重型運(yùn)載火箭屬國(guó)之重器，能夠體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家的綜合實(shí)力。它的研制能夠推動(dòng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步、帶動(dòng)基礎(chǔ)能力提升、培養(yǎng)科技人才隊(duì)伍。

世界上曾經(jīng)飛行過(guò)的重型運(yùn)載火箭包括美國(guó)的土星5號(hào)，蘇聯(lián)的N-1、能源號(hào)運(yùn)載火箭，正在研制的有美國(guó)的太空發(fā)射系統(tǒng)SLS（Space Launch System）運(yùn)載火箭，這些運(yùn)載火箭主要應(yīng)用于大規(guī)模深空探索任務(wù)或近地軌道大型有效載荷的運(yùn)輸任務(wù)。伴隨著這些“巨無(wú)霸”運(yùn)載器的輝煌與挫折，人類大幅拓展著進(jìn)入太空的能力，給我們留下了寶貴的遺產(chǎn)。

網(wǎng)友繪制的不同型號(hào)運(yùn)載火箭對(duì)比

從國(guó)外重型火箭發(fā)展歷程來(lái)看，對(duì)重型火箭的需求首先是政治需求，體現(xiàn)綜合國(guó)力，振奮民族精神，樹立民族信心，增強(qiáng)凝聚力；其次是科學(xué)技術(shù)發(fā)展需求，包括軍事、民用等諸多方面。國(guó)內(nèi)對(duì)重型火箭的需求研究由來(lái)已久。目前，重型火箭的需求主要集中在三個(gè)方面：

一是戰(zhàn)略需求，即國(guó)家安全需要、航天發(fā)展需要和航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)需要；

二是應(yīng)用需求，即載人月球探測(cè)、深空探測(cè)、大型軌道設(shè)施等；

三是技術(shù)發(fā)展需求，即提升火箭動(dòng)力、結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)、制造水平，促進(jìn)我國(guó)從航天大國(guó)向航天強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。

土星5號(hào)運(yùn)載火箭是在人類歷史上使用過(guò)的最高、最重、運(yùn)載能力最強(qiáng)的運(yùn)載火箭，在人類航天史上留下了輝煌的戰(zhàn)績(jī)。土星5號(hào)在1967年至1973年間NASA共發(fā)射了13枚土星5號(hào)火箭，其最后一次發(fā)射是將天空實(shí)驗(yàn)室的空間站直接送入太空。

相比于土星五號(hào)，N-1運(yùn)載火箭則是蘇聯(lián)航天人心中永遠(yuǎn)的一道傷痕。N-1是蘇聯(lián)研發(fā)的登月火箭，研發(fā)工作比土星五號(hào)晚，而且在資金短缺、未進(jìn)行測(cè)試的情況下，四次發(fā)射試驗(yàn)都遭遇滑鐵盧。種種的技術(shù)失誤，以及缺乏資金支持，N-1從未經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的出廠測(cè)試，甚至N-1每次爆炸都在一二級(jí)分離之前。計(jì)劃的12次試飛也因前4次徹底失敗而提前告終。

N1火箭轉(zhuǎn)場(chǎng)

N-1屢次失敗粉碎了蘇聯(lián)人的登月之夢(mèng)，登月計(jì)劃取消后，蘇聯(lián)繼續(xù)N-1F研發(fā)，希望這款火箭今后能用于發(fā)射一個(gè)類似美國(guó)天空實(shí)驗(yàn)室的大型太空站。但是研究還是在1974年宣告終止，盡管當(dāng)時(shí)兩枚N-1F已經(jīng)做好了發(fā)射準(zhǔn)備。

1974年，蘇聯(lián)開始了對(duì)新火箭的方案論證工作。正如NASA用航天飛機(jī)取代土星5號(hào)的計(jì)劃，蘇聯(lián)的能源科研生產(chǎn)聯(lián)合體提出了祝融星計(jì)劃（Vulkan），計(jì)劃設(shè)計(jì)一種以質(zhì)子號(hào)運(yùn)載火箭為基礎(chǔ)，使用與質(zhì)子號(hào)相同燃料、比質(zhì)子號(hào)更大、推力更強(qiáng)的、采用模塊化設(shè)計(jì)的火箭。

1987年5月15日，能源號(hào)重型運(yùn)載火箭首次從哈薩克斯坦的丘拉坦發(fā)射場(chǎng)發(fā)射試飛成功。能源號(hào)是一種兩級(jí)運(yùn)載火箭，總長(zhǎng)度為60米，芯級(jí)直徑約為8米。總發(fā)射質(zhì)量約為1960噸（最小估計(jì)值），總發(fā)射推力為2940噸。推重比大致與美國(guó)航天飛機(jī)相當(dāng)。能源號(hào)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(guó)家航天事務(wù)集團(tuán)表示將以曾經(jīng)可與“土星5號(hào)”媲美的蘇聯(lián)“能源”火箭技術(shù)為基礎(chǔ)，改進(jìn)“格魯什科”科學(xué)生產(chǎn)公司制造的RD-171型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，在未來(lái)5至7年研制出近地軌道運(yùn)載能力達(dá)160噸的超重型運(yùn)載火箭，用于探索月球及其他天體的任務(wù)。

