重型运载火箭大比拼中美俄三国争锋/ 张雪松展鹏飞

Space Exploration - - CONTENTS - □张雪松 展鹏飞

Competition of Heavy Launch Vehicles between China, U.S. and Russia

在 2017 年 6月北京召开的全球航天探索大会上,中国航天再次公布了未来的重型火箭方案,并提到火箭预计2028年进行首次发射。巧合的是, 6 月 8日塔斯社报道俄罗斯提前进行重型火箭的研制,同样打算 2028 年在东方发射场进行首次发射。美国的SLS重型火箭将于 2019 年首飞,但完全版 SLS Block II 也将在 2028 年左右发射。中美俄三国的重型火箭将几乎同时投入使用,将在十余年后开展载人深空探索竞赛。

重型火箭一般是指近地轨道运载能力大于50吨的火箭,目前这类火箭主要用于地球轨道之外的飞行任务,其典型代表就是美国的“土星5号”运载火箭。“土星5号”运载火箭是为载人登月研制的重型火箭,近地轨道运力118吨,月球转移轨道运力45吨,可以将“阿波罗”飞船和登月舱一次射入月球转移轨道。自“阿波罗”登月以来,虽然航天商业化发展日益兴盛,但重型火箭仍然没有商业需求,需求始终来自政府推动的深空载人航天计划。21世纪初美国提出“重返月球”的星座计划,后来又提出飞向小行星和火星,带动了重型火箭的发展,最终成为现在即将首射的SLS火箭。面对美国载人航天的发展,俄罗斯和中国也先后将目光转向载人登月概念研究,中俄两国的重型火箭,其首要目标正是支持本国的深空探测计划。

坎坷颇多的美国SLS火箭

美国航宇局有世界第一的预算支持,又有“土星5号”和航天飞机的成功经验和技术,不过21世纪初美国总统小布什决定重返月球后,“战神5号”重型火箭的研制并不顺利。为了发射越来越重的载人登月舱,“战神 5号”火箭近地轨道运力从130 吨一路飙升到188吨,火箭不断更改设计方案,结果续任的总统奥巴马决定中止重返月球的星座计划时,“战神5号”火箭目前还停留在纸面上。奥巴马将目标指向小行星和火星,而重 型火箭在美国参议院力保之下继续推进,只不过名字换成了空间发射系统(SLS)。SLS火箭吸取了“战神5号”火箭好高骛远反而一事无成的教训,直接使用航天飞机和“战神5号”已有的技术,比如SSME发动机和5段式固体助推器,还有来自德尔塔4火箭的氢氧低温上面级ICPS,构成了脚踏实地的SLS Block I型火箭。SLS Block I火箭的近地轨道运载能力可达70吨,月球转移轨道运力也有约 24吨,可以将一艘“猎户座”飞船射向月球。美国2019 年的 SLS 首次发射,就是使用SLS Block I 发射一

艘不载人的“猎户座”飞船绕月后返回。SLS火箭要是只能发射一艘载人飞船,那实在是难堪大用,美国接下来要研制改进型的SLS Block I B型火箭,这种火箭把临时的ICPS 上面级换成了专门研制的EUS上面级,8.4米直径的EUS上面级使用 RL10-C3氢氧发动机,近地轨道运载能力提高到 105吨,月球转移轨道运载能力更是达到了40吨,足以进行类似“阿波罗”的载人登月任务。

根据美国宇航局的载人深空探索计划,2021年后将使用 SLS Block I B火箭发射月球门户站的生活舱和服务舱,以及载人和货运飞船。美国2028年左右还将推出SLS火箭的终极型号,也就是SLS Block II型火箭,它主要的改进是使用了性能大幅度提升的先进助推器,将近地轨道运载能力提高到 130吨,月球转移轨道运载能力可达50吨,从而更好地服务美国未来的载人登月和载人火星任务。

自求多福的俄罗斯重型火箭

俄罗斯航天继承了苏联时代雄厚的航天工业基础,同样在重型火箭上拥有丰厚的储备。苏联由于N-1 重型火箭的连续失败,最终输掉了载人登月竞赛,痛定思痛之后苏联下大力气 发展重型火箭,耗费巨资研制了强大的“能源”号火箭。“能源”号火箭虽然只有两次发射,但它为俄罗斯留下了 RD-0120大推力氢氧发动机和RD-170/171大推力液氧煤油发动机,以及大直径氢氧芯级储箱的技术。基于这笔丰厚的资产,俄罗斯不仅研制了 RD-180液氧煤油发动机出口美国创汇,还研制了RD-191 液氧煤油发动机成为新一代“安加拉”火箭的基础。

21世纪俄罗斯国力有所恢复,加上美国重返月球的刺激,俄罗斯也提出了载人登月的规划,并决定研制重型运载火箭。由于俄罗斯经济不时出现反复,2014年后乌克兰危机带来的封锁,更是让俄罗斯经济和财政雪上加霜,俄罗斯航天部门甚至提出了研制“安加拉”5V火箭凑合的想法,不过现在看来,研制重型火箭的一派又占了上风。

俄罗斯的重型火箭将在能源设计局的“能源”-5VR和“能源”-5V两种方案中选择一种,它们都源自更早的“能源”-5K方案,在发动机技术上和苏联时代的“能源”号火箭也有着切不断的联系。目前来看,能源-5V/ VR重型火箭方案都将使用RD-171液氧煤油发动机作为助推器和芯一级,芯二级将使用新研制的RD-0150 氢氧发动机,5VR构型芯三级直接使用 RD58MF液氧煤油发动 机, 而5V构型增加了一个使用RD0146氢氧发动机的芯 三 级,把 RD58MF发动机放到第 四 级。 “能源”-5V/VR起飞质量约2400 吨,近地轨道运载能力约为100吨,但这种简化版重型火箭的研制同样花费不菲,有报道称“能源”-5系列重型火箭及其发射场的研制和建设,将耗资260亿美元。如果未来俄罗斯航天预 算没有较大幅度的增长,2028年如期发射能源 -5V/VR重型火箭是不现实的。

稳步推进的中国大火箭

中国嫦娥探月的“绕、落、回”三步走计划即将进行第三步,有外媒分析无人探测之后我国可能展开“探、登、驻”的后续大三步计划,也就是实现载人登月和月球基地(驻月)。去年 11 月 3日,我国成功发射了长征五号大型运载火箭,但它的同步转移轨道运载能力只有14吨,月球转移轨道运力更是只有约8.2 吨,换句话说也就是能把一艘神舟飞船打入飞向月球的轨道,这对载人登月和建立月球基地是远远不够的。中国航天科技集团公司一直开展重型火箭的预研,目前我国正在开展长征九号关键技术的攻关。

根据 2017年全球航天探索大会上中国航天科技集团公司一院公开的方案,暂命名为长征九号的重型运载火箭将使用捆绑4个液体助推器的构型,火箭近地轨道运载能力可达140吨,月球转移轨道运力为50吨。如果研制顺利的话,按计划 2028年前后长征九号火箭将进行首次发射,它以强大的运载能力,将为中华民族实现登月的千年梦想提供有力的支持。★

▲ SLS重型火箭示意图

▲俄罗斯重型火箭示意图

▲新一代火箭家族

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