近年来，从“神舟”、“天宫”，到“嫦娥”、“祝融”，再到“天和”、“天问”、“梦天”的空间站组合体，中国航天在一步步地创造着一个个新的历史，交出了一份无愧于时代的辉煌答卷。但成绩已是过去，新征程的号角在不断吹响。从建设大型永久性月球基地到载人登陆火星乃至其他深空任务，未来中国人的飞天梦更为高远、宏大。但这也意味着对我国进入空间的能力提出了更高的要求。毕竟，运载火箭的能力有多大，航天发展的舞台就有多大——重型运载火箭，是远大航天梦想的基石。

无论是茹毛饮血的过去，还是网络信息化的现代，人类仰望星空的天性从未变化。我们想挣脱引力的粗莽束缚，去触摸地球的脸庞。我们想捕捉流星的光芒，寻觅黑暗之外的另一个自己。向上，向外，对抗地心引力才是忠于天性！作为进入太空的运载工具，运载火箭是人类一切太空活动的前提和基础，决定着航天工程的高度和质量。越是宏大的太空计划就越是需要出色的重型运载火箭。将“嫦娥”5号探测器送入地月转移轨道、将“天问”1号送入火星轨道、将空间站组合体各舱室送入近地轨道的“长征”5号系列运载火箭，是目前中国起飞质量最大、载荷能力最强的运载火箭：高57米、差不多是20层楼的高度；箭体直径5米；起飞质量896吨，最大发射推力为1078吨，具备近地轨道25吨、地球同步转移轨道14吨的运载能力。由于它在多次任务中的出色表现，使我国运载火箭低轨和高轨的运载能力均跃升至世界第二，在世界现役火箭中则位列第三（“长征”5号的运载能力仅次于美国的“猎鹰重型”与“德尔塔”4。“猎鹰重型”的近地运载能力约为60吨，“德尔塔”4约为28吨。所以从目前的情况来看，“长征”5号在全球能排到第三的位置），并因此被昵称为“胖5”。但即便是“胖5”，在中国航天新征程的号角声中，也仍然力所不逮，毕竟按照公认的标准，近地轨道运载能力在50吨以上的运载火箭才算是重型火箭。

由“土星”5第三级直接改造而成的“天空实验室”

事实上，早在50多年前的“阿波罗”载人登月计划，人类就是凭借着一枚比“胖5”大3倍有余的巨型火箭登上月球。肯尼迪当时在演讲中这样说道：“我认为，这个国家应该致力于在这个十年结束之前实现人类登月并安全返回地球的目标。我的同胞们，我们将把一枚300多英尺高的巨型火箭送到离休斯敦控制站24万英里远的月球上去，组装的精度堪比最好的手表，携带推进、指导、控制、通讯、食品和生存所需的所有设备，到达那个未知的天体，然后让它安全地返回地球，重返地球大气层的速度超过每小时25000英里的速度，造成的热量相当于太阳一半左右的温度。”肯尼迪总统在这一目标实现之前就去世了，但他热情洋溢的演讲激励了整个国家采取行动。载人登月集合了美国当时最先进的科研生产力，涉及科学家、工程师、技术人员等400多万人，5万家企业参与协作。冯·布劳恩研制的登月火箭“土星”5号，发射重量高达3400吨，相当于一艘二战时期的轻巡洋舰，任何一个环节都可能因为技术问题而致命。截至目前，“土星”5号仍是人类使用过的最大运载火箭，月球轨道运载能力45吨，近地轨道运载能力118吨。“土星”5号是重型运载火箭的标杆，但也是耗资惊人的超级工程，从1961～1972年整个“阿波罗”计划的花费超过了250亿美元，相当于现在的1600多亿美元。算上前期的研发加上13次发射的直接费用一共65亿美元，平均一发5亿美元，而同时期的世界第一艘核动力航母“企业”号的造价才4.5亿美元，也就是说，每登一次月就要烧掉一艘核动力航空母舰。如此花费还折腾了13次，足可以建造整整一个美国海军！正由于需要海量的资源投入，即便是在50多年后的今天，要想重新拥有“土星”5号级别的重型火箭运载能力也并不轻松。作为美国未来重返月球乃至载人登陆火星的空间投送工具，目前NASA着力打造的SLS火箭只是第一阶段状态，近地轨道运载能力为70吨，只有“土星”5号的一半多点，至于运载能力超过了“土星”5号的第二阶SLS火箭投入工程阶段还尚需时间。但即便如此，第一阶段SLS火箭的研发也是磕磕绊绊，试射几经波折跳票、延期。重型运载火箭的门槛之高，由此可见一斑。要打造这种集成了时代最先进航天技术的大国重器着实不易，但从未来20年中国航天工程的相关项目规划来看，重型火箭又是必须迈过的能力门槛。随着基础级运载火箭的能力不断增强，轨道转移飞行器的总体规模可以达到数十吨级，以完成大规模的地球出发和深空探测任务。大国航天的雄心壮志，首先是要落实到重型运载火箭的现实中。所以作为中国未来一切重大航天工程的基础性项目，正在研制中的“长征”9号最大推力超过4000吨，近地运载能力140吨，达到并且超过了“土星”5号的级别，问世后将成为全球性能最顶尖的重型运载火箭。不过中国并不是唯一拥有重型运载火箭梦想的国家，美俄作为比中国更具航天技术底蕴的航天超级大国，同样在新一代重型运载火箭的研发上不断发力，重型运载火箭实际上已经成为了当前大国竞争的一个着力点！

