大推力火箭之梦

航空

中国近年来在火箭发射次数上赶超了欧洲，并且“长征2号F”火箭已经成为全球仅有的三种轨道载人运载器之一。中国的运载火箭可靠性比较高，但在推力能够满足现有计划的情况下，中国仍未制定任何研发大推力火箭的计划。这使得中国火箭的运载能力从字面上来看与欧美火箭强国存在相当差距。而这一现状有望在海南文昌发射基地建成之后改变。

目前中国“长征2号F”火箭近地轨道荷载能力约8吨，而欧美大推力火箭这一数据均超20吨。
中外主要运载火箭数据对比
数据说明: 从上图数据中可以看出，中国的运载火箭优点是可靠性不错，发射纪录良好（但是没有经过大密度发射的考验）；缺点是运载能力比较小——中国暂未制定任何发展大推力火箭的计划。这使得中国火箭推力与欧美火箭超过20吨级的相比，仍存在相当差距。综合实力：★★★☆

运载火箭是当今人类航天科技和工业的核心技术和主要航天运载器，是一国航天能力的重要标志。50年前，美国和前苏联是世界上仅有的两个拥有运载火箭的国家。20年前，具有经常性火箭发射能力的只有美国、前苏联、欧洲和中国。而今天，自行开展航天发射的国家已是那时的几乎两倍。今后5年里，超过15个国家共计划开展100多项航天任务。据预测，2008～2017年间，全球共将生产一次性运载火箭630多枚。 从上世纪60年代至今的半个多世纪时间里，全球共进行了大约4500多次轨道发射，把1万余个卫星、飞船、实验设备、探测器、着陆器和其它航天器送上各类飞行轨道、地外星球，涉及从地球轨道任务到太阳系以外的任务等各类任务，其中约有290余项为载人航天任务。 截至2009年，已研制出航天运载火箭的国家有13个，即中国、法国、印度、伊朗、以色列、意大利、日本、朝鲜、俄罗斯、韩国、乌克兰、英国和美国。其中，意大利和英国已放弃了独立的运载计划，乌克兰已暂停了其计划，朝鲜和韩国还正在期待实现成功的发射。这样正在从事发射活动且能将有效载荷送入轨道的国家就只有8个。还有一些国家已表达了发展本国运载能力的意愿，如巴西在过去10年里开展了一些运载火箭研制工作。 综合看来，美国、俄罗斯在运载火箭技术上，略胜其它国家一筹，目前世界上仅有的三种轨道载人运载器，就是分别来自美、俄的航天飞机、“联盟号”火箭以及中国的“长征”2F火箭，而中国、欧空局、日本等国家也有较长的运载火箭发射历史，印度、韩国、巴西等国家正在积极发展，以下我们对上述国家和联合体的运载火箭做一个简单的比较。 中国：近年发射次数赶超欧洲经过几代航天人半个世纪的研发历程，中国的“长征”系列运载火箭已逐步发展成多发射任务需求、四个系列十二个不同型号的大家族。有最早研制成功，发射我国第一颗人造卫星“东方红1”号的“长征1”号火箭；多次投入国内外发射市场、为12个国家成功发射了42颗卫星的“长征2号”C、“长征2”号捆和“长征3” 号A系列火箭；已实现3次载人航天、将6位中国航天员送入太空的“长征2”号F火箭；以及正在研制的新一代运载火箭“长征5”号、“长征6”号等。 中国近年来在发射次数上赶超了欧洲，主要是有国产有效载荷的需求和有竞争力的国际商业发射定价模式作保障。 图中从左至右分别为： “长征2”号丙（CZ-2C）、“长征2”号丁（CZ-2D）、“长征2”号E（CZ-2E）、““长征2”号F（CZ-2F）“长征3”号甲（CZ-3A）、“长征3”号乙（CZ-3B）、“长征3”号丙（CZ-3C）、“长征4”号乙（CZ-4B） 目前，长征系列已经实现了从常温推进到低温推进、从串联到捆绑、从一箭单星到一箭多星、从发射卫星到发射载人飞船的技术跨越，成为了国际宇航市场上知名的高科技品牌。随着“鑫诺”6号卫星的成功发射，长征火箭完成了它的第129次完美飞行。从以前的几个月发射一次，到如今的二十几天就要完成一次发射。在未来五年，我国还将发射大约100颗卫星，这对于长征火箭来说，既是一个巨大的市场，同时也是进入产业化时代的一个新挑战。 此次发射“嫦娥二号”奔赴月球的长征三号丙火箭（上图）由三级液体火箭捆绑两个助推器组成，这种独特的“非全对称”火箭在“长征”系列里是唯一的。其静地转移轨道运载能力为3.8吨，全箭起飞质量为345吨，全长54.838米，不仅比发射“嫦娥一号”卫星的长征三号甲运载火箭高出了2米多，其运载能力也提高了1.2吨，能直接将“嫦娥二号”卫星送入地月转移轨道，节省奔月时间。