[美俄运载火箭之路] 运载火箭

　　航天运载或航天发射技术是进入外层空间的基础，是航天科技工业的核心技术，也是一个国家航天能力的重要标志。由于航天运载能力的发展在各国的政治、军事、科技、经济等方面具有重要的作用和影响，在二战后半个多世纪的历程中，美国和俄罗斯/苏联的航天运载器技术大致经过了早期的运载火箭第一次迅速发展、重复使用的航天飞机的兴起与黯淡，以及一次性使用运载火箭的又一次发展。现在，美国、俄罗斯两大航天强国不仅分别保持着诸多型号构成的大型、中型、小型运载火箭系列，而且仍然位于世界航天运载领域的领先地位。美国应用了全球航天发射能力最强的运载火箭和航天飞机，俄罗斯/苏联的航天发射总体次数在世界绝对领先。随着美国在2005年和2009年先后提出载人重返月球计划和载人深空探索计划，未来的航天运载器技术在向重复使用的运载火箭方向发展。
　　
　　从发射卫星到飞向月球
　　
　　20世纪50年代后期到70年代初，苏联和美国从改进弹道导弹技术起步，先后成功研制、发射了最早的航天运载火箭，并以发射各种卫星、载人飞船、星际探测器和空间站等不同航天发射任务的需求为牵引，发展了各自的多个运载火箭系列。
　　这一时期苏美两国发展运载火箭的途径，主要是利用刚刚研制成功的弹道导弹改进成运载火箭，如苏联的“东方”、“宇宙”和“旋风”系列和美国的“德尔它”、“侦察兵”、“宇宙神”系列，都是直接应用中程和洲际弹道导弹技术；而提高火箭运载的能力，一是通过捆绑助推器来增大起飞推力，二是增加火箭级数，使火箭在发射过程中一级、一级地减少自身质量并不断提高飞行速度、获得更大发射能量，而且大多数运载火箭型号都是小型或中型运载火箭。到60年代中后期，苏美两国都为发射大型有效载荷研制并成功应用了非弹道导弹衍生的专用运载火箭。这10多年间的标志性型号，是苏联发射的世界上第一枚“卫星”号火箭和美国为载人登月研制的“土星”-5火箭；“卫星”号还是中小型火箭，低地轨道运载能力仅1 300多千克；而“土星”-5火箭已是低地轨道运载能力近130吨的重型运载火箭了。在最初的前10年，是苏联的火箭在书写航天发射的多项世界第一，而从60年代末期起，美国的运载火箭技术开始后来居上。
　　
　　基于弹道导弹的早期运载火箭
　　1957年10月4日，苏联的“卫星”号运载火箭第一次将人造卫星送入地球轨道，开启了人类的航天时代。“卫星”号是由几个月前刚试验成功的P-7（北约称为SS-6）洲际弹道导弹改进而成，是世界上第一种运载火箭。该计划开始于1956年，由谢尔盖·科罗廖夫领导的设计局负责。“卫星”号火箭的低地轨道运载能力约1 300千克，所发射的第一颗卫星质量仅83.6千克，但到1958年该型火箭发射的第三颗卫星质量已达1 327千克。
　　当时运载火箭是美、苏两国争夺航天技术及政治、军事优势的产物，在激烈竞争的形势下，不仅“卫星”号运载火箭的研制进展很快，而且在以后短短几年间，以“卫星”号火箭为基础，苏联又相继研制了世界上第一种月球探测器火箭“月球”号、发射了世界上第一种载人飞船火箭“东方”号，并在“东方”号的基础上发展了“上升”号、“联盟”号、“进步”号和“闪电”号等运载火箭型号，并由此形成了航天史上第一个航天运载火箭系列——“东方”系列。其中，“上升”号、“联盟”号、“进步”号和“闪电”号又构成了“联盟”运载火箭子系列，使“东方”系列的运载火箭一直沿用到现在，成为世界上发射次数最多的运载火箭系列。
　　以后，苏联又以P-12（SS-4）与P-14（SS-5）中程弹道导弹和P-36（SS-9）第二代洲际弹道导弹的技术为基础，分别发展了“宇宙”系列和“旋风”系列运载火箭。其中，“宇宙”系列的“宇宙”-1和“宇宙”-2火箭主要用于发射“宇宙”系列卫星。而“旋风”系列的“旋风”-2和“旋风”-3火箭具有快速灵活反应能力，不仅用于发射电子侦察、海洋监视、测地和气象等军用卫星，还用于发射反卫星卫星。“旋风”-3是苏联的第一种采用全自动发射技术的三级运载火箭，低地轨道运载能力达到4 000千克，具有“一箭六星”发射能力，主要用于发射军用卫星，并逐步取代了“东方”号和“宇宙”-2运载火箭。