从1964～1973年间，美国为“土星”5号的研发总共拨款64.17亿美元，除去研发费用，平均下来每次发射需要1.8亿美元，每枚“土星”5号发射费用为12.3亿美元（2020年币值）

美国早期的重返月球“星座计划”,NASA计划同时开发两型登月火箭，“战神一号”用于载人，“战神五号”用于将“牵牛星”登月舱和其他货物发射到月球轨道，完成对接之后再登月。后来“战神一号”和“战神五号”合并，然后被以航天飞机发动机为基础的SLS所取代

以严格的性能标准计算，美国目前拥有世界上唯一的重型火箭——“猎鹰重型”，该型火箭属于美国Space X公司“猎鹰”系列火箭中的一员。“猎鹰”系列火箭是人类航天史上第一款实现部分可重复使用的运载火箭，价格低廉、发射周期短，是目前Space X公司最有竞争力的宇航产品。此外，不同于传统火箭的V字形研制模式，Space X在研发过程中实现了短时间内的迭代更新，缩短了新型火箭的研发周期，颠覆了传统的系统工程模式，成为民营航天的典型，“猎鹰”系列运载火箭被贴上了各种各样的标签。“猎鹰”系列进行了多次更新换代，主要型号可分为三种：“猎鹰”1号、“猎鹰”9号和“猎鹰重型”，每一型号都是在前一种型号的基础上进行升级改造。其最初型号为“猎鹰”1号，为部分可重复使用航天器。经过长期的可靠性论证与技术革新，后更新换代为“猎鹰”9号，“猎鹰”9号是一款可实现高重复使用率的可重复使用运载火箭，其发动机采用技术上难度较大的多台发动机并联驱动，实现了系统的可靠性保障。“猎鹰重型”火箭项目在其箭体以及发动机等核心技术方面，在“猎鹰”9火箭的基础上加以改进，实现了技术的快速迭代。“猎鹰”1号是Space X公司研制的第一种火箭，但是它起初的设计并不顺利，首次飞行因有螺母被腐蚀导致起飞后数秒就出现燃料泄漏和发动机着火而失败，第二次发射虽然进入了太空，速度也接近于入轨所需速度，但却出现了液氧贮箱推进剂晃动问题，使第二级火箭出现滚动，导致发动机过早关机，结果功亏一篑。第三次发射，发动机定时问题导致火箭第一级分离后与第二级发生碰撞，造成失败。在经历了连续3次发射受挫后，Space X公司经过不断地探索调试，终于迎来了第一次成功，“猎鹰”1号从而成为第一种由私人公司建造并成功实现入轨的液体燃料运载火箭。“猎鹰”5号运载火箭是“猎鹰”1号火箭的延续升级版，它主要分为两级结构。第一级的主体结构采用航天级铝合金材料，并通过搅拌摩擦焊焊接起来。搅拌摩擦焊是目前强度最高和最可靠的焊接工艺。它在牵制-释放系统、氦贮箱增压和级间分离等方面与“猎鹰”1号火箭大同小异，回收方式也与“猎鹰”1号相同。第二级贮箱其实就是第一级贮箱的截短型号，工装、材料和制造工艺也基本上与第一级贮箱相同。这样做可大大节省火箭的生产成本。第二级使用单台“猛禽”1号发动机。为提高重新启动的可靠性，该发动机采用具有4个喷注孔的双重冗余TEA-TEB自燃式点火器。“猎鹰”5号火箭能够在1～2个发动机损坏的情况下依靠3个发动机飞行。“猎鹰”9号是在“猎鹰”5号基础上进一步迭代而来，换装了“猛禽”1C/1D真空发动机。作为第一枚完全于21世纪开发和设计的火箭、第一枚实现可控陆地和海上垂直着陆回收的火箭、第一枚实现多次重复使用的火箭，“猎鹰”9号也是首度由私人企业承包探索太空任务的火箭，其低成本、多发并联、多次使用、垂直回收的设计思路深刻地影响了商业航天时代的火箭设计。