NASA在2010年開始研發(fā)太空發(fā)射系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱SLS），SLS火箭系統(tǒng)在完成之后將成為有史以來(lái)最強(qiáng)大的火箭，當(dāng)然也包含目前的獵鷹重型火箭在內(nèi)。NASA正對(duì)退役航天飛機(jī)的RS-25引擎進(jìn)行升級(jí)，來(lái)為SLS火箭提供動(dòng)力。不過(guò)相比于獵鷹重型火箭，SLS火箭是無(wú)法回收的，這就會(huì)給未來(lái)的發(fā)射成本帶來(lái)影響。

SLS太空發(fā)射系統(tǒng)

SLS火箭發(fā)射系統(tǒng)未來(lái)的任務(wù)預(yù)計(jì)將對(duì)月球、火星甚至更遙遠(yuǎn)的星球表面進(jìn)行探索。目前火箭及“獵戶座”飛船的無(wú)人首飛——“探索任務(wù)-1”（EM-1）將推遲到最早2020年年中，載人飛行任務(wù)——“探索任務(wù)-2”（EM-2）將推遲到2022年年中。雖然發(fā)射時(shí)間多次推遲，但是當(dāng)SLS火箭系統(tǒng)真正完成它的處女航時(shí)，它將引領(lǐng)一個(gè)全新的太空時(shí)代，而且也將確保NASA在航天領(lǐng)域一直以來(lái)的領(lǐng)導(dǎo)地位。

長(zhǎng)征五號(hào)

2016年11月3日，全新研制的新一代大型運(yùn)載火箭長(zhǎng)征五號(hào)（CZ-5）在中國(guó)海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)托舉著遠(yuǎn)征二號(hào)上面級(jí)和實(shí)踐十七號(hào)衛(wèi)星（SJ-17），經(jīng)過(guò)約1821秒的飛行成功進(jìn)入預(yù)定軌道，首飛取得圓滿成功。

長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭的首飛成功標(biāo)志著中國(guó)從此進(jìn)入了擁有大型運(yùn)載火箭的國(guó)家行列。而規(guī)劃論證中的重型運(yùn)載火箭（代號(hào)長(zhǎng)征九號(hào)，CZ-9）是我國(guó)建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志，是實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”發(fā)展目標(biāo)中的重大科技創(chuàng)新活動(dòng)，也可能是我國(guó)化學(xué)推進(jìn)最大能力的終極火箭型號(hào)。

長(zhǎng)征九號(hào)效果圖

經(jīng)過(guò)近10年的論證，我國(guó)重型運(yùn)載火箭的總體方案已經(jīng)基本收斂，該總體方案已獲得國(guó)家國(guó)防科工局等上級(jí)單位認(rèn)可，進(jìn)入關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、方案深化論證及方案設(shè)計(jì)階段，并取得了以10米級(jí)直徑整體鍛環(huán)、500噸級(jí)推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵與發(fā)生器聯(lián)試、3米直徑分段裝藥固體發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)成功為代表的階段性成果，為后續(xù)工程研制奠定了初步基礎(chǔ)。

托舉CZ-9的三型新液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)分別為500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、200噸級(jí)和25噸級(jí)液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)，分別用作重型火箭的一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)。三型發(fā)動(dòng)機(jī)在推力、比沖、推重比等方面均瞄準(zhǔn)國(guó)際一流水平。

從目前的120噸級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)跨越到500噸級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，并非簡(jiǎn)單的放大，而是技術(shù)難度呈現(xiàn)幾何級(jí)增長(zhǎng)。例如，推力量級(jí)提高，讓燃燒裝置的流量、壓力和熱流大幅提高，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，熱防護(hù)以及熱傳導(dǎo)技術(shù)等帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)，同時(shí)給材料強(qiáng)度、密封工藝和工作可靠性等提出了極高要求。此外，由于推力量級(jí)提升帶來(lái)的參數(shù)變化極大，目前的試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)施無(wú)法完全滿足研制需求，無(wú)法全部開展1:1的全工況試驗(yàn)驗(yàn)證，因而有些技術(shù)和產(chǎn)品只能進(jìn)行仿真和縮比驗(yàn)證，這給項(xiàng)目攻關(guān)帶來(lái)了很大難度。

未來(lái)的火星任務(wù)

長(zhǎng)征九號(hào)是新一代重型火箭，其地面推力達(dá)到3000噸以上、近地運(yùn)載能力100噸以上，起飛推力和近地運(yùn)載能力兩項(xiàng)指標(biāo)都超過(guò)了太空探索公司的獵鷹重型火箭，而大推力、單臺(tái)泵的發(fā)動(dòng)機(jī)布局，大大提升了火箭的可靠性。未來(lái)，我國(guó)還將研制推力更大的重型火箭，可以滿足我國(guó)未來(lái)載人登月、火星探測(cè)和后續(xù)深空探測(cè)需求。

文/錢  航

編輯/楊若凡