　　与苏联相似，美国也是利用从弹道导弹改进的“丘比特”-C（改名“丘诺”-1）运载火箭，于1958年2月1日，成功发射了“探险者”-1卫星。到1960年，美国又用已有的中程或洲际弹道导弹，先后改进发展了“雷神-德尔它”（后简称“德尔它”）、“侦察兵”、“宇宙神”、“大力神”等几种不同用途的中小型运载火箭系列。与苏联的运载火箭都使用液体火箭发动机不同，美国在发展运载火箭的初期就开始使用固体火箭发动机，包括助推器和上面级。但美国航天运载技术的初期发展，在卫星、载人飞船、空间探测器和空间站的发射上一直落后于苏联一步。
　　从“雷神”中程弹道导弹发展起来的“德尔它”运载火箭，从早期的小型火箭逐渐发展为以后的大中型火箭，至今已有40多个改型，是世界上改型最多、改进最快的运载火箭系列。“宇宙神”和“大力神”运载火箭则分别基于“宇宙神”和“大力神”-2洲际弹道导弹的技术，并与“德尔它”系列类似，都从小型运载火箭快速提升为中型运载火箭。但在上世纪70年代初到80年代末，美国的运载火箭受航天飞机的研制与应用的影响，生产与使用逐渐减少、性能提高与改进型发展趋于平缓。直到90年代初，“德尔它”、“宇宙神”和“大力神”三个运载火箭系列才又重新快速发展。
　　
　　捆绑助推与多级推进
　　早期的运载火箭，因所利用的弹道导弹的发动机推力较小，为满足发射有效载荷所需的运载能力和进一步提高运载能力，不少型号都采用多个捆绑助推器加大起飞推力或增加多个上面级以形成多级推进。苏联的“卫星”号火箭为1级半结构，其芯级为 RD-108液氧/煤油4燃烧室发动机，海平面推力只有722千牛，因而捆绑了4个RD-107液氧/煤油4燃烧室发动机助推器，每一助推器的海平面推力为821千牛，比芯级发动机的推力还大。火箭发射时，芯级发动机和4个助推器的20个燃烧室同时点火工作，使火箭的起飞推力达到3 904千牛。由于助推器倾斜地捆绑在芯级上，使全长29.17米的“卫星”号火箭的底部最大直径达10.3米，因此有一个不同于其他型号独特的小长径比的外形。在美国的早期运载火箭中，“丘比特”、“雷神”、“德尔它”等没有采用捆绑助推器的型号，起飞推力一般不到800千牛；虽然都采用了多级推进结构，但运载能力明显低于“卫星”号火箭。
　　在“德尔它”系列运载火箭的40多个改型中，最初的4个型号没使用捆绑助推器，其他的约40个型号分别使用3~9个捆绑助推器，其中至少21个型号使用9个捆绑助推器。早期没使用捆绑助推器的型号中，“德尔它”-C是运载能力最大的三级推进火箭，低地轨道（370千米）运载能力仅为407千克；而该系列中第一个在一级捆绑9个“卡斯托”-2固体助推器的“德尔它”-900，虽然比“德尔它”-C少一级上面级，但其起飞推力是“德尔它”-C的283%，同样低地轨道运载能力可达1 723千克，是“德尔它”-C的4倍多。
　　由著名火箭专家冯·布劳恩主持研制的“丘比特”-C运载火箭，第一级采用了“红石”中程弹道导弹发动机的改进型，使用液氧/乙醇推进剂，起飞推力仅347千牛。因而该火箭采用4级推进结构，全长21.2 米，而直径只有1.78 米；第二、三、四级均采用美国喷气推进实验室研制的“中士”固体发动机，第二级为11个发动机群组、第三级为3个发动机群组、第四级为1个发动机。作为美国最初的运载火箭，“丘比特”-C的低地轨道运载能力只有约20千克。
