旧路坎坷，重型火箭新技术路在何方_风闻

作者：兰顺正首发自：中国航天报

编辑近日有消息称，美国太空发射系统重型火箭（SLS）测试不顺利，预计首次发射将延期到8月。之前随着航天飞机退役、星座计划“战神”运载器下马，美国载人航天一度只能依赖外界满足往返空间站的需求，为此在2011年美国宇航局（NASA）推出了新的重型运载器“太空发射系统（Space Launch System，SLS）” ，在计划中该型太空发射系统与土星五号非常相近，号称史上最强运载火箭系统，最终的运载能力将达到143吨，甚至有可能达到165吨。不过也一直有观点认为，SLS是保守过时的产物，因为该系统是一种从航天飞机演变而来的重型运载火箭，在初步设计中航天飞机主发动机和航天飞机固态助推器都会被作为计划的一部分。而此番SLS发射推迟的消息，一方面再次加深了各界对于其“老旧”的焦虑，另一方面也让各种新式运载火箭技术再次受到关注。

多发动机并联技术

前苏联N1火箭可谓是多发动机并联技术的先行者，由于当时的前苏联没有大推力火箭发动机，为了与美国的土星V号竞争，N1火箭采用五级的构型方案，火箭各级均使用液氧煤油推进剂。一子级箭体使用30台 NK-33 发动机捆绑组成，二子级、三子级、四子级和五子级箭体分别使用了8台、4台、1台、1台液氧煤油发动机，按计划N1起飞质量为3080吨，起飞推力达4620吨，近地轨道运载能力约为100吨。但N1火箭的4次飞行试验全部都以失败告终，导致苏联终止了该型火箭的研制，并取消了载人登月计划。在之后很长一段时间，航天界普遍认为发动机数量过多会导致箭体零件数量的飙升，一旦出现单个零件失效很可能会导致一连串连锁反应和发射任务的失败，所以运载火箭一级发动机的并联数量最好不要超过10台，而多发动机并联技术也被打入了“冷宫”。

但是近年来，随着主控计算能力和反应速度相比于 N1火箭研发时期提升了至少一个数量级，再加上火箭发动机可靠性也大大增加，多发动机并联的稳定性有了极大的提升，也开始焕发新的活力。以SpaceX的重型猎鹰为例，该火箭一级采用27台梅林-1D发动机并联，芯级直径3.7米，近地轨道运载能力达到63.8 吨，地球同步轨道运载能力为26.7吨，起飞质量1420.8吨，起飞推力2280吨。重型猎鹰在发射之前坊间一度非议颇多，但其首发就完成了火箭全面测试，而第二次发射迈入了商业航天发射领域，第三次发射则拿到了至关重要的军用载荷发射。重型猎鹰的成功，代表着相关技术已经成熟，多发并联可靠性差的“帽子”也终于被摘掉了，

子级重复使用技术

高昂的发射成本一直是各国探索太空的“拦路虎”。据统计，小型运载火箭发射一次大约需要2000～3000万美元；中型运载火箭发射一次大约需要6000～15000万美元；大型运载火箭发射一次大约需要2亿美元以上。航天飞机虽可以部分重复使用但是其运输费用也颇为不菲，这也是美国将所有的航天飞机退役的重要原因之一。为了降低发射成本，各国设想了很多方法，其中比较有前途的就包括可重复使用子级。在这一方面，SpaceX的“猎鹰”9号火箭早已实现将有效载荷送入轨道以后第一级垂直降落到地面和海上平台的常态化运营。

其具体过程为：在一级火箭分离之后，地面会通过冷气体推进器对火箭的姿态进行调整，使火箭的底部能朝向地面；接下来部分主发动机重新点火工作，实施所谓的“回推”机动，推动火箭飞向预定降落点；之后部分主发动机要再次点火工作，实施“再入”机动，进一步降低速度；在最终的下降飞行过程中，在展开4条着陆支腿的同时，火箭最中央的一台发动机会点火工作，实施“降落”机动，引导火箭落在着陆平台上，一级顶部安装的可活动格栅翼则用于帮助保证气动安定性。

海基发射技术

顾名思义，海基发射就是从各种海洋平台进行航天发射活动。海基发射的方式主要有水下发射、水上舰船发射和海上移动式平台发射，目前比较成熟的是海上移动式平台发射。相比于陆基发射，海基发射具有以下优点：

1 可有效降低发射成本。海射平台一般具有机动能力，所以能够在最为合适的地点进行发射，地球自转在赤道上达到最大的旋转速度（465.1米/秒），在此发射能得到额外的发射速度增量。由于消除了地球静止轨道零度倾角需要的轨道平面变化，运载能力得到了显著的提升。同样的火箭从北纬28.5度的卡纳维拉尔角发射，能达到地球静止轨道的载荷将减少15%-20%。而中国即使是最南端的文昌航天发射场也在北纬19度。所以海射尤其适合那些5度甚至更小倾角的发射任务。

2 可以减小风险。海射可以避开人口稠密区，减少航天发射可能带来的风险，同时与民航航线产生的冲突较少，往往无需提前“净空”。

3 发射角度全面。海射的火箭残骸可以全部落于海上，不必为了躲避地面居民区而限制火箭发射方位角，可以实现任意轨道倾角发射。

之前世界上唯一提供海基发射服务的公司是由美国、俄罗斯、挪威、乌克兰4国1995年联合成立的“海射”公司，1998年7月其海上移动式发射设施建成下水，并在1999年3月发射了首枚火箭。该公司主要由波音公司管理，其它股东共同运营。而中国近年来在该领域已经迎头赶上，2022年4月30日长征十一号运载火箭在中国海域完成“一箭五星”海上发射任务，而作为中国唯一的海上发射技术服务港，山东海阳东方航天港至此已完成3次海上火箭发射保障任务。据报道，目前东方航天港已具备年产20发固体运载火箭总装测试能力和海上发射支持保障能力，为中国进入高频次、常态化的海上发射时代提供了坚实的基础。