摩天大厦飞上天——重型运载火箭

飞飞机油

2020年5月5日晚18时，长征五号乙型运载火箭于中国文昌航天发射场完成首次飞行任务，首飞取得圆满成功！



图源 科普中国 江程杰

运载火箭，目前是人类探索太空最主要的发射载具。不论是卫星、探测器、飞船、空间站，乃至于一些航天飞机，都离不开运载火箭的帮助。我们知道，越是复杂、多功能的飞行器，一般就越是笨重。向深空进发需要消耗的能量远高于近地轨道，为了获得更高的速度就需要更多的燃料。因此，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。

长征五号乙，目前是中国现役阶段近地轨道运载能力最大的新一代火箭，其起飞重量达到837.5吨，近地轨道运载能力大于22吨。全长53.66米，相当于26层住宅楼的高度。



中国长征系列运载火箭的部分成员

想想就让人激动——26层高的“钢铁大楼”，在火焰和闪光中一飞冲天，直上云霄，是何等壮观的场面。而在人类历史上，已经有很多这样的”钢铁大楼”发射升空，构筑了人类探索太空的通天栈道。今天，我们就挑选一些人类历史上，最著名的重型运载火箭，简单地与大家分享。

前苏联/俄罗斯

前苏联给人留有一种刻板印象——又笨又粗糙，制造出来的火箭故障率偏高，但又不是不能用。然而这种印象是完全错误且片面的，如果说前苏联的火箭产品粗笨不可靠，那么，完全造不出这些所谓“粗笨且不可靠”火箭的，除了美国以外世界上的绝大多数国家，是不是都不行？

到现在，前苏联的遗产，如今俄罗斯主持制造和运营的“联盟号系列飞船”，几乎成了国际空间站唯一的客运飞船，也是国际空间站的主力补给货运飞船之一，就连NASA，暂时也不得不花重金购买联盟号的座位。



联盟号飞船，从90年代到神舟系列飞船服役之前，这是全世界唯一的载人飞船。也是目前，唯一能搭载人员往返国际空间站的飞船。

联盟号飞船由联盟号火箭或质子号火箭发射，这其中的质子号火箭，就是与如今的“胖五”，长征五号同一个级别的火箭。

01

功勋卓著——质子号火箭

质子号火箭（Proton，俄语：Протон，研制型号UR-500），是前苏联一种，非导弹衍生的，专门为航天任务设计的运载火箭，是俄罗斯在发射大型航天器时的主要运载工具之一。



质子-M火箭正在起竖

质子-M运载火箭高58.2米，最大直径7.4米，重约705吨（不同型号高度和重量有差别），有五种主要衍生型号，分别是二级型的Proton-D（即原版的UR-500），三级型的Proton-K，四级型的Proton-M以及Proton-K/D组级和Proton-K/DM组级。

质子号火箭是稍显落后的“毒箭”，也就是以偏二甲肼（C2H8N2）作为燃料，四氧化二氮作为氧化剂的传统运载火箭。其燃烧产物为氮气（N2）和水蒸汽（H2O）、二氧化碳（CO2），并不会产生任何大气污染，但如果因为操作失误或是突发情况造成燃料发生泄漏，就会上升为非常严重的污染事故。尽管肼类燃料有造成环境污染等诸多问题，但同时期，依然被很多火箭发动机（包括阿波罗飞船、航天飞机、中国的长征二号系列等）所采用，很大一部分原因归功于其能量密度高，成本相对较低且运输贮存相对方便。可谓“多美遮百丑”。



四氧化二氮分子结构

质子-K火箭，高50米，三级火箭共约618吨（不含载荷）。低地球轨道（LEO）运载能力为19.76吨，最高纪录为22.776吨。它于1967年首飞，服役至2013年完全退役。2013年3月30日的最后一次发射结束了这位英雄长达46年的“箭”旅生涯，共计发射310次，成功发射275次，成功率89%。



质子-K火箭发射瞬间

质子-M火箭，是质子号系列家族中较为年轻的，首飞于2001年4月7日。这款火箭在质子K的基础上，降低了结构重量，改进了发动机，提高了运载效率。其起飞质量约705吨，高度约58.2米，近地轨道运载能力也提高到了23吨。