　　“质子”号火箭是苏联第一种专为发射地球同步卫星和大型空间结构而研制的非弹道导弹衍生的运载火箭。为满足不断提高的运载能力需求，该型号一方面研制了大推力发动机，一方面也通过增加上面级，先后研制了二级推进的“质子”-D、三级推进的“质子”-K和四级推进的“质子”-K/D等火箭，使“质子”系列火箭的运载能力不断提高。在1987年“能源”号研制成功之前，“质子”-K/D是苏联运载能力最大的大型运载火箭。两级推进的“质子”-D火箭的低地轨道运载能力达到12 250千克，是“卫星”号火箭运载能力的9倍多。该火箭于1965年7月至1966年7月成功发射了3颗“质子”号卫星。
　　在“质子”-D上增加了第三级的“质子”-K火箭，其低地轨道运载能力提高到19 760千克，主要用于发射苏联的“礼炮”-1～5号、-6~7号和“和平”号三代空间站的各舱段，是世界上第一种发射空间站用的运载火箭。以后俄罗斯为国际空间站制造的大型舱段也由“质子”系列火箭发射。在“质子”-K上再加一个上面级，就构成运载能力更强的“质子”-K/D或“质子”-K/DM火箭，其地球静止轨道运载能力为1 880千克到2 200千克，主要用于发射各类大型星际探测器，如月球探测器-15~24、金星探测器-9～16、火星探测器-2～7等；还用于发射地球静止轨道卫星。此外，“质子”火箭还具有“一箭三星”能力，用于发射苏联的全球导航卫星。
　　美国为了实现“阿波罗”载人登月计划，在冯·布劳恩主持下研制了“土星”系列运载火箭。1967年问世的“土星”-5火箭，是人类历史上投入使用过的最高、最重、推力最强、运载能力最大的运载火箭，全长110.6米，芯级直径10.1米，起飞质量2 946吨，低地轨道运载能力127吨，飞往月球轨道的有效载荷为47吨。“土星”-5是三级推进火箭，第一级采用5台F-1液氧/煤油发动机，海平面总推力达34 029千牛；第二、三级则采用J-2液氧/液氢高比冲发动机，二级为5台，真空推力约5 115千牛；三级为1台J-2发动机。“土星”系列中，还有在1964年和1966年先后研制成功的“土星”-1和“土星”-1B火箭，分别用于发射“阿波罗”飞船试验模型和“阿波罗”载人试验飞船。
　　比“土星”-5火箭的研制稍晚，苏联也为其载人登月计划研制了采用五级推进的N-1重型火箭，前三级将载人飞船送入地球轨道，其余两级用于地月的往返推进。N-1火箭的起飞质量2 788吨，低于“土星”-5火箭；第一级为30台NK-15 液氧/煤油发动，海平面推力45 270千牛，起飞推力明显比“土星”-5火箭高，但其低地轨道设计运载能力只有95吨。而且，由于谢尔盖·科罗廖夫因病去世以及种种技术失误和缺乏资金的支持，N-1火箭进行了4次发射试验均告失败，该计划在1976年被取消。而“土星”-5火箭在1967年到1973年共发射13次，其中6次将“阿波罗”载人飞船送上月球，是航天发射史上光辉的一页。有分析认为，由于美国对液氧/液氢发动机的研究起步早，使得“土星”-5火箭设计时选用了比较成熟的液氧/液氢发动机，因而获得了较高的效率。
　　
　　航天飞机的兴衰
　　
　　上世纪70年代初，美国在成功达到载人登月航天发射的里程碑后，为了以一种更经济的轨道运输工具取代运载火箭和飞船，将航天运载技术的下一个目标确定在可重复使用的载人天地往返运载器——航天飞机上，试图使航天运载器像飞机那样可起飞、降落并重复使用，达到大幅度降低发射成本的目的。1972年1月，美国确定了航天飞机的设计方案，开始实施研制航天飞机空间运输系统（STS）计划，并于1981年4月12日由“哥伦比亚”号进行了首次发射并成功地执行STS-1任务。以后，美国又陆续制造了“挑战者”号、“发现”号、“亚特兰蒂斯”号和“奋进”号航天飞机，形成了一个航天飞机机队。苏联也在1976年决定发展类似的可重复使用载人航天器，从1978年开始研制名为“暴风雪”的航天飞机，并于1988年11月15日成功地进行了“暴风雪”号航天飞机的首次不载人发射飞行试验。虽然美苏两国的航天飞机都可重复使用，但在总体设计和功能上有很大的不同，一种既是运载器又是可天地往返的航天器，而另一种则是可重返地球的航天器。