长征三号丙运载火箭现已正式投入国际卫星商业发射服务市场。 新一代运载火箭——长征五号发射模拟图 另外，长征五号是中国正在研制的新一代无毒无污染重型运载火箭系列，运载能力与欧洲“阿丽亚娜”5基本同级。它实行模块化设计，由直径为5米、3.35米和2.25米的三种模块构成，可以根据需要把不同模块组装成不同推力的火箭，以执行不同的任务。 长征五号运载火箭将在海南文昌航天发射基地起飞，能把1.8吨至14吨的有效载荷送入地球同步转移轨道，可发射20吨级长期有人照料的空间站、大型空间望远镜、返回式月球探测器、深空探测器、超重型应用卫星等。 俄罗斯：发射次数绝对领先尽管其航天工业的总体状况堪忧，但俄罗斯在总体发射次数上仍占据着绝对领先地位。仅2009年，俄罗斯有7种不同的火箭进行了29次发射，延续了其航天大国的悠久历史。 值得一提的是，“联盟号”和“联盟”2火箭是1957年10月4日把世界上首颗卫星“Sputnik”1送入轨道的首枚轨道运载火箭R-7的后代。算上“联盟号”的所有型号，该系列火箭已进行了1735次以上的发射，使其成为世界上迄今使用最频繁的火箭。今天，“联盟号”火箭的主要任务包括为国际空间站运送人员和货物。在航天飞机退役和美国新的载人发射系统投入使用之间的时段里，“联盟号”预计将成为能向国际空间站运送机组成员的唯一运载器。 “质子号”是俄现役运载火箭中最大的一种。它最早是作为一种用于携带热核武器的洲际弹道导弹设计的，1965年首次投入使用后，又承担起了新的任务，并成为前苏联及现俄罗斯的主力重型运载火箭。近年来，“质子号”一直在同时用于发射俄政府有效载荷和商业通信卫星。“质子号”的增强型号“质子”M配备了更高效的发动机，能从拜科努尔航天发射场把世界上最大的通信卫星送入地球同步转移轨道。 美国：“战神”系列火箭接替航天飞机美国宇航局（NASA）在历史上曾经制造出过“土星”这样用于登月计划的重型火箭。依靠军事销售，美国发射业仍然具有很强的竞争力，但越来越多地受到来自印度、欧洲和中国的新发射选项的挑战。 与别国不同的是，美国拥有航天飞机作为航天运载器，NASA原计划在今年让航天飞机退役，并已开始研制两种新的运载器，以用于取代航天飞机，虽然已得到政府研制经费的新型载人轨道运载器不下5种，但这些运载器预计最早也要到2014年才能正式投入使用。 2009年10月，美国对新型的战神1号（Ares I）火箭进行了测试发射，战神1号火箭是自 1981 年的航天飞机计划以来NASA研发的第一枚新设计的火箭。 战神系列运载火箭计划中包含“战神”1号、“战神”4号、“战神”5号运载火箭，是航天飞机除役后接替发射任务的火箭，“战神”1号运载火箭属载人性质，计划酬载“猎户座”飞船运送宇航员；其他两者为载 物火箭计划酬载月球载人登陆器等设备。“战神”5重型火箭是为支持飞往月球等深空探测任务而提出的，预计首次试飞将会在2018年前后进行。 欧洲：商业运载火箭荷载纪录保持者阿丽亚娜火箭（下图）是欧洲空间局自行研制的可抛式发射系统（Expendable launch system），迄今已有1-5号五种基本型和多种改进型火箭。作为欧洲联盟各国或其他国家发射卫星至太空中的媒介工具，名称来自神话人物阿丽雅杜妮(以法语发音)。该型火箭的发射场地位于圭亚那太空中心，于1979年12月24日首次发射成功。1980年时阿丽亚娜航太公司（Arianespace SA）成立，接手阿丽亚娜计划中火箭建造、操作与商业营运等方面的事务。 早期的“阿丽亚娜”运载火箭都有失败的记录(“阿丽亚娜”1、2、3号成功率较低)，阿丽亚娜4号及5号运载火箭最为可靠。近年来，“阿丽亚娜”系列运载火箭已经占据国际商业发射市场的半壁江山。其中，阿丽亚娜5号运载火箭可运送大型载荷。阿丽亚娜5号ECA型运载火箭于2007年5月4日创下了商业载荷的新纪录，发射了两枚总重9.4公吨的卫星。 另外，为了满足小型卫星、科学任务与对地观测任务，欧空局还在研制能将1.5吨有效载荷送入低极地轨道（300千米-500千米）“织女星”运载火箭。 日本：低轨道发射能力两倍于中国日本目前现役的运载火箭主要是H2火箭，是在H1型火箭的基础上，依靠自身的技术力量研制成功的。H2型自研制之初就故障、事故连连。