质子-M火箭在哈萨克斯坦拜科努尔发射场

质子号火箭直到今年都还在服役，这可是一款1965年首飞的火箭，到今天已经有55岁高龄，使其成为了最为成功的重型火箭之一。2014年12月15日，质子号火箭完成了第400次发射。目前为止，已经发射了423次，其中失败共计34次。成功率算不上很高，目前正在渐渐走向退役。

2019年10月，俄罗斯赫鲁尼切夫机器制造公司宣布将制造最后11枚“质子”号运载火箭，完成这批生产后，俄罗斯将开始使用替代的新型“安加拉（Angara）”运载火箭。承载了无数荣光和功勋的质子号火箭，将正式退役。

02

拭目以待——安加拉火箭

前面已经提到，俄罗斯正准备用全新的安加拉（Angara）火箭来替代现有的质子号火箭。比起大名鼎鼎的老元勋质子号，中国的读者可能很少听说安加拉火箭。



Angara-A5(图源)

安加拉在设计之初，就包含了替代质子号的目的。原因简单而无奈——苏联解体了，原来生产质子号零部件的很多工厂，都位于现在的乌克兰境内；原本用于发射质子号的发射基地-拜科努尔太空城，则位于现在的哈萨克斯坦境内。哈萨克斯坦一直以来和俄罗斯关系不错，也许还能继续合作，但是乌克兰，现在和俄罗斯是剑拔弩张。

因此，新一代的运载火箭，最好是能全部由俄罗斯自己生产，在俄罗斯本土的发射场发射——这就催生了安加拉系列火箭。

安加拉火箭的第一级和第二级，都将使用液氧-煤油发动机，而第三级将使用液氢-液氧发动机，不过，其计划中的部分型号不会使用第三级火箭。相比质子号，毫无疑问是更加环保和安全的。

安加拉火箭将会是一个庞大的族系，LEO运载能力将会涵盖从2吨（Angara 1.1）到24.5吨（Angara A5），乃至于50吨（Angara A7.2B）的范围，有一种包揽未来俄罗斯所有发射任务的野心。



Angara系列中的1.1，A3，A5P，A5V，A7五种火箭的对比

奈何如今的大毛，科研能力退步严重，这枚火箭的设计计划最早可以追溯到1992年，但是直到2014年，即提出计划的22年之后，安加拉火箭才终于进行了第一次试飞，携带1.43吨的载荷，做了亚轨道（即抛物线）飞行试验。



2014年7月，安加拉火箭的芯级（Angara-1.2pp）第一次试飞前

目前为止，安加拉火箭只进行了两次试验飞行。除了上面说到的第一次实验，另一次，将2吨的载荷带入了地球同步轨道（GSO）。2014年Angara-a5首飞成功，但报道称，a5的发动机存在设计缺陷，首飞成功之后就再也没有任何发射消息了，即便官方多次宣称可能要进行二次发射，但毛子已经心有余力不足了。就目前来看，安加拉火箭的进度稍稍落后于长征五号，不知道在未来，二者能不能同台竞技。

03

  太空竞赛的悲歌——N1火箭

提起上世纪六七十年代，美苏两个超级大国之间轰轰烈烈的太空竞赛，总是不得不提起这段长达十八年竞赛的高潮部分——月球竞赛。月球竞赛的终局最终以美国的全面胜利而被历史记录，也直接让美国人锁定了太空竞赛的胜局。帮助美国人赢得月球竞赛的，就是超重型火箭——土星五号，这个我们稍后再讲。作为土星五号的竞争者，苏联的N1火箭，也是一款超重型火箭，但是却并没能像土星五号一样，在历史上留下浓墨重彩的一笔。



土星五号（左）与N1/L3火箭（右）对比，中间下方有一个非常微小的，作为参考的人

N1/L3火箭，是N1火箭为登月任务设计的衍生型号，实际上就是在N1的上面级搭载L3月球载荷的意思。火箭高度105.3米，直径17米，相当于大约35层楼高。发射重量2750吨，设计上可以将95吨的载荷送入LEO。