　　从上世纪70年代初到90年代初的20年间，美苏两国的航天运载器技术的主要方向是发展航天飞机。美国一度拟用航天飞机完全取代运载火箭，甚至计划用航天飞机与欧洲正在兴起的“阿丽亚娜”系列运载火箭竞争商业航天发射市场，并于1985年提出从地面水平起飞、水平着陆的航天运载器——雄心勃勃的国家空天飞机X-30发展计划。但是，1986年的“挑战者”号的机毁人亡，开始给航天飞机的发展“泼冷水”。以后，苏联的“暴风雪”号航天飞机也没有实际使用，并停止了发展。美国的航天飞机虽然在不断改进，而且执行飞行任务一直持续到2011年。但是从90年代初期开始，美苏两国航天运载技术的发展已出现新的重要调整，2003年2月1日“哥伦比亚”号航天飞机在重返地球时因故障坠毁，促使美国决定剩下的航天飞机在2010年后将全部退役。
　　美国决定发展航天飞机的初衷之一是通过重复使用来降低航天运输的成本，但是这一目标未能实现，航天飞机的发射和维护成本始终居高不下。据统计，从1972年开始研制以来，美国在航天飞机项目上的投入累计达1 960亿美元；分摊到135次发射，每次的发射费超过14.5亿美元。而且，航天飞机的结构复杂、技术风险大，1986年和2003年的两次航天飞机重大空难事故，造成14名航天员罹难。航天飞机虽然最终黯然退场，但其在世界航天运载技术发展史上取得的辉煌成就是无法磨灭的，而且至今仍然是下一代航天运载器不可或缺的技术基础。
　　
　　美式：集运载器与航天器于一体
　　美式航天飞机与运载火箭的最大不同在于它既是运载器又是航天器，或者说它自身也是有效载荷的一部分。该系统由可多次使用的轨道飞行器、不回收的外部推进剂贮箱和回收后可重复使用的固体火箭助推器（SRB）3部分组成，外部推进剂贮箱附挂在轨道器的腹部，两个SRB捆绑在外贮箱两侧。轨道器由前、中、尾三段机身组成。前段结构分为头锥和乘员舱两部分，头锥位于航天飞机的最前端，具有良好的气动外形和防热系统。前段的核心部分是处于正常气压下的乘员舱，舱内一般情况下可容纳4～7人。中段是前、后段机身的承载结构，也是容积达300立方米的装有效载荷或实验设施的大型机舱。后段机身装有3台主发动机（SSME）、2台轨道机动发动机和反作用控制系统。发射时，航天飞机像运载火箭一样从发射台垂直发射起飞；进入外层空间后作为大型的载人航天器在地球轨道上运行，由轨道机动发动机和反作用控制系统进行变轨机动、对接机动飞行以及返回时脱离轨道所需要的推力；乘员可在机舱内进行空间实验、运送设备和物资，打开机舱盖可发射、回收和维修卫星或其他航天器；而返回地球时再入大气层后，轨道器能像飞机一样在跑道上水平着陆。
　　航天飞机的低地轨道运载能力达29吨，是上世纪80年代末以前除“土星”-5火箭外美国运载能力最大的航天运载器，而轨道器自身的质量（按不同编号）为68～79吨。航天飞机发射时，其最大翼展为23.97米的三角形后掠机翼并不提供起飞升力，仍以火箭推进的方式发射升空。航天飞机的推进系统为一级半结构，包括航天飞机主发动机（SSME）和SRB。发射时，安装在后段机身的3台SSME与两个SRB同时点火启动，起飞推力约30 802千牛。在上升飞行的最初两分钟里，SRB承担80%的推力；大约上升到45千米的高空时，SRB熄火、分离；SSME则继续提供推力，在6分钟里将航天飞机的速度从1 340米/秒提高到7 600米/秒以上并进入飞行轨道。SRB分离后，依靠降落伞下落，落进大西洋，由船只将其打捞上来，经过检查维护后供下一次使用。按设计，SRB的金属部件最多重复使用20次，柔性接头橡胶件重复使用10次。
