成運(yùn)載能力達(dá)到100噸級的SLS－1B構(gòu)型；第三步，開展先進(jìn)助推器的方案研究與試驗(yàn)，以SLS－2型實(shí)現(xiàn)該重型火箭在運(yùn)載能力上的跨越。除了美國，俄羅斯先行研制兩級型“葉尼塞”火箭，在其基礎(chǔ)上再行研制三級型“頓河”重型運(yùn)載火箭的做法也是類似發(fā)展思路的體現(xiàn)。

利用成熟技術(shù)，降低研發(fā)成本

根據(jù)本國技術(shù)優(yōu)勢和基礎(chǔ)，關(guān)注繼承性和經(jīng)濟(jì)性，充分采用成熟技術(shù)和通用組件，最大限度地利用現(xiàn)有資源，有利于降低研制和發(fā)射成本，成為各國發(fā)展新型重型運(yùn)載火箭的有效途徑。美國SLS重型火箭項(xiàng)目充分利用了航天飛機(jī)的RS－25主發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和固體助推器技術(shù)，并在德爾他－4（Delta－4）火箭低溫上面級的基礎(chǔ)上研制了過渡型低溫上面級。同時(shí)，對現(xiàn)有技術(shù)和成熟產(chǎn)品的繼承也促進(jìn)了對制造、試驗(yàn)和發(fā)射等基礎(chǔ)設(shè)施和研制能力的繼承，降低了相應(yīng)的投資。俄羅斯充分發(fā)揮和利用其在液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)上的優(yōu)勢，對已經(jīng)成功應(yīng)用的RD－171和RD－180發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，并充分繼承“天頂”（Zenit）火箭的自動(dòng)化測試技術(shù)。而美國SpaceX公司在其“超重-星艦”運(yùn)輸系統(tǒng)的研制上也注重技術(shù)和能力的繼承，其中火箭級將沿用獵鷹－9火箭的垂直起降回收技術(shù)。

新技術(shù)探索，滿足性能需求

對于重型運(yùn)載火箭研制，美國在充分繼承成熟技術(shù)的同時(shí)也在積極探索新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，以滿足新型重型運(yùn)載火箭高可靠、低成本等方面的需求。在SLS項(xiàng)目上，NASA在材料方面深入研究輕質(zhì)鋁鋰合金和復(fù)合材料的應(yīng)用可行性，降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，未來有望用于SLS火箭的“超輕質(zhì)貯箱”、先進(jìn)助推器、探索上面級的結(jié)構(gòu)制造；在工藝上大量引進(jìn)攪拌摩擦焊和3D打印技術(shù)，提高了芯級的工藝水平，大大降低了芯級、上面級發(fā)動(dòng)機(jī)的噴注器、渦輪泵、縱向耦合振動(dòng)蓄壓器（POGO）抑制組件、排氣蓋板等結(jié)構(gòu)零部件的制造成本和研發(fā)時(shí)間；評估系列低溫推進(jìn)劑貯存技術(shù)，計(jì)劃應(yīng)用于SLS后續(xù)型號(hào)。在“超重-星艦”項(xiàng)目上，SpaceX公司更是將新技術(shù)探索發(fā)揮到了極致，包括：飛船級結(jié)合水平返回再入方案、“猛禽”液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、低溫推進(jìn)劑在軌加注技術(shù)、全箭不銹鋼制造技術(shù)等。

并行研發(fā)，保障進(jìn)度

SpaceX公司為了加快研制采用并行研發(fā)和快速迭代的模式，加速推進(jìn)相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，該公司分別在德克薩斯州和佛羅里達(dá)州兩地快速打造出兩艘原型星艦－Mark1和Mark2。雖然星艦－Mark1原型機(jī)在低溫增壓測試時(shí)破裂導(dǎo)致佛羅里達(dá)州的星艦－Mark2直接退役，但這種并行研發(fā)模式為后期的工作開展打下了良好的基礎(chǔ)，驗(yàn)證了生產(chǎn)工藝，加速了研制進(jìn)度。在進(jìn)入驗(yàn)證階段后，采取快速迭代的策略，利用原型機(jī)測試進(jìn)行多次“設(shè)計(jì)－建造－測試”的循環(huán)流程，及時(shí)為設(shè)計(jì)提供系統(tǒng)實(shí)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)上的“小步快跑”。雖然損失了多型原型機(jī)，但從整個(gè)工程進(jìn)度和研制花費(fèi)上來看，并沒有造成浪費(fèi)，反而增加了在研制初期的試錯(cuò)機(jī)會(huì)，保證了后續(xù)發(fā)展路線的正確性。