重型火箭，強國重器

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運載火箭是一種由多級火箭組成的航天運輸工具，它依據反作用原理，利用火箭發動機，將人造衛星、載人飛船、空間站或深空探測器等有效載荷送入太空。在運載火箭中：火箭發動機動力保證，推進劑燃燒物質保證，此外還包括控制系統、電子系統、結構系統、載荷艙、分離機構、安全系統等。它必須能達到第一或第二宇宙速度，同時要具備一定的發射及入軌精度。

如果將運載火箭按照運載能力大小進行分類，分為小型、中型、大型和重型（超重型）運載火箭。目前，這種分類方法尚無統一的量化標準。在我國航天界，一般將起飛重量大於2000噸、近地軌道運載能力在100噸級的運載火箭及其衍生構型均稱為重型運載火箭。

作者：錢航

中國科學院國家空間科學中心博士 現運載火箭技術研究院總體設計部型號設計師

1重型火箭：托舉更宏大的太空夢想

重型運載火箭屬國之重器，能夠體現一個國家的綜合實力。它的研製能夠推動科學技術進步、帶動基礎能力提升、培養科技人才隊伍。

世界上曾經飛行過的重型運載火箭包括美國的土星5號，蘇聯的N-1、能源號運載火箭，正在研製的有美國的太空發射系統SLS（Space Launch System）運載火箭，這些運載火箭主要應用於大規模深空探索任務或近地軌道大型有效載荷的運輸任務。伴隨著這些「巨無霸」運載器的輝煌與挫折，人類大幅拓展著進入太空的能力，給我們留下了寶貴的遺產。

網友繪製的不同型號運載火箭對比

從國外重型火箭發展歷程來看，對重型火箭的需求首先是政治需求，體現綜合國力，振奮民族精神，樹立民族信心，增強凝聚力；其次是科學技術發展需求，包括軍事、民用等諸多方面。國內對重型火箭的需求研究由來已久。目前，重型火箭的需求主要集中在三個方面：

一是戰略需求，即國家安全需要、航天發展需要和航天強國建設需要；

二是應用需求，即載人月球探測、深空探測、大型軌道設施等；

三是技術發展需求，即提升火箭動力、結構等設計、製造水平，促進我國從航天大國向航天強國邁進。

土星5號運載火箭是在人類歷史上使用過的最高、最重、運載能力最強的運載火箭，在人類航天史上留下了輝煌的戰績。土星5號在1967年至1973年間NASA共發射了13枚土星5號火箭，其最後一次發射是將天空實驗室的空間站直接送入太空。

相比於土星五號，N-1運載火箭則是蘇聯航天人心中永遠的一道傷痕。N-1是蘇聯研發的登月火箭，研發工作比土星五號晚，而且在資金短缺、未進行測試的情況下，四次發射試驗都遭遇滑鐵盧。種種的技術失誤，以及缺乏資金支持，N-1從未經過嚴格的出廠測試，甚至N-1每次爆炸都在一二級分離之前。計劃的12次試飛也因前4次徹底失敗而提前告終。

N1火箭轉場

N-1屢次失敗粉碎了蘇聯人的登月之夢，登月計劃取消後，蘇聯繼續N-1F研發，希望這款火箭今後能用於發射一個類似美國天空實驗室的大型太空站。但是研究還是在1974年宣告終止，儘管當時兩枚N-1F已經做好了發射準備。

1974年，蘇聯開始了對新火箭的方案論證工作。正如NASA用太空梭取代土星5號的計劃，蘇聯的能源科研生產聯合體提出了祝融星計劃（Vulkan），計劃設計一種以質子號運載火箭為基礎，使用與質子號相同燃料、比質子號更大、推力更強的、採用模塊化設計的火箭。

1987年5月15日，能源號重型運載火箭首次從哈薩克的丘拉坦發射場發射試飛成功。能源號是一種兩級運載火箭，總長度為60米，芯級直徑約為8米。總發射質量約為1960噸（最小估計值），總發射推力為2940噸。推重比大致與美國太空梭相當。能源號能將270噸載荷送到低地軌道、32噸載荷送到月球或27噸載荷送到火星和金星。