　　洛克达因公司为航天飞机研制的SSME，是当时美国推力最大的液氧/液氢发动机，海平面推力为1 668千牛、真空推力为2 090千牛。3台SSME在发射过程中要燃烧掉700多吨推进剂。锡奥科尔公司研制的SRB长46米，直径约3.7米，推进剂装药量超过500吨，是迄今为止最大的固体火箭发动机，也是第一种可重复使用的和第一种用于载人航天发射的固体助推发动机。SRB采用分段式壳体和药柱结构，分段运输到发射场再与喷管、封头等组件组装成发动机，其海平面推力12 899千牛。
　　航天飞机从轨道返回地球再入大气层时，因气动加热会产生600~1500摄氏度的高温，所以在轨道器的头部和机翼前缘，贴有约2万多块防热瓦，以便保护轨道器在返回时不被烧毁。但这一防热设计中存在隐患。“哥伦比亚”号航天飞机失事直接的原因就是该机起飞时，左翼前缘的防热瓦被从外贮箱脱落的一块保温泡沫材料撞击并形成裂孔；当该机载入大气层后，气动加热使高温气体从裂孔进入到机体内，引起一系列连锁反应，造成航天飞机解体。
　　
　　苏式：由一次性火箭发射轨道器
　　苏联的“暴风雪”号航天飞机系统与美国的航天飞机不同，是由重复使用的轨道器和“能源”号运载火箭两部分组成。轨道器航天器在设计、功能以及外形和大小都与美国的轨道器类似，也分为乘员舱、有效载荷舱和尾部。 但轨道器上只装有2台轨道机动推进系统，未装主发动机，所以没有发射功能。“暴风雪”号航天飞机由一次性使用的“能源”号运载火箭发射升空送入轨道。
　　“能源”号火箭方案是在取消了不成功的N1火箭计划后，由苏联的能源科研生产联合体于1974年开始研究，该火箭设计以“质子”号为基础，使用与“质子”号相同的推进剂，但推力更强、运载能力更大并采用模块化设计。由于主要用于运载“暴风雪”号航天飞机，这使得“能源”号火箭的有效载荷位于火箭的侧面而不是顶部。但是“能源”号同样可以执行重型卫星的发射任务，低地轨道运载能力105吨。该火箭长约58.8米，最大宽度20米，质量2 400吨，比“土星”-5火箭要小一些。“能源”号为一级半推进结构，芯级采用4台每台真空推力为1 863千牛的RD-120液氧/液氢发动机；捆绑助推器长32米，直径3.9米，采用4台4燃烧室的RD-170液氧/煤油发动机，地面推力29 028千牛。发射时，“能源”号运载火箭的芯级发动机和4个捆绑助推发动机同时点火，起飞推力约34 833千牛，比美国航天飞机的起飞推力要大；当飞行到60千米高度时，捆绑助推器分离、返回地球；达到110千米高度时，芯级与轨道器分离、再入，并在太平洋上空的大气层中烧毁；轨道器达到160千米高度后，使用液氧/煤油推进剂的轨道机动发动机经过2次点火工作使轨道器进入低地轨道。
　　虽然“能源”-“暴风雪”航天飞机运载系统最终没有实际使用，但该计划留下了宝贵的遗产：“天顶”号运载火箭和RD-170系列发动机。“天顶”系列火箭的第一级就是“能源”号火箭的捆绑助推器，而RD-170发动机则衍生出了RD-180、RD-191两种更先进的发动机，其中RD-180发动机至今还用在美国的“宇宙神”-5运载火箭上，RD-191发动机将用于俄罗斯的“安加拉”运载火箭。
　　
　　一次性运载火箭再度繁荣
　　
　　上世纪90年代初，由于卫星应用的发展、星际科学探测的增多、空间站的建立与运行以及军事航天的要求等，对航天发射任务不断提出新的需求，并形成了国际商业卫星发射服务市场。衡量航天运载器技术的水平不仅是大运载能力，还要从低成本、高可靠性、易于操作和缩短发射准备周期等多方面考虑。美国和俄罗斯出于各自的发展需要，以及相互之间和与欧洲之间竞争的需要，在继续研究更先进的可重复使用航天运载器技术的同时，更大力加强对一次性使用运载火箭的不断改进，在10多年间形成了大型、中型、小型运载火箭全面、快速、多类型发展的态势。
　　冷战结束后，美俄两国多种退役后的洲际弹道导弹被改装为中小型运载火箭，使弹道导弹再一次促进了一次性运载火箭发展。这些改装型号不仅降低了研制与发射成本，而且具备了发射准备时间短、灵活性高以至水下潜射等原先导弹的作战性能特点。另外，中小型运载火箭还发展了空中发射的“飞马座”、海上发射的“天顶”号等火箭，使航天运载能够采用机动、灵活、隐蔽的发射方式。
