高旸　趙二剛

SLS 太空發(fā)射系統(tǒng)首次試飛

自從現(xiàn)代宇宙航行學(xué)的奠基人、被稱(chēng)為航天之父的齊奧爾科夫斯基提出多級(jí)火箭原理，火箭就一直是人類(lèi)進(jìn)入太空的主要運(yùn)載工具。由運(yùn)載火箭送入太空的航天器遍布地球的各個(gè)軌道，為人們提供著各項(xiàng)服務(wù)；近地軌道上運(yùn)行的空間站，更是讓人們能長(zhǎng)期在太空駐留。不過(guò)人類(lèi)早已不滿足于只在近地軌道活動(dòng)，各航天大國(guó)正將觸角伸向月球、火星等更遙遠(yuǎn)的地方，如美國(guó)的阿爾忒彌斯重返月球計(jì)劃、中國(guó)的月球科研站，甚至美國(guó)科技狂人馬斯克的火星移民愿景等，已經(jīng)奏響了人類(lèi)更進(jìn)一步進(jìn)軍深空的序曲。而這些計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)，則必須借助運(yùn)載火箭來(lái)實(shí)現(xiàn)。今天，我們就帶領(lǐng)大家一起來(lái)認(rèn)識(shí)各國(guó)重型運(yùn)載火箭。

首先必須要提到的，便是美國(guó)SpaceX 公司剛剛于4 月20日首次發(fā)射的星箭（Starship）重型火箭。作為當(dāng)前人類(lèi)歷史上最大的運(yùn)載火箭，雖然其發(fā)射未能取得成功，但這枚火箭在技術(shù)上的大膽創(chuàng)新卻令人稱(chēng)道。

spaceX 公司的星箭首次發(fā)射

土星5號(hào)底部巨大的F-1 發(fā)動(dòng)機(jī)

美國(guó)

SLS 太空發(fā)射系統(tǒng)

SLS（Space Launch System）太空發(fā)射系統(tǒng)是美國(guó)國(guó)家航空航天局針對(duì)阿爾忒彌斯計(jì)劃研發(fā)的一套超重型運(yùn)載火箭，旨在實(shí)現(xiàn)更可靠、更安全的太空運(yùn)輸。

作為STS（Space Transportation System）航天飛機(jī)計(jì)劃的延續(xù)和衍生，SLS 火箭采用了大量與航天飛機(jī)相同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和硬件設(shè)備，如采用RS-25 發(fā)動(dòng)機(jī)作為一級(jí)推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，并捆綁式固定了2 個(gè)固體推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)用于增加發(fā)射初段的推力。

為完成登陸月球、建立月面基地和前往火星等一系列計(jì)劃，SLS 火箭根據(jù)任務(wù)階段主要分為阿爾忒彌斯1 號(hào)、2 號(hào)和3 號(hào)。其中第一階段使用的1 號(hào)火箭已于2022 年成功發(fā)射，主要用于測(cè)試無(wú)人狀態(tài)下獵戶座飛船的大載荷運(yùn)輸效果。第二階段計(jì)劃將使用1B 型火箭進(jìn)行載人發(fā)射任務(wù)，第三階段將在10年時(shí)間內(nèi)多次在地月間運(yùn)輸貨物和人員。

土星5號(hào)

土星5 號(hào)是美國(guó)國(guó)家航空航天局在阿波羅計(jì)劃期間為探索月球而研發(fā)的一款超重型運(yùn)載火箭，采用三級(jí)推進(jìn)結(jié)構(gòu)。在1967-1973 年間共執(zhí)行了9次載人登月飛行任務(wù)，并成功發(fā)射了美國(guó)第一座空間站天空實(shí)驗(yàn)室。

隨著蘇聯(lián)成功發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星，美國(guó)也開(kāi)始在太空競(jìng)賽中加快了前進(jìn)的腳步，負(fù)責(zé)研發(fā)火箭的是大名鼎鼎的馮·布萊恩。他先是帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制了木星系列火箭朱諾1 號(hào)，并于1958 年發(fā)射了美國(guó)第一顆人造衛(wèi)星。之后，馮·布萊恩根據(jù)木星系列設(shè)計(jì)出了載荷更強(qiáng)大的土星系列火箭，并作為阿波羅計(jì)劃的主要運(yùn)載工具。

土星5 號(hào)1970 年關(guān)閉生產(chǎn)線， 1973 年完成最后一次發(fā)射。截至2023 年，它仍是唯一將人類(lèi)帶到近地軌道之外的運(yùn)載火箭，并保持著最大發(fā)射有效載荷的世界紀(jì)錄。

執(zhí)行探月任務(wù)的長(zhǎng)征5 號(hào)運(yùn)載火箭正由總裝廠房轉(zhuǎn)移至發(fā)射工位（攝影：蔣聚榮）

中國(guó)

長(zhǎng)征5號(hào)