“重型猎鹰”火箭携带GOES-U气象卫星从卡纳维拉尔角发射升空。SpaceX今年第65次发射，两枚助推器成功回收

“重型猎鹰”火箭携带GOES-U气象卫星从卡纳维拉尔角发射升空。此次任务是SpaceX今年第65次发射，两枚助推器成功回收

“猎鹰”9系列火箭主要采用“猛禽”1C/1D真空发动机，热交换冷却技术是“猛禽”1C的核心技术，海平面推力为350千牛，真空推力为400千牛。“猛禽”1D真空发动机是“猛禽”1C发动机的升级版，排气性能得到大幅提高、扩张喷口也得到扩大，显著提高了发动机在真空中的效率，“猛禽”拥有更大的膨胀比，最低能节流至满推力的39%。至此“猛禽”发动机的疲劳寿命、燃烧室、喷嘴的热余量、节流能力都得到了大幅提升，并且更易于制造（部件数更少，工时更少）。作为可部分复用型运载火箭，“猎鹰”9系列主要采用动力反推垂直下降技术来实现设计目标。垂直起降适合变推力火箭构型。其中包含6项关键技术：1、泵压式发动机大范围推力调节技术，该技术要求发动机涡轮泵、密封系统、调节阀门等能够在较宽工况范围内满足反推、再入和着陆点火等要求；2、返回过程高精度控制技术，一子级在返回过程中，穿过平流层大风区时可以及时调整姿态，控制自己的下落位置、垂直姿态等；3、返回过程推进剂管理技术，一子级返回过程贮箱内部处于微重力环境，需抑制干扰，避免推进剂剧烈晃动，满足微重力环境下液体推进剂沉底等要求；4、着陆支撑机构技术，着陆支撑机构需要具有抗冲击能力、适应一子级倾斜姿态、适应着陆时的水平速度以及抗发动机喷流热防护能力等；5、子级再入热防护技术，火箭子级飞行时，底部发动机结构复杂，高速再入热环境难以分析预估，为了保证后续产品的可维修可使用，需要避免产品的烧蚀；6、产品可重复使用设计和维护技术，火箭成功着陆后，如何对火箭子级进行维护，直接关乎一子级是否能再次使用。垂直下降回收具有多方面优点：对于垂直返回方式，总体设计布局方面需要提供着陆支撑机构的安装空间。在箭体结构的尾舱外安装着陆支撑机构，上升过程中为折叠状态，返回过程展开。此外，贮箱内部增加推进剂管理系统，对返回过程中推进剂进行管理。垂直返回对箭体的总体布局影响小，并且垂直降落落点精度高，无需搜索。垂直下降回收也存在诸多弊端：垂直下降回收时，由于火箭在分离时，贮箱中需要存储一定量的推进剂，以用于返回过程中火箭姿态的调整，火箭速度的调整，这必将较大地损耗火箭的运载能力。对于返回原场的垂直回收，由于要进行横向机动，这会导致火箭运载能力再次下降。初步分析表明损失幅度能达到50%以上，最高甚至达到90%；即使不返回原场，不需要横向掉头，推进剂消耗量较小，但损失也能达到20%以上。对于垂直返回回收方式，子级需要加装制导系统、辅助动力系统、贮箱推进剂管理系统、着陆支撑机构等，也会对运载能力产生影响。垂直返回虽然带来较大运载能力损失且对大质量有效载荷适应能力有所降低，但仍将是运载火箭降低发射成本的可实现途径。

