大火箭：研制艱難成功不易

大家可否知道，為何各國(guó)要爭(zhēng)相研制“大火箭”？研制一枚“大火箭”到底有多難？

“出生”艱難

各國(guó)大型運(yùn)載火箭并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，按照美國(guó)的定義，大型運(yùn)載火箭一般指近地軌道運(yùn)力在20～50t之間的火箭，包括美國(guó)的德?tīng)査?4火箭、俄羅斯的質(zhì)子-M火箭和歐空局的阿里安-5火箭。

美國(guó)德?tīng)査?4火箭|

如果略微放寬標(biāo)準(zhǔn)的話，運(yùn)力稍弱的美國(guó)宇宙神-5和日本的H-2B火箭也可列入其中。大型運(yùn)載火箭的性能和技術(shù)要求極高，研制難度非常大。

日本的H-2B火箭發(fā)射|

美國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)水平較高，宇宙神-5和德?tīng)査?4的研制看上去也比較順利，卻殊不知，宇宙神-5火箭引進(jìn)的是俄羅斯的RD-180大推力液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。

美國(guó)宇宙神-5火箭|

而立足國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的德?tīng)査?4火箭，由于RS-68液氧/液氫發(fā)動(dòng)機(jī)研制、性能和使用中的問(wèn)題，通用化和模塊化受到了很大限制，直到服役10年后才逐漸實(shí)現(xiàn)徹底的通用化。

RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)硬件測(cè)試|

歐洲的阿里安-5火箭是現(xiàn)在商業(yè)上最成功的運(yùn)載火箭之一，它的研制過(guò)程也不簡(jiǎn)單，從1987年正式立項(xiàng)到1996年首次發(fā)射，花費(fèi)了約9年的時(shí)間和巨額投資。

阿里安-5火箭發(fā)射|

有別于阿里安-1到阿里安-4基本技術(shù)的一脈相承，阿里安-5使用了大推力的固體助推器、全新的火神系列大推力液氧/液氫發(fā)動(dòng)機(jī)，5.4米的大直徑液氧/液氫芯級(jí)。龐大的芯級(jí)不僅使用共底儲(chǔ)箱設(shè)計(jì)，還使用了先進(jìn)的超臨界氦增壓技術(shù)。

阿里安系列火箭|

與之情況類似的是俄羅斯的質(zhì)子-M火箭，它使用了先進(jìn)的大推力分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，用傳統(tǒng)的偏二甲肼/四氧化二氮推進(jìn)劑實(shí)現(xiàn)了很高的性能，這在當(dāng)時(shí)是很“洋氣”的做法。高大上的技術(shù)水平也帶來(lái)巨大的研制難度，在冷戰(zhàn)高峰期,它花費(fèi)了7年時(shí)間才完成研制。

質(zhì)子-M火箭|

“成長(zhǎng)”不易

大型火箭為了實(shí)現(xiàn)巨大的運(yùn)載能力，不僅要使用各種先進(jìn)技術(shù)提高運(yùn)載系數(shù)，還具有自身體積和重量大的特點(diǎn)。所以，大型運(yùn)載火箭的研制規(guī)模和難度都遠(yuǎn)超中小型運(yùn)載火箭。

質(zhì)子-M火箭發(fā)射|

火箭復(fù)雜度的提高，意味著可靠性的下降，為了實(shí)現(xiàn)同樣的成功率，大型運(yùn)載火箭要付出更大的努力。縱觀世界大型運(yùn)載火箭的發(fā)射記錄，發(fā)射失敗屢見(jiàn)不鮮。

美國(guó)的宇宙神-5和德?tīng)査?4火箭可靠性設(shè)計(jì)水平比較高，但部分失敗也不罕見(jiàn)。例如，宇宙神-5火箭曾出現(xiàn)半人馬座上面級(jí)提前關(guān)機(jī)，2顆國(guó)家偵察局的機(jī)密衛(wèi)星不得不耗用自己的推進(jìn)劑進(jìn)入預(yù)定軌道。

半人馬座上面級(jí)在軌飛行模擬圖|

德?tīng)査?4火箭也沒(méi)有幸運(yùn)多少，它在首次發(fā)射時(shí)，因?yàn)檫\(yùn)載的衛(wèi)星高度低于預(yù)期而以“部分失敗”告終。

德?tīng)査?4火箭發(fā)射|

歐空局的基本型號(hào)阿里安-5G首次和第二次發(fā)射都以失敗告終。兩次慘敗后，歐空局進(jìn)行了改進(jìn)升級(jí)，提高了火箭的可靠性和性能，才連續(xù)取得6次成功。后來(lái)，又發(fā)生了幾次事故，發(fā)射以失敗告終。

阿里安-5G火箭曾經(jīng)歷多次失敗|

阿里安-5火箭雖然有這些慘痛的經(jīng)歷，但此后一路平安，現(xiàn)在還是國(guó)際商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)的中流砥柱。

俄羅斯的大型火箭質(zhì)子號(hào)在早期的發(fā)射中，失敗成了“家常便飯”。雖然“質(zhì)子號(hào)”仍然是俄羅斯大型火箭的頂梁柱，也是競(jìng)爭(zhēng)國(guó)際商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)的主力，但它現(xiàn)在居高不下的失敗率也是個(gè)傷腦筋的問(wèn)題。

質(zhì)子號(hào)火箭發(fā)射失敗|

從這些現(xiàn)役大型火箭的實(shí)際情況來(lái)看，大型火箭的連續(xù)發(fā)射成功，絕不是一件簡(jiǎn)單的事情。

為了人類走得更遠(yuǎn)

為什么各國(guó)運(yùn)載火箭的“塊頭”越造越大呢？

大型火箭的研發(fā)制造雖然耗資巨大，但運(yùn)力充足，它在運(yùn)載火箭中有著不可替代的獨(dú)特作用，更是成為航天強(qiáng)國(guó)的標(biāo)志。

大型運(yùn)載火箭強(qiáng)大的運(yùn)力源自進(jìn)行深空無(wú)人和有人探測(cè)的需求。比如，美國(guó)的好奇號(hào)火星車就是由宇宙神-5火箭發(fā)射的。歐空局用阿里安-5火箭發(fā)射的羅塞塔號(hào)彗星探測(cè)器，為人類探索太空作出了很大的貢獻(xiàn)。

羅塞塔號(hào)彗星探測(cè)器模擬圖|

在人類走向更遠(yuǎn)的深空的過(guò)程中，火箭需要足夠的燃料不斷前進(jìn)。人類想在太空中生存，就必須帶上大量食物、水和其他的必須物品，以及各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備。這些都需要“大塊頭”的火箭來(lái)完成。

參考文獻(xiàn)/《飛天科普周刊》