長(zhǎng)征5 號(hào)運(yùn)載火箭被中國(guó)航天人親切地稱(chēng)作“大火箭”，它高約57 米，箭體直徑5 米，起飛質(zhì)量870 噸，是我國(guó)體積最大的火箭。長(zhǎng)征5 號(hào)火箭不僅個(gè)頭大，力氣也很大。其突破了大功率氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)等系列關(guān)鍵核心技術(shù)，起飛推力突破千噸級(jí)，近地軌道的運(yùn)載能力達(dá)到25 噸，是國(guó)內(nèi)運(yùn)載能力最強(qiáng)的火箭。

和以往火箭相比，長(zhǎng)征5 號(hào)是一枚全新研制的火箭，核心技術(shù)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，新研產(chǎn)品比例高達(dá)90%，共計(jì)攻克大直徑箭體結(jié)構(gòu)、大型低溫捆綁火箭耦合振動(dòng)抑制等12 大類(lèi)247 項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，可謂是不折不扣的“新一代”運(yùn)載火箭。

長(zhǎng)征5 號(hào)使我國(guó)跨入世界大噸位火箭發(fā)射行列，是我國(guó)運(yùn)載火箭升級(jí)換代的里程碑工程，代表了我國(guó)運(yùn)載火箭科技創(chuàng)新的最高水平。2020 年7 月23 日，長(zhǎng)征5 號(hào)在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火升空，成功實(shí)施我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)。未來(lái)，它將繼續(xù)承擔(dān)月球南極綜合探測(cè)、火星采樣返回、木星系探測(cè)及天王星飛越等多項(xiàng)重要任務(wù)。

長(zhǎng)征7號(hào)

從20世紀(jì)60年代以來(lái)，中國(guó)的長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭經(jīng)歷了從常溫推進(jìn)到低溫推進(jìn)、從串聯(lián)到捆綁、從一箭單星到一箭多星、從發(fā)射衛(wèi)星到發(fā)射載人飛船的技術(shù)歷程，逐步發(fā)展成為由多種型號(hào)組成的大家族，具備進(jìn)入低、中、高等多種軌道的能力，入軌精度達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。然而，中國(guó)已有長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭面臨運(yùn)載能力不滿足更長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需求的問(wèn)題。為了滿足中國(guó)未來(lái)航天發(fā)展的需求，中國(guó)決策開(kāi)展新一代運(yùn)載火箭的研制，以滿足載人航天工程、月球探測(cè)等重大專(zhuān)項(xiàng)工作的需要并實(shí)現(xiàn)中國(guó)運(yùn)載火箭的更新?lián)Q代。最后研制方?jīng)Q定，研制一種新型中型火箭，其既綜合了長(zhǎng)征2 號(hào)F 的成熟技術(shù)，又同時(shí)運(yùn)用了長(zhǎng)征5號(hào)的新技術(shù)，并賦予新的編號(hào)—長(zhǎng)征7 號(hào)。

長(zhǎng)征7 號(hào)火箭主要用于發(fā)射近地軌道或太陽(yáng)同步軌道有效載荷，將承擔(dān)載人航天貨運(yùn)飛船等發(fā)射任務(wù)，未來(lái)也可以承擔(dān)商業(yè)航天器和國(guó)內(nèi)其他航天器的發(fā)射任務(wù)。2016 年6 月25 日，長(zhǎng)征7 號(hào)火箭首飛圓滿成功。其采用無(wú)毒、無(wú)污染的液氧/ 煤油推進(jìn)劑，具備近地軌道13.5 噸、700 千米太陽(yáng)同步軌道5.5噸的運(yùn)載能力。

長(zhǎng)征7號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射升空（ 攝影：蔣聚榮）

俄羅斯 / 蘇聯(lián)

矗立在發(fā)射臺(tái)上的N-1 火箭

N-1 火箭

N-1火箭是蘇聯(lián)太空競(jìng)賽時(shí)期，為了應(yīng)對(duì)美國(guó)土星5 號(hào)火箭而設(shè)計(jì)的一款超重型運(yùn)載火箭，旨在將有效載荷運(yùn)送到比近地軌道更遠(yuǎn)的地方。該火箭開(kāi)發(fā)計(jì)劃于1959 開(kāi)始，由科羅廖夫主持，然而由于對(duì)手的競(jìng)爭(zhēng)以及當(dāng)時(shí)政府對(duì)于火箭發(fā)展方向的判斷，導(dǎo)致其最終僅獲得了很少的研發(fā)資金支持。這也使得N-1 火箭的研發(fā)時(shí)間要晚于土星5 號(hào)，也沒(méi)有進(jìn)行足夠的地面測(cè)試。在1969 年至1972 年間進(jìn)行的4 次飛行測(cè)試均以失敗告終。1976 年，N-1 火箭的研發(fā)計(jì)劃暫停，1989 年正式取消。

雖然N-1 火箭失敗了，但其還是留下了許多寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。此外，該火箭的最大推力高達(dá)45400 千牛，曾是人類(lèi)歷史上推力最大的火箭。這一紀(jì)錄直到2023 年的星艦發(fā)射才被打破。