美国KH-8间谍卫星拍摄的N1火箭

跟N1火箭比起来，前面提到的长征5号、质子号、安加拉号，都是弟中弟。N1火箭的第一级，到目前为止，依旧是人类火箭历史上最强劲的一级火箭。然而，正是由于这个第一级设计过于复杂，因而可靠性不高，N1火箭的四次试射，都栽在了第一级故障上。N1设计之初就是为了与土星五号竞争，因此设计仓促，技术不稳定。第一级的燃料泵设计缺陷以及13个巨大的火箭发动机的均衡供应等问题，直接引起了四次严重的事故。其中的第二次，N1火箭在发射后不久，直接坠落回发射台，引发了人类历史上最剧烈的，非原子弹引起的爆炸之一。



N1火箭在发射台上

可以说，正是由于N1火箭的连续失利和最终取消，导致前苏联落后于美国的探月脚步，最终在月球竞赛中败北。反过来，这也足以体现重型运载火箭，对一个国家的航天事业是多么的重要。

美国

美国是一个奇特的国家，他们最辉煌的成就，都来自于举国体制，政府包办的时期，但是他们却总要想方设法否认举国体制，否认政府的力量。我们要介绍的，美国的两枚著名的重型运载火箭，就恰到好处地展现了这相互矛盾的两面。

01

举国体制，土星五号

土星五号是人类历史上最大，最重，运载能力最强的火箭，它主要承担了阿波罗计划的发射，将人类送上了月球。但凡提及重型火箭的文章，他是不可能缺席的，足以见其历史意义和重要性。而这篇文章的主题——摩天大厦飞上天，也正是来源于土星五号——它比自由女神像（93米）还高。



土星五号的发射

土星五号，高110.6米，直径10.1米，发射重量2970吨，能将140吨载荷送入LEO，人类历史上，无出其右者。



重型火箭的对比。其中，只有Energia（能源号），Falcon Heavy（重型猎鹰），N1以及土星5号（Saturn V）进行过实际试验或发射成功过

从1967年到1973年的7年间，一共建造了15枚土星五号火箭，而其中的13枚已经被用于执行任务。因其高昂的造价和发射成本（单次发射的成本达到1.8亿多美元，放到今天大约是12.3亿美元），形象地说——相当于每年有两支航母编队在肯尼迪太空中心腾空而起，化为无尽的光芒和火焰。

可见的是，土星五号实在是过于昂贵，就算是美国，也渐渐无以为继。在阿波罗任务结束以后，土星五号的传奇历史只能被划下圆圆的句号，它书写的辉煌历史一去不复返，而它的躯体只能静静地躺在美国博物馆留给后人观赏留念。

02

私营公司，重型猎鹰

对于关注人类航天事业的读者，对于太空探索公司（SpaceX）的重型猎鹰火箭（Falcon Heavy）都一定非常熟悉了。与土星五号截然相反的是，重型猎鹰并不属于任何一个政府部门——至少表面上是私营公司造出来的。



重型猎鹰在发射台上

重型猎鹰的设计风格，不再是冷战时期那种，要求极高的设计风格。毕竟美国和苏联，轻易不敢丢人，相对于政府机构某个计划的失败与否，对于私人公司SpaceX来说则不需顾及太多自己的颜面问题。三天炸一艘飞船，两天掉一支火箭，乃至于自家的货运飞船在国际空间站上被检查出来甲醛超标——那都不是事儿，再大的失败，都因为能力不足而可以原谅；再小的成功，都因为能力不足而格外辉煌。因此重型猎鹰的策略就是，画最酷炫的设计图，装最轻盈的结构件，用最便宜的计算机，堆最熟悉的发动机，发射一枚又便宜、又强劲的火箭——他们也非常优秀地做到了。



重型猎鹰的第一次发射任务

重型猎鹰高70米，芯一级是一枚猎鹰9（Falcon-9）火箭的一级，而两侧捆绑了另外两枚猎鹰9火箭，作为助推器，每一枚猎鹰9的直径是3.66米。发射重量1420吨，能将63吨的载荷送入LEO，是目前人类运载能力最强的火箭，也是仅次于土星五号，人类有史以来，曾进入地球轨道的，运载力量第二强的火箭。

