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重型运载火箭

重型运载火箭

重型运载火箭是指近地轨道运载能力达到百吨级别的运载火箭，它囊括了50吨到150吨之间的能力。要发射大型人造卫星、飞船到近地轨道，亦或者是发射火星探测器、建立月球基地、推动深空探测，都需要使用到重型运载火箭。

二十世纪60年代以来，世界各国现役或在研的重型运载火箭主要有美国的土星-5号、航天飞机、美国星座计划中的战神-5火箭、首次飞行的太空发射系统(SLS)、SpaceX公司的猎鹰重型运载火箭(Falcon Heavy)以及蓝色起源(Blue Origin)公司的新格林火箭(New Glenn)等，而前苏联/俄罗斯则主要发展了N-1运载火箭和能源号火箭及暴风雪航天飞机等。中国的长征神舟九号的第一研制阶段于2016年立项研制，计划于2030年前后首飞。

目前，重型运载火箭芯级箭体直径10米级，采用三级串联构型，具备芯一级可重复使用能力，可大幅提升进入空间和开发利用空间资源的规模和能力。

历史沿革

俄罗斯（苏联）

在二十世纪美苏冷战期间，俄罗斯曾设计过N-1重型运载火箭。该重型运载火箭采用串联构型，参数为近地轨道运载能力约100吨，起飞质量3080吨。但是，由于动力系统复杂和采用发动机推力小等因素，试验没有获得成功。因此，俄国不得最终放弃N-1重型运载火箭的实验方案，转而重新开发并设计能源号火箭。能源号火箭的主要参数是芯级直径7.75米，有4台真空推力发动机，其起飞推力约3616吨，近地轨道运载能力可以随着助推器个数的增减达到105吨至200吨。俄罗斯正在研制近地运载能力约160吨的重型运载火箭，计划将于2025年首飞。

美国

美国的土星-V运载火箭专为阿波罗登月计划而研制、迄今为止最大的重型火箭。阿波罗计划从1961年5月开始实施到1972年12月项目结束，除“阿波罗”13号外，其余6次载人登月飞行均获得成功。美国为了保持世界航天领域的领先地位，于2004年提出了实现2020年前重返月球的“星座计划”，并在第二年正式启动了该计划。星座计划研制两种运载火箭——阿瑞斯(也称战神)V货物运载火箭和阿瑞斯I乘员运载火箭。阿瑞斯V的运载能力超过土星-V火箭，成为世界上最大的航天运载器，可用于发射建立月球基地的大量设备，甚至发射火星飞船。该火箭的特点是充分利用已有的、可靠性较高的动力系统，以降低火箭研制难度及生产成本。由于经费预算原因，美国国会在2010年初终止了“星座”计划，但是其并没有同时终止运载火箭——阿瑞斯V的研制项目，反而将加快了其研发进程。美国航空航天局2011财年的航天计划预算授权法案在2010年7月得到了美国参议院通过，法案中规定:在2011年提前研制美重型运载火箭，并于2016年底前投入实际使用。

中国

随着世界各航天强国纷纷推进了新型大运载火箭/重型运载火箭的研究，为提高中国航天科技实力，并便于未来中国载人登月计划、探火/登火计划和深空探测计划的顺利实施，中国也正在加紧研制自己的重型运载火箭——长征9号。2016年12月，中国公布了《2016中国的航天》白皮书，确认中国正在开展重型运载火箭关键技术攻关和方案深化论证，将主要突破重型运载火箭总体技术、大推力液氧煤油发动机技术和氢氧发动机等关键技术。长征-9号重型运载火箭初步的总体方案为长度100m左右，芯一级直径9.5m，芯二级和芯三级直径均为7.5m，确定芯级和助推级采用460t级液氧煤油发动机，而二级采用220t级氢气液氧发动机的方案。通过这两型发动机，将使长征九号实现起飞质量近4000t、近地轨道运载能力140t以上，地月转移轨道运载能力50t以上，满足中国未来超重型航天器入轨、载人登月、火星探测及其他深空探测需求。2017年，220吨级高性能氢氧发动机完成多个组件方案详细设计，进行了组件的研制试验工作。2021年9月3日，220吨级补燃循环氢氧发动机成功进行了首次半系统试验，试验取得圆满成功。2022年9月6日，25吨级闭式膨胀循环氢氧发动机首次整机热试车圆满成功，标志着中国成功研制出世界上推力最大的闭式膨胀循环液氧液氢火箭发动机。2022年11月5日，500吨级液氧煤油发动机首次整机试车圆满成功。该型发动机设计推力500吨级，采用世界上最大的补燃循环发动机推力室。首次整机试车的成功，标志着该型发动机研制取得重大突破，全面提升了中国液态火箭发动机的研制水平。长征九号预计将于2028年前后首飞，相比规划中2030年前后有所提前。