至于“猎鹰重型”实际上是以“猎鹰”9号为基础，又额外捆绑了两个第一级的组合体。不过，“猎鹰重型”研制过程并不顺利，有许多技术无法在地面试验中进行验证，导致其首飞时间一推再推。因研制难度过大，Space X公司曾3次尝试取消“猎鹰重型”项目，但最终还是坚持下来，完成了“猎鹰重型”火箭的研制。“猎鹰重型”火箭是在大量继承“猎鹰”9号成熟技术基础上研制的两级液体重型运载火箭，采用了3个通用芯级并联加二子级的构型，以液氧/煤油为推进剂，起飞时共有27台发动机点火。该火箭执行近地轨道、地球同步转移轨道及行星际轨道任务，其近地轨道运载能力达63.8吨，地球同步轨道运载能力为26.7吨。凭借较低的发射价格和较强的运载能力，“猎鹰重型”火箭赢得了各方商业卫星用户的关注，其研制也得到了美国政府和军方的大力支持。尽管如此，“猎鹰重型”在商业发射市场的前景并不明朗。大型商业卫星需求近年来有所减少，静止轨道通信卫星的订单下滑严重。在商业通信卫星发射领域，“猎鹰”9号火箭的性能和表现已很优秀，“猎鹰重型”火箭提供的多星发射机会不见得比“猎鹰”9号火箭好多少。而未来的载人登月、载人小行星/火星探测等任务，则需要近地轨道运载能力达100吨以上的重型运载火箭，“猎鹰重型”能力与之差距较大，因此它的潜在市场将主要集中在政府大型有效载荷和无人深空探测任务。事实上，尽管是现役唯一的重型运载火箭，但“猎鹰重型”只达到了入门级的标准，为了解决载人登月、建设月球基地乃至载人登火及其他深空任务的空间进入问题，美国未来航天计划需要更为重型的运载火箭。目前，按照规划，美国在同时研制两款近地轨道运载能力达100吨以上的超重型运载火箭，即国家队的“太空发射系统”（SLS）重型运载火箭和Space X公司的“超重-星舰”（Starship）。

