美俄现役大型运载火箭一览

彭振忠

2016年11月3日20时43分，我国首枚大型运载火箭长征五号在中国文昌航天发射场点火升空。长征五号作为我国运载火箭升级换代的里程碑工程，是我国全新研制的一型大推力、高可靠、无毒无污染新一代运载火箭，也是我国起飞规模最大、运载能力最大、技术跨度最大的一型运载火箭，总体技术达到国际先进水平。据新华网报道，长征五号运载火箭实现了我国液体运载火箭直径由3.35米至5米的跨越，采用5米直径芯级，捆绑4枚3.35米直径助推器，全长约57米，起飞重量约870吨;具备近地轨道（LEO）25吨级、地球同步转移轨道（GTO）14吨级的运载能力，比现役火箭地球同步转移轨道运载能力提升了2.5倍以上。

美国德尔塔L=lV型运载火箭发射

在航天飞行中，运载火箭是现在乃至将来很长一段时间内能够将有效载荷送至外太空中的最有效的工具。长征五号是我国新一代大型运载火箭，那么什么样的火箭才能称之为大火箭呢？

大型运载火箭基本内涵

基本分类 按照运载能力划分，运载火箭分为小型、中型、大型和重型四类。由于各国运载火箭技术发展阶段存在差异，即使同一国家的不同历史阶段，对运载火箭的规模定义也不尽相同。

在我国，一般将近地轨道运载能力2吨及以下的火箭称为小型运载火箭，近地轨道运载能力2～20吨的火箭称为中型运载火箭，近地轨道运载能力20～50吨的火箭称为大型运载火箭，近地轨道运载能力50吨级及以上的火箭称为重型运载火箭。

根据美国航空航天局的分类，运载火箭共分为5个级别，分别是探空火箭、轻型运载火箭、中型运载火箭、重型运载火箭、超重型运载火箭。探空火箭一般是指用于大气环境研究，通常仅具有进入地球亚轨道飞行的能力，轨道高度距地面35～300千米;小型运载火箭近地轨道运载能力为2吨;中型运载火箭近地轨道运载能力在2～20吨;重型运载火箭近地轨道运载能力为20～50吨;超重型运载火箭近地轨道运载能力大于50吨。

中国和美国等西方国家对于运载火箭的基本分类是一致的，只是名称叫法略有差异。

技术难点 运载火箭可以说是当今世界尖端的工业产品之一，而大型运载火箭则更是尖端中的尖端。大型运载火箭的研制、开发和制造涉及学科之广，涉及要求之高都是前所未有的，在材料、设计、工艺、研发、制造等方面都有着非常高的水准，可谓是当今工业界之冠，其中涉及的大尺寸箱体焊接、大尺寸整流罩可靠解锁、大集中力载荷扩散问题、高参数发动机底壳段防热、管路线路、推进装置、飞行控制装置、通信装置都是有着极高的要求。所以说，大型运载火箭的研制对国家工业体系的要求非常严格，大型运载火箭也从一个侧面反映了一个国家的工业实力和综合国力。其中有2个难点尤为突出。

难点一是大型运载火箭总体设计技术。大型运载火箭的总体设计是一个多学科多领域的综合应用，它需要以基础科学和技术科学为基础，运用系统工程、仿真建模等现代设计理论和方法，综合航天领域各学科的专业技术，协调各分系统设计和试验，已完成最终设计。在现代先进科学技术和工业的基础上，总体设计技术已发展成为一门新兴的工程技术，它是航天工程的重要组成部分。火箭高速飞行过程中，其结构及各种设备的工作环境恶劣，剧烈的震动、冲击、噪声、过载和加热，对大型运载火箭的结构和电子元器件提出了苛刻的要求，这需要以空气动力学、固体力学、材料学、电子技术等为基础，经过较长周期的研制和试验才能攻克这些技术难题。除了这些技术难点外，还要考虑经济性、通用性、适应性、可靠性等等。而相应的运载火箭总体设计师更是需要对各个子系统和相关技术工艺有足够的掌握，其培养周期更长。这些无形中从各个方面增加了大型运载火箭总体设计的复杂性和难度。

难点二是大型运载火箭动力系统设计技术。液体火箭发动机是航天发射的主流，构造上比固体发动机复杂得多，主要由点火装置，燃烧室，喷管，燃料输送装置组成。目前，国内外大型运载火箭的發动机更是清一色的大推力液体发动机，主要是因为液体火箭发动机的比冲高，推力范围大，工作时间较长，能反复起动，能控制推力大小等优点。大推力的液体火箭发动机主要使用偏二甲肼/四氧化二氮、液氧煤油和液氢液氧三种燃料体系。比冲是衡量发动机性能的重要指标之一，其数值越大表示燃料的效能越高，偏二甲肼/四氧化二氮组合的比冲为348秒，液氧煤油组合的比冲为347秒，液氢液氧组合的比冲达到了457秒，从中我们可以看到液氢液氧发动机的优势。

