俄罗斯重型运载火箭发展规划

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      重型运载火箭作为航天强国的重要标志，不但能够大幅提升一个国家进入空间的能力，还体现着一个国家的航天设计水平和基础设施建设能力。因此，纵观世界航天大国，目前具备开展重型运载火箭研制条件的只有美国、中国和俄国，而之前开展过重型运载火箭的只有美国和俄罗斯（前苏联），其中在苏联解体前研发的“能源号”运载火箭，不但成功执行了首飞，还牵引除了RD-170、RD-0120等高性能发动机，给后来的俄罗斯留下了宝贵的财富。

       进入21世纪，俄罗斯也多次提出发展重型运载火箭（俄方也称超重型运载火箭）的计划，但受制于国内经济形势的限制，方案几经变化，进展屡有波折。为了进一步了解俄罗斯重型运载火箭的发展规划，本文对俄罗斯重型运载火箭的发展历程进行分析，以研判俄罗斯重型运载火箭未来的发展方向。

1  俄罗斯重型运载火箭的发展历程

1.1  风云初起

在阿里安系列运载火箭已经能够确定在21世纪第二个十年首飞之后，俄罗斯瞄准了更远的运载火箭研发计划。显然安加拉火箭25吨的近地轨道运载能力对于完成深空探测，特别是载人月球探测来说，实在是太小了。

2013年，俄航局俄罗斯航天局发布的航天战略围绕着4个时间节点规划运载火箭发展——2015年之前、2020年之前、2030年之前以及2030之后，见图1所示。

图1｜2013年俄罗斯运载火箭发展规划图



图2｜萨马拉2013年各种重型运载火箭

当然，俄罗斯之所以要发展重型运载火箭也与它的“老对手”美国有关，美国自2011年开始，开展了太空发射系统（Space Launch System，简称SLS）的研制。俄罗斯瞄准SLS火箭Block1构型开展研制近地轨道运载能力80-85吨级的的重型运载火箭。

在整个2013年至少有四家公司参加了重型运载火箭的论证工作，它们分别是：

（1）赫鲁尼切夫国家航天科研生产中心的叶尼塞-5火箭；

（2）能源公司基于泽尼特的能源K火箭；

（3）进步国家火箭与航天科研生产中心基于固体动力的运载火箭；

（4）GRTs Makeev的基于一级可重复使用的运载火箭。

整个2014年俄罗斯围绕着重型运载火箭的经费以及未来的登月模式开始论证，有报道称从2016年到2025年发展重型运载火箭的花费要达到2146亿卢布（折合59亿美元），而到2028年能够实施载人登月的任务，整个花费则要高达7000亿卢布，这样巨大的花费是俄罗斯经济所难承受的，因此使得整个重型运载火箭的研制计划都停留在论证阶段。

2015年4月，俄联邦航天局完成2016-2025年联邦航天计划草案修订，预算总额将从原来的约536.7亿美元降至约383.3亿美元。修订后的草案取消了全新重型运载火箭研制及其他一系列科研计划，但保留了探月项目。根据该草案，在2025年前，俄将研制安加拉A5V火箭系统和轨道拖船，以完成新一代载人飞船入轨任务，实现2025年前载人绕月飞行、2029年前载人登月的计划。与从零开始研制重型运载火箭的方案相比，采用安加拉A5V方案可将重型运载火箭的研制费用大幅降低至原来的十分之一左右。

1.2 沉寂岁月

2016年和2017年这两年，受到俄罗斯国内经济的影响，重型运载火箭的研制计划鲜有耳闻，只有在2016年，俄科罗廖夫能源火箭航天公司总裁索恩采夫在接受《消息报》采访时表示，俄罗斯联邦航天署开始以暴风雪号航天飞机计划为基础设计新型超重型火箭，该计划曾经被用于研发RD-171火箭发动机。

据悉，俄罗斯航天署有意放弃制造带有氢级的“安加拉А5V”超重型火箭。根据计划，新火箭将成为落实月球计划下一阶段的基础。

索恩采夫表示：“我们与俄罗斯航天署负责火箭项目的总工程师亚历山大·梅德韦杰夫研发超重级运载火箭，并将使用我们已经有的RD-171火箭发动机，此为超重型运载火箭的基础。”

据他称，目前不计划使用氢能源作为该运载火箭的第一级和第二级。第三级有意使用已经用于飞行的“安加拉”的第三级。

索恩采夫表示：“这种方式可以使我们节约时间和费用。我们使用已经有的，不会到来额外的开销，也不需要‘未来几十年’的研发时间。我相信，以这种方式建造超重型火箭可以创造出用时最短的记录，也就是5到7年时间。他还表示，新火箭将成为落实月球计划下一阶段的基础。

索恩采夫称，该火箭原来可以将80吨的物资运送至近地轨道，据他称，在RD-171发动机技术基础上的新研发火箭将可运送120吨物资到近地轨道。在必要的情况下，通过改变火箭的布局并扩大发动机的可能性，可运载160吨的物资。据悉，该火箭可以替代以安加拉为基础建造超重级火箭的想法。



图3｜俄罗斯超重型火箭效果图

1.3  诸强争霸

2018年，俄罗斯又开始对重型运载火箭进行新的规划，并对各个方案进行讨论，主要有五种方案。俄罗斯航天国家集团（俄航）把由进步火箭航天中心和俄航总经理罗戈津提议的一个型号作为拟用于探月飞行的新型超重型运载火箭的主选方案。该方案由进步中心提出，设6台采用RD-171发动机的捆绑，但芯一级采用RD-180发动机。而能源火箭航天公司提出的方案捆绑5个助推器，助推器和芯一级均采用RD-171发动机。