新「能源」火箭——俄羅斯國家航天事務集團表示將以曾經可與「土星5號」媲美的蘇聯「能源」火箭技術為基礎，改進「格魯什科」科學生產公司製造的RD-171型火箭發動機，在未來5至7年研製出近地軌道運載能力達160噸的超重型運載火箭，用於探索月球及其他天體的任務。

NASA在2010年開始研發太空發射系統（簡稱SLS），SLS火箭系統在完成之後將成為有史以來最強大的火箭，當然也包含目前的獵鷹重型火箭在內。NASA正對退役太空梭的RS-25引擎進行升級，來為SLS火箭提供動力。不過相比於獵鷹重型火箭，SLS火箭是無法回收的，這就會給未來的發射成本帶來影響。

SLS太空發射系統

SLS火箭發射系統未來的任務預計將對月球、火星甚至更遙遠的星球表面進行探索。目前火箭及「獵戶座」飛船的無人首飛——「探索任務-1」（EM-1）將推遲到最早2020年年中，載人飛行任務——「探索任務-2」（EM-2）將推遲到2022年年中。雖然發射時間多次推遲，但是當SLS火箭系統真正完成它的處女航時，它將引領一個全新的太空時代，而且也將確保NASA在航天領域一直以來的領導地位。

2長征九號：中國邁向航天強國的標誌

長征五號

2016年11月3日，全新研製的新一代大型運載火箭長征五號（CZ-5）在中國海南文昌航天發射場托舉著遠征二號上面級和實踐十七號衛星（SJ-17），經過約1821秒的飛行成功進入預定軌道，首飛取得圓滿成功。

長征五號運載火箭的首飛成功標誌著中國從此進入了擁有大型運載火箭的國家行列。而規劃論證中的重型運載火箭（代號長征九號，CZ-9）是我國建設航天強國的重要標誌，是實現「兩個一百年」發展目標中的重大科技創新活動，也可能是我國化學推進最大能力的終極火箭型號。

長征九號效果圖

經過近10年的論證，我國重型運載火箭的總體方案已經基本收斂，該總體方案已獲得國家國防科工局等上級單位認可，進入關鍵技術攻關、方案深化論證及方案設計階段，並取得了以10米級直徑整體鍛環、500噸級推力液氧煤油發動機渦輪泵與發生器聯試、3米直徑分段裝葯固體發動機試驗成功為代表的階段性成果，為後續工程研製奠定了初步基礎。

托舉CZ-9的三型新液體火箭發動機分別為500噸級液氧煤油發動機、200噸級和25噸級液氧液氫發動機，分別用作重型火箭的一級、二級和三級。三型發動機在推力、比沖、推重比等方面均瞄準國際一流水平。

從目前的120噸級發動機跨越到500噸級發動機，並非簡單的放大，而是技術難度呈現幾何級增長。例如，推力量級提高，讓燃燒裝置的流量、壓力和熱流大幅提高，對結構設計，熱防護以及熱傳導技術等帶來了極大挑戰，同時給材料強度、密封工藝和工作可靠性等提出了極高要求。此外，由於推力量級提升帶來的參數變化極大，目前的試驗驗證設施無法完全滿足研製需求，無法全部開展1:1的全工況試驗驗證，因而有些技術和產品只能進行模擬和縮比驗證，這給項目攻關帶來了很大難度。

未來的火星任務

長征九號是新一代重型火箭，其地面推力達到3000噸以上、近地運載能力100噸以上，起飛推力和近地運載能力兩項指標都超過了太空探索公司的獵鷹重型火箭，而大推力、單台泵的發動機布局，大大提升了火箭的可靠性。未來，我國還將研製推力更大的重型火箭，可以滿足我國未來載人登月、火星探測和後續深空探測需求。

作者：錢航 中國科學院國家空間科學中心博士

現運載火箭技術研究院總體設計部型號設計師

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