此外，芯一级、两个助推器级，在设计上都是可以回收复用的，以此进一步降低成本。



2019年6月25日，重型猎鹰的第三次发射，两枚助推器是重复使用过的

我们前面说到，N1火箭由于其芯级具有数量较多的火箭发动机，导致整个动力系统太过复杂，频频出错。而重型猎鹰的芯一级和助推级，总共足足有27个火箭发动机，并且同时点火工作。在出现错误时，发动机还会智能调节推力，避免推力失衡，或者在有需要的时候，选择性地开启或关闭特定数量的发动机，以使得火箭可以稳稳地着陆在预定的着陆场——这展现了美国强大的电子工业和自动控制水平。



重型猎鹰点火瞬间，27台梅林1D火箭发动机喷射着光焰

可以说，重型猎鹰用到的发动机不算先进，火箭的结构设计也不算先进，可重复使用火箭的理念也不算先进——但是能将这一切结合起来并获得成功，是非常值得赞叹的，也是值得我们学习的。

中国

这几天对长征五号的报道不少，大家对于它应该是比较熟悉的了。从前文的描述我们也可以看出来，我们距离世界最先进水平，尤其是美国，还是有不小的差距。长征5号能将22吨载荷送入LEO，确实不少，但却赶不上重型猎鹰、更远远比不上土星五号。



长征5号大，但是还不够大

然而，我国人民近100年来，素来信奉“大就是美，多就是好”的简单哲学信条，不管是工业，还是农业，皆以其为指导方针。那么在航天事业中，怎么可能不想搞出一款举世无双的大火箭来？

那就是在规划之中的长征9号了。



长征5号，长征FH（长征9号的另一种构型），长征9号的结构对比

长征九号目前还在研制中，相关的火箭发动机、结构件、控制系统乃至于外形，都还在紧锣密鼓地进行测试，没有完全确定。目前，官方给出的首飞节点，定在2030年，并将成为载人月球着陆器的发射载具。也就是说，我们可能还需要10年，才能看到长征9号的磅礴身姿。

就目前透露的设计参数来说，长征9号将能运载140吨载荷进入LEO，或运送50吨载荷进入月球转移轨道，抑或是运送44吨载荷进入火星转移轨道。起飞质量大约4137吨，全长约100米。



长征九号大小参考

长征9号采用“三级半”结构，即芯级共三级，再捆绑一组助推器。芯一级直径大约10米，采用4台480吨级的液氧煤油高压补燃火箭发动机，可能是YF-480。助推器级可能各有两台YF480。最终加起来，起飞推力大约是5873吨（57600千牛）。想想看，这相当于我国的052B型驱逐舰的满载排水量——换句话说，这个推力，可以把一艘驱逐舰，原地举起。



052B型驱逐舰，169武汉号

长征9号芯二级采用2台220吨级液氢液氧高压补燃发动机，直径从10米（液氢箱）过渡到7.5米（液氧箱），芯三级采用4台25吨级的膨胀循环液氢液氧发动机。如果设计能够实现，那么，长征9号将会取得和土星5号相仿的运载能力。虽然从运载效率上，落后于土星5号（起飞重量2970吨，LEO运力同样是140吨），但是首先解决了有无问题，才能考虑解决好坏问题。



长征九号与土星五号对比，以长征三号乙作为参照

如今，长征九号芯一级的火箭发动机，已经进行了第一次试车，也许不久后会有更多的捷报传来——但真正投入使用，还是10年后的事情。要想见到属于我们自己的，100米的高楼“一飞冲天”，还需要耐心等待。

所以现在，让我们为长征五号和新型载人飞船的凯旋而欢呼！为中国航天事业发展迈出重要的一步而欢呼！



2020年5月8日13时49分，我国新一代载人飞船试验船返回舱，在东风着陆场预定区域成功着陆，试验取得圆满成功

美编：黄紫薇

校对：张腾飞