運(yùn)載火箭是一種由多級火箭組成的航天運(yùn)輸工具，它依據(jù)反作用原理，利用火箭發(fā)動機(jī)，將人造衛(wèi)星、載人飛船、空間站或深空探測器等有效載荷送入太空。在運(yùn)載火箭中：
火箭發(fā)動機(jī)→動力保證
推進(jìn)劑→燃燒物質(zhì)保證
此外還包括控制系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、載荷艙、分離機(jī)構(gòu)、安全系統(tǒng)等。它必須能達(dá)到第一或第二宇宙速度，同時要具備一定的發(fā)射及入軌精度。
如果將運(yùn)載火箭按照運(yùn)載能力大小進(jìn)行分類，分為小型、中型、大型和重型（超重型）運(yùn)載火箭。目前，這種分類方法尚無統(tǒng)一的量化標(biāo)準(zhǔn)。在我國航天界，一般將起飛重量大于2000噸、近地軌道運(yùn)載能力在100噸級的運(yùn)載火箭及其衍生構(gòu)型均稱為重型運(yùn)載火箭。
重型運(yùn)載火箭屬國之重器，能夠體現(xiàn)一個國家的綜合實力。它的研制能夠推動科學(xué)技術(shù)進(jìn)步、帶動基礎(chǔ)能力提升、培養(yǎng)科技人才隊伍。
世界上曾經(jīng)飛行過的重型運(yùn)載火箭包括美國的土星5號，蘇聯(lián)的N-1、能源號運(yùn)載火箭，正在研制的有美國的太空發(fā)射系統(tǒng)SLS（Space Launch System）運(yùn)載火箭，這些運(yùn)載火箭主要應(yīng)用于大規(guī)模深空探索任務(wù)或近地軌道大型有效載荷的運(yùn)輸任務(wù)。伴隨著這些“巨無霸”運(yùn)載器的輝煌與挫折，人類大幅拓展著進(jìn)入太空的能力，給我們留下了寶貴的遺產(chǎn)。
網(wǎng)友繪制的不同型號運(yùn)載火箭對比
從國外重型火箭發(fā)展歷程來看，對重型火箭的需求首先是政治需求，體現(xiàn)綜合國力，振奮民族精神，樹立民族信心，增強(qiáng)凝聚力；其次是科學(xué)技術(shù)發(fā)展需求，包括軍事、民用等諸多方面。國內(nèi)對重型火箭的需求研究由來已久。目前，重型火箭的需求主要集中在三個方面：
一是戰(zhàn)略需求，即國家安全需要、航天發(fā)展需要和航天強(qiáng)國建設(shè)需要；
二是應(yīng)用需求，即載人月球探測、深空探測、大型軌道設(shè)施等；
三是技術(shù)發(fā)展需求，即提升火箭動力、結(jié)構(gòu)等設(shè)計、制造水平，促進(jìn)我國從航天大國向航天強(qiáng)國邁進(jìn)。
土星5號運(yùn)載火箭是在人類歷史上使用過的最高、最重、運(yùn)載能力最強(qiáng)的運(yùn)載火箭，在人類航天史上留下了輝煌的戰(zhàn)績。土星5號在1967年至1973年間NASA共發(fā)射了13枚土星5號火箭，其最后一次發(fā)射是將天空實驗室的空間站直接送入太空。
相比于土星五號，N-1運(yùn)載火箭則是蘇聯(lián)航天人心中永遠(yuǎn)的一道傷痕。N-1是蘇聯(lián)研發(fā)的登月火箭，研發(fā)工作比土星五號晚，而且在資金短缺、未進(jìn)行測試的情況下，四次發(fā)射試驗都遭遇滑鐵盧。種種的技術(shù)失誤，以及缺乏資金支持，N-1從未經(jīng)過嚴(yán)格的出廠測試，甚至N-1每次爆炸都在一二級分離之前。計劃的12次試飛也因前4次徹底失敗而提前告終。
N1火箭轉(zhuǎn)場
N-1屢次失敗粉碎了蘇聯(lián)人的登月之夢，登月計劃取消后，蘇聯(lián)繼續(xù)N-1F研發(fā)，希望這款火箭今后能用于發(fā)射一個類似美國天空實驗室的大型太空站。但是研究還是在1974年宣告終止，盡管當(dāng)時兩枚N-1F已經(jīng)做好了發(fā)射準(zhǔn)備。
1974年，蘇聯(lián)開始了對新火箭的方案論證工作。正如NASA用航天飛機(jī)取代土星5號的計劃，蘇聯(lián)的能源科研生產(chǎn)聯(lián)合體提出了祝融星計劃（Vulkan），計劃設(shè)計一種以質(zhì)子號運(yùn)載火箭為基礎(chǔ)，使用與質(zhì)子號相同燃料、比質(zhì)子號更大、推力更強(qiáng)的、采用模塊化設(shè)計的火箭。
1987年5月15日，能源號重型運(yùn)載火箭首次從哈薩克斯坦的丘拉坦發(fā)射場發(fā)射試飛成功。能源號是一種兩級運(yùn)載火箭，總長度為60米，芯級直徑約為8米。總發(fā)射質(zhì)量約為1960噸（最小估計值），總發(fā)射推力為2940噸。推重比大致與美國航天飛機(jī)相當(dāng)。能源號能將270噸載荷送到低地軌道、32噸載荷送到月球或27噸載荷送到火星和金星。