“重型猎鹰”运载火箭的两枚助推器成功回收

首先是国家队的SLS重型运载火箭。2011年9月，美国NASA提出了SLS重型运载火箭的研制计划，用于发射“猎户座”多用途载人飞船，满足未来载人深空探索以及高优先级科学探索任务的发射需求，并可作为近地轨道载人火箭的备份。按照目前的计划，该火箭将主要用于“阿尔忒弥斯”载人重返月球计划。SLS火箭为两级结构，包括SLS 1型、SLS 1B型和SLS 2型等3种构型。其中，SLS 1型由芯级、2枚固体助推器、级间段和过渡型低温上面级（ICPS）组成，采用4台RS-25氢氧发动机以及1台RL10B-2氢氧发动机分别作为芯级和上面级的主发动机，并由固体助推器提供75%的起飞推力。SLS 1型高98米，最大直径8.4米，起飞质量2600吨，起飞推力达到39144千牛，整流罩直径5.1米，分别具备70吨和27吨的近地轨道以及月球轨道运载能力。在SLS 1型的基础上，NASA采用直径为8.4米的探索上面级（EUS）替换过渡型低温上面级以形成SLS 1B型，由4台RL10C-3氢氧发动机为上面级提供更大的推力，使火箭的近地轨道和月球轨道运载能力分别达到105吨和42吨。SLS 2型在SLS 1B型的基础上使用先进固体助推器替代五段式固体助推器，实现130吨的近地轨道运载能力，并将其深空运载能力提高到46吨。

运载火箭是人类一切太空活动的前提和基础，决定着航天工程的高度和质量

相比于国家队的SLS，美国在研的另外一款超重型运载火箭“超重-星舰”走的是另外一种风格。“超重-星舰”实际上仍是“猎鹰”系列的一员。Space X公司CEO埃隆·马斯克在2016年9月正式对外公布了“星际运输系统”（ITS），瞄准人类殖民火星以及星际探索。随后持续进行快速迭代，每年均进行一定程度的方案调整，从初期的ITS到2017年的“大猎鹰火箭”（BFR）方案，最终在2018年逐渐演化成“超重-星舰”运输系统。其有效载荷运载能力从最初设计的300吨至目前的100+吨，最大直径由12米缩减到9米，箭体及栅格舵的材料由最初的碳纤维材料变更至目前的不锈钢材料。该方案在不断修改中逐渐向可实现的方向发展。该系统采用船箭一体化设计，包括“超重”火箭级和“星舰”飞船级，分为载人型和货运型。而且与以往运载火箭和飞行器设计不同，“星舰”既要作为第二级，从地球发射时达到轨道速度，又要作为航天器，在外太空长时间在轨飞行。“超重-星舰”运载能力为100+吨，两级均可重复使用。能将100人送往月球、火星或其他遥远目的地，或是绕地球飞行。系统全长120米，起飞质量为5000吨，起飞推力7400吨。“超重”火箭级高70米，直径9米，推进剂加注量为3300吨，设有4个栅格舵，并设4个着陆支腿。采用“猛禽”液氧/甲烷发动机，液氧/甲烷推进剂均采用过冷加注方式。发动机的数量可根据任务需要进行调整，最多37台，最少24台，但该数量仍存在争议。马斯克曾透露，为了简化配置，可能将火箭级发动机数量减少至28台或更少。“超重”火箭级将继承“猎鹰”9号的做法，采用垂直起降技术进行回收。“星舰”飞船级高50米，直径9米，推进剂加注量为1200吨，最初的MK1和MK2原型机干质量均为200吨，后续型号将逐渐减轻至100～120吨，采用6台“猛禽”发动机，其中包括3台海平面型和3台真空型发动机。“星舰”采用双鸭翼+双尾翼，设6个可伸缩着陆支腿。鸭翼和尾翼均改成梯形，以提高着陆时的翼面控制效率。迎风面防热由气膜主动冷却改为防热瓦。标准“星舰”整流罩外径9米，有效载荷包络线直径8米。在回收方面，“星舰”将尽可能最大限度地利用空气制动，以60度倾斜姿态进入大气层。“星舰”主体结构采用300系列不锈钢材料，因为这种材料既便宜又易于加工，而且具有在低温下强度提升50%的优质特性。对贮箱来说，从推进剂的低温到再入大气层的高温，材料的比强度与早期选择的碳纤维复合材料相当或更好。300系列不锈钢经过某种低温处理，比传统的热轧钢更轻、更耐磨，其高熔点也意味着飞船的背风面不需要另外再加隔热保护系统，而温度高得多的迎风面则采用发汗冷却技术，让冷却液流过夹层，并从外壳的微孔排出，达到冷却的目的。Space X公司也在研究飞船迎风面备选材料，如六边形陶瓷片。在Space X的技术规划中，“超重-星舰”可以完成多种航天飞行任务，包括太空旅游、地月运输、火星殖民、星际运输与洲际运输，而且其着陆可靠性最终能达到航空公司水平，预计将取代“猎鹰”9号、“猎鹰重型”运载火箭以及“龙”飞船等。不过，从技术成熟度看，在美国的两型重型运载火箭中，目前SLS火箭更胜一筹。它大量采用航天飞机的成熟技术，在可靠性上已经得到过验证。