罗戈津和进步中心的共同意见是，为了确保RD-180发动机的生产线，目前用在美国宇宙神5火箭上的俄制RD-180发动机将会用到俄一种先进的火箭上。而进步火箭航天中心的方案是把RD-180用到超重型运载的芯一级上，加捆6台助推器的该火箭将具备103吨的运载能力。俄罗斯重型运载项目将统合其下属三家主要设计机构的力量，并将促成全行业技术现代化。



图4｜俄罗斯进步国家航天科研生产中心提出的4号方案

图5｜能源火箭航天集团提出的5号方案

图4和图5分别是从非官方渠道获取的俄罗斯进步国家航天科研生产中心和科罗廖夫能源火箭航天集团的重型运载火箭方案。从图4中可以看出6个助推器的分离方式有所区别4个助推器先分离，2个助推器后分离。芯级由于采用RD-180发动机，分离时间比采用RD-171发动机的助推器时间要长。两个方案的二级发动机均采用两台采取膨胀循环的RD-0146氢氧发动机，该发动机采用扩展喷嘴，没有再生冷却。能多次点火。在两个平面上可以推力控制。单台推力7.5吨。此外科罗廖夫能源火箭航天集团还提出了在一级上增加双机并联的RD-0150氢氧发动机方案，推力达到45吨，与安加拉A5V的方案类似，可以进一步提升火箭的运载能力。

图6｜采用RD-0120的重型火箭方案

另一个值得注意的方案是俄罗斯采用RD-0120发动机的方案，RD-0120发动机是前苏联“能源号”的遗产，也是世界上仅有的两种200吨级的高压补燃氢氧发动机之一（另一种是美国航天飞机上使用的SSME）。这个方案类似于我国的CZ-5号运载火箭，但是起飞规模要大的多，采用的发动机性能均为世界先进水平，同时芯级全氢氧的构型也能够发挥比冲高的优势。但美中不足的是，自前苏联解体后，RD-0120发动机的生产线一直处于荒废状态。因此，要想恢复RD-0120发动机的生产，还需要很大一笔经费。同时，氢氧模块对于箭体直径提出了更高的要求，由于液氢的密度很低，因此相同质量的推进剂，氢氧模块需要的容积更大，相应的箭体直径也更长。虽然在能源号研制期间，前苏联（俄罗斯）已经具备了7m直径箭体的生产能力，但30年未进行相关产品的生产，恢复起来依然非常困难。

2  俄罗斯重型运载火箭的发展特点

2.1  航天工业基础雄厚，研制基础较好

俄罗斯继承了前苏联大部分的航天遗产，因此具有很强的航天生产、研发能力。特别是其著名的RD-171发动机，是目前世界上推力最大的液氧煤油发动机，其卓越的性能，为构建重型运载火箭奠定了良好的基础。从俄罗斯重型运载火箭的发展历程来看，多家单位都拿出了自己的重型运载火箭方案，可见其设计能力也是相当强的。同时，前苏联作为和美国分庭抗礼的世界强国，从阿波罗时代起就一直开始进行重型运载火箭的研发，具有完整的航天工业设施，并形成了丰富的设计经验。因此，在继承原有设计经验和设计能力的基础上，俄罗斯具备良好的开展重型运载火箭研制的条件。

2.2  航天发展出现断代，总体方案不够优化

俄罗斯虽然继承了前苏联大部分的航天遗产，但在前苏联解体后，其中止了“能源-暴风雪”计划，发展出现了断代的情况。“能源-暴风雪”和美国航天飞机是同一时代的产物，美国的航天飞机虽然也已经退役，但其又发展了SLS重型运载火箭，航天飞机的8m直径箭体结构、RS-25发动机和固体助推器都得到了继承，相应的生产线也得以保存。而俄罗斯没能继续发展“能源-暴风雪”，也没有新的重型运载火箭发展计划，7m直径箭体结构和RS-0120的生产线都已经荒废，只有RD-170发动机由于还有天顶号等其他火箭的需求，生产线得以保存。这也造成了其总体方案只能基于现有的产品开展，整体性能不够优化。同时，其拳头产品RD-180发动机目前只有美国的火箭采用，如果未来美国不再购买俄制RD-180发动机，其考虑到生产线的维持情况，还要在新研火箭中保留RD-180的方案，这也是为什么进步中心方案能够胜出的原因。

2.3  经济条件受到限制，未来发展扑朔迷离

重型运载火箭作为国之重器，其研发成本也不容小觑。俄罗斯今年来经济形式一直不容乐观，尤其是在与乌克兰“克里米亚“争端后，受到西方国家的经济制裁，经济形势下滑明显。重型运载火箭的研发经费大概在100亿美元左右，这对于俄罗斯来说是一笔难以承受的巨款。2018年在其进行方案选择之后，虽然2019年俄罗斯总统普京签署总统令，要发展重型运载火箭，但国际原油价格的下跌，让俄罗斯经济雪上加霜。因此，自2019年来，俄罗斯重型运载火箭的发展计划又陷入了停滞。从长远发展来看，俄罗斯还保有航天大国的雄心，但低迷的经济情况让其发展大受限制，可以预计的是，如果俄罗斯经济不见起色，且没有国际合作的情况下，俄罗斯重型火箭的未来发展恐怕只能停留在论证阶段。

从世界重型运载火箭的发展情况来看，由于重型火箭的工程庞大，技术难度高，只有具备一定技术储备的独立国家能够开展。因此，目前世界上只有美国、中国和俄罗斯有重型运载火箭的发展计划。经济基础也是开展重型运载火箭的决定性因素，这就是为什么俄罗斯每年都抛出其新的重型运载火箭方案，但迟迟看不到付诸实施行动的原因。