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飛天“神助攻”——國外載人運載火箭一覽

 Sevenv55biecss 2020-11-14

來源:中國載人航天

作者:錢航

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1961年4月12日,人類實現(xiàn)首次太空載人飛行。蘇聯(lián)航天員尤里·加加林乘坐東方號火箭發(fā)射的東方號飛船進入太空并安全返回地面。從1961年至今的近60年里,已經(jīng)有俄羅斯、美國和中國這三個國家邁入世界載人航天俱樂部,誕生了多款舉世矚目的載人火箭。

俄羅斯載人火箭

蘇聯(lián)/俄羅斯是第一個實現(xiàn)載人航天的國家,承擔載人飛行任務的火箭包括已經(jīng)退役的東方號、上升號和正在使用的聯(lián)盟號。聯(lián)盟號系列運載火箭迄今已經(jīng)累計發(fā)射 1800 余次,也是世界上發(fā)射次數(shù)最多的運載火箭。冷戰(zhàn)時期,蘇聯(lián)為搶占載人登月先機,開展了N-1火箭研制,但四次飛行均以失敗告終,導致工程最終下馬。20 世紀 80 年代根據(jù)重復使用運載器發(fā)展計劃,完成了能源號載人運載火箭研制,并進行了 2 次無人飛行試驗。隨著蘇聯(lián)的解體,由于缺乏經(jīng)費支持,“能源號 - 暴風雪”發(fā)展計劃停止。近年來,俄羅斯又提出了安加拉-5V、聯(lián)盟-5等載人運載火箭發(fā)展構(gòu)想,但尚未見詳細設計方案和研制進展。
聯(lián)盟號運載火箭

聯(lián)盟號系列運載火箭是俄羅斯目前唯一的載人運載火箭。1961年東方號火箭把加加林送入太空,開創(chuàng)了人類載人航天的新紀元。1963 年研制成功的上升號火箭發(fā)射了上升號載人飛船,1967 年改稱為聯(lián)盟號火箭,并開始使用聯(lián)盟FG運載火箭發(fā)射載人飛船。

聯(lián)盟號運載火箭是兩級半并聯(lián)構(gòu)型運載火箭。一子級直徑2.95米,采用1臺RD-118液氧煤油發(fā)動機;二子級直徑2.66米,采用1臺RD-0124液氧煤油發(fā)動機(早期為RD-0110);采用4個直徑為2.68米的助推器,并采用錐形結(jié)構(gòu)布局,每個助推器安裝1臺RD-117發(fā)動機。聯(lián)盟號火箭是目前世界上發(fā)射次數(shù)最多的運載火箭,火箭全長49.52米,起飛質(zhì)量約310噸,起飛推力約408噸,近地軌道運載能力約7.2噸。

聯(lián)盟FG運載火箭圖片
N-1 運載火箭

(未成功飛行)

N-1運載火箭是蘇聯(lián)針對載人登月計劃專門研制的火箭,出于當年美蘇爭霸的政治需要,N-1火箭研制過程較短、論證不充分,1969-1972年連續(xù)4次飛行均失敗,1974年項目最終下馬。

N-1運載火箭圖片
能源號運載火箭

(未實現(xiàn)載人飛行)

能源號運載火箭是蘇聯(lián)為發(fā)射第一個重復使用運載器暴風雪號航天飛機而專門研制的,按照分別捆綁 2、4、6 個助推器形成暴風雨號、能源號、火神號系列運載火箭,實現(xiàn)運載能力的梯度優(yōu)化,除能源號火箭成功飛行兩次外,其余兩種火箭未飛行。
1987年能源號第一次發(fā)射中,有效載荷極地號試驗飛船與火箭成功分離后調(diào)整姿態(tài)失敗,重返大氣層解體。
1988 年11月15日,暴風雪號航天飛機搭乘能源號運載火箭從拜科努爾航天發(fā)射場起飛,用時206分鐘圍繞地球飛行兩圈后返回發(fā)射場著陸跑道。此次試飛沒有載人,是蘇聯(lián)航天飛機的首航,也是唯一一次飛行。