質(zhì)子號(hào)火箭

質(zhì)子號(hào)火箭發(fā)射升空

質(zhì)子號(hào)火箭發(fā)射升空

質(zhì)子號(hào)火箭最初是作為超重型洲際導(dǎo)彈設(shè)計(jì)的，但軍方并未采用，于是設(shè)計(jì)方向便轉(zhuǎn)為了運(yùn)載火箭。1965 年7 月16日，該火箭在拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)執(zhí)行了第一次任務(wù)，將質(zhì)子1 號(hào)科學(xué)考察衛(wèi)星送入太空，火箭也從此而得名質(zhì)子號(hào)。

從1971 年開(kāi)始， 蘇聯(lián)用質(zhì)子-K 型火箭先后將8個(gè)空間站（禮炮1 號(hào)～禮炮7 號(hào)、和平號(hào)）的幾乎全部艙體發(fā)射入軌?？梢哉f(shuō)，除了美國(guó)的航天飛機(jī)外，質(zhì)子號(hào)是唯一能夠承擔(dān)這項(xiàng)任務(wù)的運(yùn)載工具。

但因?yàn)榇嬖诮Y(jié)構(gòu)性問(wèn)題，質(zhì)子號(hào)的發(fā)射成功率并不突出，同時(shí)因?yàn)槠涫褂昧藙《镜钠纂乱后w作為燃料，一旦發(fā)射失敗可能對(duì)發(fā)射場(chǎng)周邊地區(qū)造成嚴(yán)重污染，所以俄羅斯已決定用新研制的安加拉號(hào)（使用更環(huán)保的液氧/ 煤油作為推進(jìn)劑）來(lái)取代它。

歐洲

阿里亞娜5 號(hào)阿里亞娜是歐洲開(kāi)發(fā)的系列大型運(yùn)載火箭，其中5 號(hào)為已發(fā)射火箭中的最重型號(hào)，主要用于將人造衛(wèi)星等發(fā)射到同步軌道或近地軌道。阿里亞娜5 號(hào)火箭由歐洲航天局及法國(guó)國(guó)家太空研究中心出資建造，空客公司負(fù)責(zé)主要制造，阿里亞娜航天公司負(fù)責(zé)經(jīng)營(yíng)及銷(xiāo)售。

早期的阿里亞娜4 號(hào)火箭雖然十分成功，但研發(fā)耗費(fèi)了10 年時(shí)間和超過(guò)70 億歐元資金，使得其在后續(xù)運(yùn)營(yíng)時(shí)很難獲利。為提高經(jīng)濟(jì)效益，在其基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了阿里亞娜5號(hào)運(yùn)載火箭。最初計(jì)劃該火箭可發(fā)射小型載人航天飛機(jī)赫爾墨斯號(hào)，但隨著計(jì)劃取消，后續(xù)的阿里亞娜5質(zhì)子號(hào)火箭號(hào)運(yùn)載火箭僅用于載物飛行。

質(zhì)子號(hào)采用水平轉(zhuǎn)動(dòng)的方式運(yùn)送到發(fā)射場(chǎng)

相較于其他國(guó)家動(dòng)輒數(shù)億元的發(fā)射費(fèi)用，阿里亞娜5 號(hào)運(yùn)載火箭不僅發(fā)射費(fèi)用更低，而且可靠性更高。自1996 年首次發(fā)射以來(lái)，截至2023 年4 月，阿里亞娜5 號(hào)已完成116 次發(fā)射任務(wù)，發(fā)射成功率高達(dá)95.69%。接下來(lái)，作為改進(jìn)型，能使發(fā)射成本減半的阿里亞娜6 號(hào)火箭已基本完成地面測(cè)試，并計(jì)劃2023 年第四季度首飛。

阿麗亞娜5 號(hào)是當(dāng)前歐洲最大的運(yùn)載火箭

受困于高昂的成本和較低的成功率，日本的運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展緩慢。

日本

H-2/H-3 火箭

H-2火箭源自日本的衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)，由日本宇宙開(kāi)發(fā)事業(yè)集團(tuán)（NASDA）開(kāi)發(fā)，旨在讓日本具有獨(dú)立發(fā)射衛(wèi)星的能力。H-2 火箭是日本第一款僅使用本國(guó)技術(shù)制造的二級(jí)液體助推發(fā)動(dòng)機(jī)火箭，可惜由于成本和可靠性的原因，只在1994 至1997 年間飛行了7 次，后便被H-2A 火箭替代。

2003年，日本空間科學(xué)研究所（ISAS）、日本國(guó)家航空航天實(shí)驗(yàn)室（NAL）和日本宇宙開(kāi)發(fā)事業(yè)集團(tuán)（NASDA）合并成為日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu) （JAXA）。2013 年，受政府批準(zhǔn)，JAXA 與三菱重工合作開(kāi)發(fā)用于發(fā)射商業(yè)衛(wèi)星的H-3 火箭。該火箭是世界首枚采用膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)作為一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的火箭，理論上最大可提供80019 千克有效載荷?？上У氖牵?023年2 月的首次試飛因點(diǎn)火系統(tǒng)問(wèn)題而失敗，一個(gè)月后再次發(fā)射時(shí)雖成功升空，但二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火失敗，導(dǎo)致箭體墜入大海。