原理与飞行过程

基本原理

重型运载火箭属于火箭的类型之一。火箭是靠火箭发动机向前推进的。火箭发动机点火以后，推进剂（液体的或固体的燃料加氧化剂）在发动机燃烧室里燃烧，产生大量高压气体；高压气体从发动机喷管高速喷出，对火箭产生反作用力，使火箭沿气体喷射的反方向前进。火箭推进原理依据的是牛顿第三运动定律：作用力和反作用力大小相等，方向相反。一个扎紧的充满空气的气球一旦松开，空气就从气球内往外喷，气球则沿反方向飞出，其道理是一样的。

飞行过程

重型运载火箭（以无助推器火箭为例）从起飞到进入最终轨道一般要经过以下几个阶段。

大气层内飞行段：火箭从发射台，在离开地面以后的十几秒钟内一直保持垂直飞行。火箭要在大气层内跨过音速，为减小和减轻结构重量。

等角速度程序飞行段：第二级火箭的飞行已经在稠密的大气层以外，火箭按照最小能量的飞行程序，即以等角速度作低头飞行。达到停泊轨道高度和相应的轨道速度时，火箭即进入停泊轨道滑行。对于低轨道的航天器，火箭这时就已完成运送任务，航天器便与火箭分离。

过渡轨道阶段：对于高轨道或行星际任务，末级火箭在进入停泊轨道以后还要再次工作，使航天器加速到过渡轨道速度或逃逸速度，然后航天器与火箭分离。

结构组成

箭体结构

箭体结构是火箭各个受力和支承结构件的总称。其功能是安装连接有效载荷、仪器设备、推进系统和储存推进剂承受地面操和飞行中的各种载荷维持良好的外形以保证火箭的完整。

液体推进剂火箭结构包括：有效载荷整流罩、推进剂贮箱、仪器舱、箱间段、级间段、发动机支承结构、仪器支架、导管、活门和尾段、尾翼等。

有效载荷整流罩的作用是在大气层内飞行时保护有效载荷免受气动载荷及热流的影响，并使火箭维持良好的气动外形。飞出大气层后整流罩即被抛弃以减轻重量。推进剂贮箱占据箭体结构的绝大部分，它除储存推进剂外还是火箭的承力结构。级间段是多级火箭的级间连接部件级间热分离时它使上面级发动机的喷流能顺畅排出。

推进系统

固体运载在使用性能等方面比液体推进剂具有优势，但液体推进剂性能高、廉价、环保，更符合重型运载火箭的需求。作为重型火箭下面级发动机的推进剂，液态氧甲烷和液氧煤油推进剂组合各有优劣。

控制系统

故障检测和隔离系统

实时对可能发生故障的部位(敏感器、伺服机构等)进行检测，检测出故障后，将故障位置及相关信息传给飞行控制律设计系统，并采取相应措施对故障进行隔离。

可重构飞行控制律设计系统

维持正常情况下的飞行性能，故障发生后，根据FDI检测出的故障信息对控制器进行重新设计，改变控制结构。

自主式维修诊断技术系统

根据故障信息，分析其产生的原因，对于可在线修复的故障，进行自主修复。

飞行测量及安全系统

飞行测量及安全系统的功能是测量火箭飞行过程中各种关键参数、并判断其是否安全飞行。飞行测量包括遥测及外测。

遥测

“遥测”系统的作用是对火箭飞行中各系统的工作参数及环境参数进行测量，通过远距离无线电传输和回收装置送回地面，为评定火箭各分系统工作状态、分析故障、鉴定和改进火箭性能提供依据。遥测系统的箭上设备主要有传感器、变换器、中间装置和无线电发射设备，将测得的物理量转变为电信号，用无线电多路通信方式向地面传输，由地面接收站将信号进行解调、变换和处理；或用磁记录器记录速变参数，进行软回收或硬回收。

外测

“外测”是外弹道测量的简称，即利用光、电波等的特性对火箭进行跟踪并测量其飞行运动参数。外测系统的主要设备在地面，如各种雷达及光学设备，而箭上设备仅是应答机、天线和光学合作目标等。近年来发展了利用全球定位系统GPS对火箭进行定位测量，使箭上设备更为简化，精度也更为提高。外测的目的有两个：一是为评定飞行性能及制导精度分析提供数据；二是为飞行安全、故障分析和处理服务。

安全系统

安全系统的作用是火箭在飞行中若出现故障、飞行弹道超出允许范围而危及地面安全时，将火箭炸毁。箭上自毁系统由敏感装置、计算装置及爆炸装置组成，根据姿态故障或接收地面安控炸毁信号，自动或人工发出爆炸指令，进行自毁。

箭上附加系统

一些比较独立的、又不可缺少的箭上小系统统称为附加系统。如瞄准系统、垂直度调整系统、推进剂加注与液位测量系统和空调系统等。

瞄准系统用来确定位于发射点的火箭的初始方位，控制火箭对准发射方向。垂直度调整系统用来调整火箭竖立状态下的垂直度；推进剂加注与液位测量系统用来对火箭进行推进剂及气源的加注，进行液面测量及温度监测。而空调系统则对火箭各舱段、有效载荷整流罩等进行保温及温度、湿度调节。