能源號運載火箭圖片

美國載人火箭

美國是擁有載人運載火箭種類最多的國家。冷戰(zhàn)期間,美國在與蘇聯(lián)爭奪太空話語權(quán)的驅(qū)動下,制訂了“水星—雙子星—阿波羅”的一系列載人航天發(fā)展計劃。通過利用洲際導彈改裝而成的宇宙神號、大力神號運載火箭讓美國緊跟蘇聯(lián)實現(xiàn)了載人飛行,最終在載人登月的角逐中通過土星-V運載火箭的成功研制,實現(xiàn)了人類首次載人登月,從此奠定了美國在太空領域的領先地位。20 世紀 80 年代研制的航天飛機實現(xiàn)了運載器重復使用的夢想,雖然由于成本過高最終退役,但仍然代表了運載火箭技術(shù)發(fā)展的制高點。進入21世紀以來,提出了阿瑞斯號載人運載火箭發(fā)展計劃,隨后由于政府航天政策變化,最終載人飛行計劃改由“太空發(fā)射系統(tǒng)”完成。

宇宙神-D運載火箭
宇宙神-D運載火箭是在宇宙神D導彈基礎上改裝而成,出于當時美蘇爭霸需要盡快實現(xiàn)載人飛行任務而研制。1959 年成功完成美國第一艘水星飛船亞軌道試驗,1962年發(fā)射美國第一艘載人飛船,共飛行18次,6次失敗。
宇宙神-D運載火箭是一級半并聯(lián)構(gòu)型運載火箭,一級和助推器采用共同的貯箱,在助推發(fā)動機工作結(jié)束后,助推發(fā)動機、尾段作為組合體與芯級發(fā)動機、貯箱分離。全箭直徑3.05米,助推器采用2臺LR-89-NA3液氧煤油發(fā)動機,芯級采用1臺LR-105-NA3液氧煤油發(fā)動機?;鸺L29.07米,起飛質(zhì)量約118噸,起飛推力約164噸,近地軌道運載能力約 1.36噸。

宇宙神-D 運載火箭發(fā)射圖片
大力神-2LV-4 運載火箭
大力神-2LV-4運載火箭作為當時美國運載能力最大的火箭,專門用于發(fā)射雙子星載人飛船,1964年成功發(fā)射美國第一艘雙子星飛船,12次飛行全部成功。
大力神-2LV-4運載火箭是兩級串聯(lián)構(gòu)型運載火箭。一子級直徑3.05米,采用2臺 LR-87-AJ-7四氧化二氮/混肼50發(fā)動機;二子級直徑3.05米,采用1臺LR-91-AJ-7四氧化二氮/混肼50發(fā)動機。大力神-2LV-4全箭總長33.2米,起飛質(zhì)量約148噸,起飛推力約196噸,近地軌道運載能力約3.6噸。

大力神-2LV-4 運載火箭圖片
土星-V運載火箭

“土星”系列運載火箭是美國國家航空航天局(NASA)專為登月任務而研制的火箭,包括土星-I、土星-IB和土星-V三種。其中土星-I為研究試驗型火箭,用于“阿波羅”計劃早期地球軌道飛行試驗和發(fā)射探測衛(wèi)星;土星-IB為改進過渡型,用于不載人或載人“阿波羅”飛船地球軌道飛行試驗;土星-V專為實現(xiàn)“阿波羅”飛船載人登月而研制,可以將3名航天員送入月球軌道。1969年7月21日,阿波羅11號登月飛船成功在月球上軟著陸,航天員阿姆斯特朗和奧爾德林踏上月球,人類載人航天和空間探索取得了重大突破。

土星-V運載火箭總共發(fā)射13次,全部取得成功。土星-V運載火箭是三級串聯(lián)構(gòu)型運載火箭。一子級直徑10.06米,采用5臺F-1液氧煤油發(fā)動機,單機推力達到694噸,是迄今為止最大的單室液體火箭發(fā)動機;二子級直徑10.06米,采用5臺J-2氫氧發(fā)動機;三子級直徑6.6米,使用一臺J-2氫氧發(fā)動機。土星-V火箭是世界上起飛規(guī)模最大的運載火箭,火箭全長110.6米,起飛質(zhì)量約2950噸,起飛推力約3460噸,奔月軌道運載能力約46噸,近地軌道運載能力約120噸。