从1994年第一次成功发射到1997年，一共成功发射了5次。然而，每次发射耗费190亿日圆（约13亿人民币），比起国际竞争者如阿丽亚娜火箭算十分昂贵。后来，新一代H-IIA火箭开始研制，以降低发射费用。 近年来，日本在提高运载火箭的可靠性方面做了很大的努力，取得了一系列的成果，例如2007 年成功的使用H2A火箭发射了日本的探月卫星“辉夜姬”，2009年H2A成功的实现1箭8星的发射。 此外，日本的新型火箭H2B于2009年将日本的首架无人太空补给机空间站转运飞船（HTV）发射升空，标志着日本运载火箭技术的最新成就。H2B低轨道发射能力达到19吨，而地球同步转移轨道发射能力达8吨。与此相比，中国同步轨道发射能力最强的“长征3号乙”仅能达到5.5吨的能力，发射“神舟七号”的“长征2号F”低轨道发射能力为8.4吨。 印度：仍未成功运用氢氧发动技术印度目前拥有的运载火箭主要由“地球同步卫星运载火箭”（GSLV）和“极地卫星运载火箭”（PSLV）两种。 地球同步卫星运载火箭（GSLV）的低温液态引擎由俄罗斯提供，GSLV使用四支L40液态推进火箭可将5000千克的载荷送到近地轨道；使用俄罗斯KVD-1低温末端节引擎可将2200千克的载荷送到地球同步轨道。2010年4月15日，印度搭载了最新氢氧发动机的GSLV-D3火箭发射失败，使印度想成为世界第6个拥有将重型卫星送入地球静止轨道的低温液氢液氧发动机技术的国家的希望破灭。截至目前为止，只有美国、俄罗斯、法国、日本和中国拥有这种技术。 极轨卫星运载火箭（PSLV）标准型为4节式火箭并有6枚助推火箭，目前已有将1，600千克的卫星送至622公里高的太阳同步轨道之能力，可让印度的遥控通讯检测卫星到达极地轨道，实际上的商业用途技术是从俄罗斯取得，也可以发射小卫星到地球同步轨道 国际商业发射市场：中国仅占4%份额世界主要的大国均独自或者合作拥有火箭商业发射的能力，而无力自行开展航天发射的国家正在通过与航天大国合作来涉足航天领域，这就形成了商业发射的巨大市场。目前，俄罗斯在全球商业发射市场上占据领先地位。2009年，俄罗斯进行了10次商业发射，市场份额为42%。同时，美国火箭占据了17%，欧洲占据了该市场的21%，而中国进行了1次商业发射，占市场的4%。日本和印度在商业发射市场上的日渐活跃。以色列过去10年里进行了4次军事卫星发射，仍保有提供商业发射服务的能力。韩国“罗老”号运载火箭连续两次发射失败，仍在努力之中。 面对不断增长的空间资源开发需求以及日益增长的商业发射市场竞争环境，各航天大国在不断改进现有火箭的同时，大力研制新一代的商用运载火箭。目前美国推出了“德尔它”4和“宇宙神”5两个新型运载火箭系列；欧洲新研制了“阿丽亚娜”5运载火箭；日本推出了H-2；俄罗斯正在研制“安加拉”系列火箭。 更值得关注的是，美国私人发射服务商开始介入到商业发射服务中，例如太空探索公司“猎鹰”9火箭发射价格是5000万美元，与发射价格为9000万到1亿美元的俄罗斯“质子号”火箭运载能力近似。这表明这些新型火箭在发射服务行业的出现可能将带来新的商业发射机遇，并增强美国发射业的竞争力。 结语 目前国际上运载火箭的发展，已经进入了一个多元时代。美、俄依靠雄厚的历史积淀，仍然占据着明显的领先优势，尤其是美国在放弃了航天飞机之后，出于商业发展和深空探测的需求，厚积薄发的重回了运载火箭发展之路，例如战神系列火箭的起点定位就是将来重返月球的任务需求。而另一边厢，欧空局在稳稳的占据国际商业发射的半壁江山的同时，不断发展完善“阿丽亚娜”火箭系列。 而中国则从民用计划、商业发射、载人航天和月球探测的实际需求出发，不断发展大推力、高可靠性的运载火箭，并以更高的发射密度，走出自己的高性价比产业化之路。近年来，中国在火箭发射次数上赶超了欧洲，并且“长征”2F火箭已经与来自美国的航天飞机、俄罗斯的“联盟号”火箭一起成为世界上仅有的三种轨道载人运载工具。中国的运载火箭可靠性比较高，但由于诸多条件（比如铁道运输等）限制，更大体积和推力火箭尚未诞生，这使得中国火箭的运载能力从字面上来看与欧美火箭强国存在相当差距。不过中国已经在确定海南文昌发射场建成后开始设计研制大推力火箭，这将使中国火箭的运载能力与欧美火箭之间的差距开始逐步缩小。 综合实力：★★★☆　（文/禹翔）