低温发动机火箭使用低温液体为推进剂，一般为液氢和液氧。这类火箭燃料质量最轻，比冲强劲、容易调节，而且较为环保，目前只有美国、俄罗斯、中国、法国和日本拥有该技术。但是，氢氧火箭发动机研制的技术难度较大，西方国家凭借技术优势，在这方面具有领先地位。美、俄、日、欧都有各自独立的大推力氢氧发动机型号，其最大推力都在100吨以上。美国的“土星”-5号火箭的F-1发动机，进行了高达20万秒的地面试车台燃烧测试，苏联能源号火箭的RD-170发动机，也进行了10多万秒的地面试车台燃烧测试，在反复的燃烧测试中不断优化发动机各项参数，缓解不稳定燃烧现象。

俄罗斯“质子”-M运载火箭

美国现役大型运载火箭

德尔塔IV型重型火箭是美国现役并已执行任务的最大型运载火箭，也是德尔塔家族中的最大型号，它由美国联合发射联盟研发和制造。值得一提的是联合发射联盟成立于2006年，由洛克希德·马丁公司和波音公司合并发射业务，各自出资一半创立，联合发射联盟几乎发射了所有的美国军事卫星。

德尔塔IV型重型运载火箭由2级构成，高72米，直径5米，宽度15米，起飞重量733吨，低地轨道运载能力28吨，地球同步轨道运载能力14吨。德尔塔IV型重型运载火箭2枚助推器和芯第一级火箭均采用公共核心助推器，发动机为RS-68A发动机，其高度为40.8米，直径均为5.1米，单台助推器推力为6280千牛，助推器能够燃烧242秒。第二级发动机采用RL10-B-2型发动机，第二级高13.7米，直径5.1米，推力为110千牛，燃烧时间1125秒。第一级和第二级发动机均为液氧液氢。

截至目前共进行了9次发射活动，其中8次成功，1次失败。德尔塔IV运载火箭发射地点一处位于卡纳维尔角LC-37B发射台，另一处位于范登堡空军基地SLC-6发射台。德尔塔IV型重型运载火箭每个通用助推核心的底端部分都有一台RS-68发动机，中间部分包括燃料箱，装有液态氢和液态氧。

美国土星V号已经退役，但是不得不提的是土星V号截至目前仍是人类历史上使用过的自重最大的运载火箭。该火箭高达110.6米，起飞重量3038吨，总推力达3400吨左右，月球轨道运载能力45吨，近地轨道运载能力118吨。

俄罗斯现役大型运载火箭

“质子”-M重型运载火箭是俄罗斯现役的大型运载火箭，在苏联质子运载火箭的基础上发展起来的，“质子”-M是质子家族的最新型号，由赫鲁尼切夫国家航天科研生产中心研制，于2011年首飞。

“质子”-M高58米，直径7.4米，起飞重量705吨，其低轨运载能力为23吨，地球同步轨道运载能力为6.5吨，其发射地点位于哈沙克斯坦拜科努尔航天发射场。“质子”-M运载火箭为3级运载火箭，第一级型号为8S810K，采用6台RD-275M发动机，推力10532千牛，高21.1米，直径7.4米，燃烧时间108秒;第二级火箭型号8S811K采用4台RD-0210发动机，推力2399千牛，高17米，直径4.1米，燃烧时间206秒;第三级火箭型号8S812，采用1台RD-0212发动机，高4.1米，直径4.1米，推力613.8千牛，燃烧时间238秒;第四级采用1台S5.98M或者RD-58M发动机。

未来发展趋势

首先，不断加大新一代大型运载火箭的研发力度。以美国为代表的航天大国不断加大新一代大型运载火箭的研发力度。美国联合发射联盟公司2015年推出新一代火箭“火神”，按照计划，“火神”火箭将在2019年最終取代该公司现有的宇宙神V型火箭和德尔塔IV型重型火箭，后两者是当前美国军方航天发射采用的主要火箭。2014年，欧空局决定研发新一代的“阿丽亚娜”-6重型运载火箭，以替代现有的“阿丽亚娜”-5型运载火箭。

其次，民间企业参与深度不断加大。以美国太空探索技术公司（SpaceX）为代表的私营企业，开始涉足航天产业，并取得不俗的成绩。SpaceX正在抓紧研发新型重型猎鹰运载火箭（Falcon Heavy），蓝色起源公司也在研制新型重型运载火箭New Glenn，预计将在2020年前完成收费测试。

最后，不断开发利用颠覆性技术。SpaceX公司已成功对猎鹰9号火箭进行了回收作业，循环利用猎鹰9号回收的火箭将降低当前猎鹰9号火箭成本的30%，甚至更多，未来重型猎鹰也将回收再利用，进而迅速降低成本。联合发射联盟的“火神”重型运载火箭其最大特色是第一级主发动机将能够重复使用，将来还会采用全新设计的第二级以发射更大载荷，从而降低发射成本，应对航天发射竞争对手的挑战。

责任编辑：刘靖鑫