土星-V 運載火箭圖片
航天飛機

航天飛機是NASA在“阿波羅”載人登月計劃后,立足于經(jīng)濟、高效進出空間的可持續(xù)發(fā)展而研制的世界上第一種部分重復使用運載器。它可以將最多7名航天員送入太空,在軌服務時間長達7~30天,進行交會、對接、??浚瑘?zhí)行人員和貨物運送、空間試驗、衛(wèi)星發(fā)射、檢修和回收等任務。

美國共研制了挑戰(zhàn)者號、哥倫比亞號、發(fā)現(xiàn)號、奮進號和亞特蘭蒂斯號等5架航天飛機,自1981年4月12日哥倫比亞號從佛羅里達州NASA肯尼迪航天中心首次發(fā)射開始,至2011年7月21日最后一次航天飛機任務——亞特蘭蒂斯號在肯尼迪航天中心的主港著陸,共執(zhí)行135次飛行任務,其中挑戰(zhàn)者號和哥倫比亞號分別在上升段和再入段發(fā)生事故導致飛行失利,并且造成2次共14名航天員遇難犧牲。

航天飛機是一級半并聯(lián)構(gòu)型運載火箭。一子級由軌道飛行器和外貯箱組成,外貯箱懸掛在軌道飛行器側(cè)面,貯箱直徑8.38米,采用3臺RS-25D高壓補燃氫氧發(fā)動機,比沖比普通開式循環(huán)氫氧發(fā)動機提高了10%,是目前為止最先進的發(fā)動機;采用兩個直徑3.7米的固體助推器,為了提高發(fā)動機推力采用五段式結(jié)構(gòu),單臺發(fā)動機推力達到約1300噸,是目前推力最大的固體火箭發(fā)動機(阿瑞斯號載人運載火箭、太空發(fā)射系統(tǒng)SLS的固體發(fā)動機均為其改進型)。航天飛機全長56.1米,起飛質(zhì)量約2000噸,起飛推力約3000噸,近地軌道運載能力約 29.5噸(不含軌道器結(jié)構(gòu)質(zhì)量)。

航天飛機圖片
太空發(fā)射系統(tǒng)SLS

(尚未實現(xiàn)載人飛行)

為了實現(xiàn)重返月球的目標,NASA于2011年啟動了新一代“太空發(fā)射系統(tǒng)(SLS)”的研制。為了實現(xiàn)高安全和可持續(xù)性,采用漸進式發(fā)展模式,包括SLS-1、SLS-1A 和SLS-2三種構(gòu)型。SLS-1主要為月球初始探索任務和近地軌道以遠的科學試驗載荷發(fā)射任務提供支撐;SLS-1A在SLS-1基礎上進一步提升能力,并可適用于載貨任務的有效載荷整流罩和適配器;SLS-2主要用于執(zhí)行深空探測任務及近地軌道以遠的載人任務。目前仍然處于研制階段,首次執(zhí)行SLS-1發(fā)射任務的美國重返月球表面計劃名為“阿爾忒彌斯”,一期任務計劃于2021年中下旬進行。

航天發(fā)射系統(tǒng)(SLS)
商業(yè)載人火箭

(尚未實現(xiàn)載人飛行)

早在航天飛機退役之前的2010年,NASA就開始物色新一代天地往返運輸系統(tǒng)的承包商,當時波音、藍色起源、內(nèi)華達山脈和太空探索(SpaceX)四家航天公司進入觀察資助名單。這些公司的載人飛行器將替代已經(jīng)退役的航天飛機,使美國擺脫對俄羅斯聯(lián)盟火箭及飛船的依賴,項目名為商業(yè)載人航天計劃。

2019年3月2日,SpaceX使用獵鷹9-Block5火箭攜帶載人型龍飛船從肯尼迪航天中心成功完成了首次商業(yè)載人飛船的無人試飛。這是自 2011 年航天飛機退役以來,美國第一次使用自主研制的載人火箭和載人飛船從本土進行發(fā)射,具有深遠的意義。其成功不僅標志著SpaceX即將成為全球第一家送人進入太空的私營公司,同時也標志著美國向再次擁有載人發(fā)射能力邁出了堅實的一步。

獵鷹九號火箭發(fā)射圖片

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