“叶尼塞”重型运载火箭想象图

俄罗斯是新一代重型火箭的另一重量级玩家。20世纪70年代，苏联为与美国竞争载人登月，曾研制出N1重型运载火箭，但连续4次发射失败后被迫放弃。1987年，苏联首次成功发射用于搭载“暴风雪”航天飞机的“能源”号重型火箭，它的近地轨道运载能力达到100吨。但随着苏联解体与“暴风雪”航天飞机项目的下马，“能源”号重型火箭退出了历史舞台。俄罗斯在相当长时间里都只能依靠苏联时代的“联盟”号和“质子”号运载火箭维持航天发射。从1994年开始，俄罗斯赫鲁尼切夫国家航天研究和生产中心提出使用清洁能源的“安加拉”火箭项目，该系列火箭包括轻、中、重三个级别，其中2005年“美俄蜜月期”提出的“安加拉”100火箭推力最大，其近地轨道运送能力超过100吨，足以满足时任美国总统布什建议的载人登月“太空探索愿景”的需求。但因为种种原因，“安加拉”火箭进展缓慢，俄罗斯已经放弃该系列重型火箭的规划，转而优先确保用“安加拉”A5大型火箭执行载人航天任务。2009年俄罗斯开始研制“罗斯”M系列运载火箭，计划于2015年投入使用，在位于远东的东方发射场执行载人和货运飞船的发射任务。根据型号不同，“罗斯”M可将6.5～50吨有效载荷送到近地球轨道。但2011年，俄罗斯政府宣布停止该火箭的研制。2016年，俄罗斯提出了另一种重型火箭设计——“叶尼塞”火箭。2019年2月，俄罗斯政府签署了关于2028年前研制重型运载火箭计划的文件，2019年底通过初步设计方案。按照当时的方案，“叶尼塞”火箭为两级构型，芯级将捆绑6枚助推器。助推器拟采用在研的“联盟”5号的一子级，发动机为RD-171MV液体火箭；芯级采用“联盟”5号的一子级或“联盟”6号的一子级，发动机为RD-171MV或RD-180液体发动机；二子级采用在研的“安加拉”A5V火箭的氢氧二子级，发动机为RD-0150。未来，“叶尼塞”火箭可实现近地轨道和探月轨道运载能力分别为100吨和27吨（或80吨和20吨）的目标。“叶尼塞”首飞成功后，俄罗斯政府将在其基础上研制三级型“顿河”火箭，将近地轨道能力提高至140吨，探月运载能力提高到33吨，可用于发射俄罗斯的月球基地模块。俄罗斯政府曾计划在2027年完成“叶尼塞”火箭及其位于东方航天发射中心发射系统的研制和建造工作，于2028年实现火箭首飞。根据初步计算，火箭和基础设施的建设将花费15000亿卢布，其中，首枚火箭的研制费用约为7000～7500亿卢布。然而出于整个项目花费过大、没有考虑应用可重复使用等最新航天技术等原因，2021年俄罗斯也宣布暂停“叶尼塞”重型火箭的技术设计工作。从目前的情况看来，俄罗斯的载人登月项目很可能改由多枚“安加拉”A5大型火箭联合执行。它们将通过多次发射，分别将载人飞船、月球着陆系统及空间拖船送入近地轨道，进行在轨对接后再实施登月。

★李厚何