新“能源”火箭——俄羅斯國家航天事務(wù)集團(tuán)表示將以曾經(jīng)可與“土星5號”媲美的蘇聯(lián)“能源”火箭技術(shù)為基礎(chǔ)，改進(jìn)“格魯什科”科學(xué)生產(chǎn)公司制造的RD-171型火箭發(fā)動機(jī)，在未來5至7年研制出近地軌道運(yùn)載能力達(dá)160噸的超重型運(yùn)載火箭，用于探索月球及其他天體的任務(wù)。
NASA在2010年開始研發(fā)太空發(fā)射系統(tǒng)（簡稱SLS），SLS火箭系統(tǒng)在完成之后將成為有史以來最強(qiáng)大的火箭，當(dāng)然也包含目前的獵鷹重型火箭在內(nèi)。NASA正對退役航天飛機(jī)的RS-25引擎進(jìn)行升級，來為SLS火箭提供動力。不過相比于獵鷹重型火箭，SLS火箭是無法回收的，這就會給未來的發(fā)射成本帶來影響。
SLS太空發(fā)射系統(tǒng)
SLS火箭發(fā)射系統(tǒng)未來的任務(wù)預(yù)計將對月球、火星甚至更遙遠(yuǎn)的星球表面進(jìn)行探索。目前火箭及“獵戶座”飛船的無人首飛——“探索任務(wù)-1”（EM-1）將推遲到最早2020年年中，載人飛行任務(wù)——“探索任務(wù)-2”（EM-2）將推遲到2022年年中。雖然發(fā)射時間多次推遲，但是當(dāng)SLS火箭系統(tǒng)真正完成它的處女航時，它將引領(lǐng)一個全新的太空時代，而且也將確保NASA在航天領(lǐng)域一直以來的領(lǐng)導(dǎo)地位。
長征五號
2016年11月3日，全新研制的新一代大型運(yùn)載火箭長征五號（CZ-5）在中國海南文昌航天發(fā)射場托舉著遠(yuǎn)征二號上面級和實踐十七號衛(wèi)星（SJ-17），經(jīng)過約1821秒的飛行成功進(jìn)入預(yù)定軌道，首飛取得圓滿成功。
長征五號運(yùn)載火箭的首飛成功標(biāo)志著中國從此進(jìn)入了擁有大型運(yùn)載火箭的國家行列。而規(guī)劃論證中的重型運(yùn)載火箭（代號長征九號，CZ-9）是我國建設(shè)航天強(qiáng)國的重要標(biāo)志，是實現(xiàn)“兩個一百年”發(fā)展目標(biāo)中的重大科技創(chuàng)新活動，也可能是我國化學(xué)推進(jìn)最大能力的終極火箭型號。
長征九號效果圖
經(jīng)過近10年的論證，我國重型運(yùn)載火箭的總體方案已經(jīng)基本收斂，該總體方案已獲得國家國防科工局等上級單位認(rèn)可，進(jìn)入關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、方案深化論證及方案設(shè)計階段，并取得了以10米級直徑整體鍛環(huán)、500噸級推力液氧煤油發(fā)動機(jī)渦輪泵與發(fā)生器聯(lián)試、3米直徑分段裝藥固體發(fā)動機(jī)試驗成功為代表的階段性成果，為后續(xù)工程研制奠定了初步基礎(chǔ)。
托舉CZ-9的三型新液體火箭發(fā)動機(jī)分別為500噸級液氧煤油發(fā)動機(jī)、200噸級和25噸級液氧液氫發(fā)動機(jī)，分別用作重型火箭的一級、二級和三級。三型發(fā)動機(jī)在推力、比沖、推重比等方面均瞄準(zhǔn)國際一流水平。
從目前的120噸級發(fā)動機(jī)跨越到500噸級發(fā)動機(jī)，并非簡單的放大，而是技術(shù)難度呈現(xiàn)幾何級增長。例如，推力量級提高，讓燃燒裝置的流量、壓力和熱流大幅提高，對結(jié)構(gòu)設(shè)計，熱防護(hù)以及熱傳導(dǎo)技術(shù)等帶來了極大挑戰(zhàn)，同時給材料強(qiáng)度、密封工藝和工作可靠性等提出了極高要求。此外，由于推力量級提升帶來的參數(shù)變化極大，目前的試驗驗證設(shè)施無法完全滿足研制需求，無法全部開展1:1的全工況試驗驗證，因而有些技術(shù)和產(chǎn)品只能進(jìn)行仿真和縮比驗證，這給項目攻關(guān)帶來了很大難度。
未來的火星任務(wù)
長征九號是新一代重型火箭，其地面推力達(dá)到3000噸以上、近地運(yùn)載能力100噸以上，起飛推力和近地運(yùn)載能力兩項指標(biāo)都超過了太空探索公司的獵鷹重型火箭，而大推力、單臺泵的發(fā)動機(jī)布局，大大提升了火箭的可靠性。未來，我國還將研制推力更大的重型火箭，可以滿足我國未來載人登月、火星探測和后續(xù)深空探測需求。
文/錢 航
編輯/楊若凡