技术指标

运载能力

重型运载火箭是运载火箭的一种。重型运载火箭的运载能力是根据有效载荷的质量（重量）、目标轨道及发射场的地理位置所确定的。在运载能力的设计中进行火箭型式选择及轨道分析，以期得到最节省能量的最优轨道，将最大的有效载荷质量送到所需要的轨道上去。

入轨精度

不同用途的有效载荷有不同的入轨精度要求。重型运载火箭与有效载荷分离时刻的入轨精度按下列6个轨道要素给出：长半轴Δα、椭圆偏心率Δe（或近地点高角ΔHp）、轨道倾角Δi、升交点赤径ΔΩ、近地点幅角Δω、轨道周期ΔT。这些要素的精度是由入轨点的位置偏差、速度偏差和发射时间偏差所决定的，它取决于重型运载火箭的制导精度及发射时刻的偏差。

入轨姿态精度

入轨姿态精度指有效载荷分离后有效载荷的姿态角偏差及角速度。入轨点的初始姿态及角速度精度由火箭姿态控制系统所确定。

有效载荷整流罩净空间

可供有效载荷整流罩内安装有效载荷的空间称为净空间，净空间的规定明确了有效载荷的外包络不能超过所规定的净空间。规定净空间必须考虑静态的各种对接框的机械加工误差及动态（飞行时）的各种热、力载荷引起的变形。

在重型运载火箭提供发射服务时，有效载荷结构的局部可以有允许超出净空间的规定，但必须通过双方协调，经重型运载火箭研制方分析、协调，并在接口控制文件中加以确认方可。

有效载荷接口

有效载荷接口包括机械接口和电气接口。机械接口是指有效载荷与火箭对接的尺寸和连接、分离方式。国际上通用的机械接口有937、1194、1497等，它是指对接的名义尺寸，单位为mm。这些接口在国际上较为常用，但还没有达到国际标准化的程度。电气接口是指有效载荷需要重型运载火箭提供的电信号特性及相互间电气连接的协调关系，如接插件的型号、接点数和电特性等。

环境条件

环境包括：过载、冲击、振动、噪声、热和电磁兼容等。

有效载荷应能承受重型运载火箭在发射准备期间及火箭飞行期间产生的上述环境。有效载荷所能承受的环境也是重型运载火箭设计的依据之一。在提供发射服务时应明确上述环境指标，以便使有效载荷方能判断是否能适应这些环境指标。

可靠性

可靠性是指火箭在规定的条件下和规定的时间内，完成规定任务的概率。可靠性包括飞行可靠性及发射可靠性。

飞行可靠性：重型运载火箭完成发射点火后，在规定的环境条件下，按规定的飞行程序及要求，将有效载荷送入预定轨道的能力。

发射可靠性：火箭运载系统在规定的贮存期内，在规定的地面环境条件下，按规定的要求完成发射准备及点火任务的能力。

目前，国际上成熟的重型运载火箭的可靠性水平：飞行可靠性0.95以上；发射可靠性0.9以上；载人运载器的飞行可靠性已达到0.98～0.99以上。

主要型号

未来发展

重型运载火箭由传统串联向捆绑助推器构型发展以提高适应性。“阿波罗”计划后的重型运载火箭，如航天飞机、“能源号”火箭、“战神”5火箭、美国新一代重型运载火箭SLS，都采用了捆绑助推器的构型。这种构型的重型运载火箭具有很好的任务适应性，同时也降低了对箭体直径和发动机推力的要求。因此，国际上新研制的重型运载火箭，多任务适应能力好是一个突出特点。

重型运载火箭动力系统选择大推力发动机，充分发挥液体、固体发动机的优势，实现最佳动力组合。动力系统是火箭的核心部分，是设计火箭时首先要解决的问题。国外重型运载火箭大都使用大推力发动机，有效地减少了发动机数量，降低了火箭总体的复杂度，有利于提高可靠性。液体发动机是重型火箭芯级和上面级发动机的首选；固体发动机使用在助推器上可有效地降低运载火箭的规模。

充分利用成熟技术是各国发展重型运载火箭的有效途径。采用成熟技术和通用组件有利于减小研制难度和风险，降低研制和发射成本，是未来发展的需要。根据本国国情、技术优势和基础，关注继承性和经济性，充分利用成熟技术，最大限度地利用现有资源，可降低研制风险和研制成本。

采取渐进式发展策略。美国航空航天局公布的新一代SLS研制方案，采取了极其务实的渐进式三阶段发展策略，符合“由易渐难”的型号研制规律，可降低火箭的研制难度和风险，同时利用初始构型可以实现多项空间探索技术的先期验证，还可作为国际空间站商业乘员运输系统的备份运输工具。美国在过去“阿波罗”计划中研制“土星”系列运载火箭时也采取了类似的发展思路。