　　美俄两国早期成熟的运载火箭系列，如美国的“德尔它”、“宇宙神”、“大力神”系列，俄罗斯的“质子”、“联盟”系列等，不断发展升级换代型号，并开始应用统一设计概念、通用模块结构，形成运载能力更大、可靠性更高、成本更低、型号更新的大中型运载火箭系列。其中突出的是由“德尔它”-4、“宇宙神”-5构成的渐进一次性运载火箭系列。
　　这一时期，美俄等国家虽在继续探索研究多种重复使用运载器技术，如美国的X-33单级入轨升力体航天器技术、K-1重复使用火箭技术、“空间通路”二级重复使用空间运输系统等，但仅限于技术验证研究，未进行应用研制，只有俄罗斯的“安加拉”可重复使用运载火箭延续至今在继续发展。
　　
　　退役导弹改装运载火箭
　　由于要执行“削减进攻性战略武器条约”，美俄都有大量洲际弹道导弹要拆除、销毁，因而直接利用退役的弹道导弹，改进而成诸多型号的中小型运载火箭。如俄罗斯的“第聂伯”、“呼啸”、“起点”、“静海”等火箭和美国的“白羊座”火箭。这样不仅可以节省导弹的销毁费用、以很低的发射成本竞争商业航天市场，而且这些导弹改装火箭还各具其他运载火箭所没有的发射准备快、可从地下井或潜艇水下发射等独到的特点。
　　“第聂伯”号是在二级推进的SS-18重型洲际导弹上，加装第3、4级改装的运载火箭，1999年首次发射成功，运载能力低地轨道达到4.5吨、月球转移轨道为550千克。该火箭和导弹一样从地下井中发射，发射准备时间短，发射费用为800~1 100万美元/次，在同级别运载火箭中费用最低，很有竞争力。与“第聂伯”类似的“呼啸”号，是从SS-19洲际导弹改进而成，低地轨道运载能力1.9吨，可从地下井发射，还可从地面发射台的发射箱中发射。
　　1998年7月，俄海军在巴伦支海首次从水下潜艇上成功发射“静海”-1H火箭，将2颗德国柏林大学研制的卫星送入远地点773千米、近地点400千米的轨道。“静海”-1H火箭是由“轻舟”（SS-N-23）潜射弹道导弹改装成的，起飞质量40.3吨，低地轨道运载能力430千克。俄罗斯通过改装SS-N-23，还研制了加大有效载荷舱的“静海”-2H三级火箭、潜射型“静海”-3H和空射型“静海”-3A等火箭。
　　美国的“白羊座”火箭是利用“民兵”-3导弹改进的多用途小型运载火箭系列，由“民兵”-3导弹的三级加第4级FW-4发动机构成，1型用作探空火箭、2型用于导弹防御系统的演示试验，1A从1990年起发射小卫星，低地轨道运载能力320千克，4型发射地球静止轨道微卫星（70千克）。
　　
　　空中与海上发射的运载火箭
　　从空中或海上发射运载火箭，具有很强的机动性，有利于在各种方位、以各种轨道倾角发射，可显著提高运载火箭的运载能力、降低发射成本，而且无需进行发射场修整，也减少了发射场的安全问题。尤其是空射火箭集火箭与飞机的优点与一身，可显著提高运载能力。这主要得益于高空点火及其功能型结构：一是飞机提供的较高飞行速度，可使运载火箭的性能提高1%至2%；二是从空中发射，气压只有海平面的四分之一，可使火箭的喷管设计简化，如美国“飞马座”火箭的发动机喷管面积比从8∶1增加到40∶1使能量提高约7%；三是在高空发射运载火箭对火箭本身的结构强度要求较低，而且动压也较低。
　　“飞马座”空射运载火箭于1990年4月首飞，由B-52轰炸机携载到大西洋上空13 000千米高度，投放、点火后成功发射了2颗军用小卫星。“飞马座”火箭是随着上世纪80年代末小卫星热的兴起应运而生，从1987年末起仅用28个月的时间，完成了全部研制与鉴定工作。该火箭是三级全固体推进运载火箭，发射质量18.9吨，起飞推力477千牛，低地轨道运载能力450千克。而美国从地面发射的“侦察兵”G-1小型四级火箭，起飞质量21.8吨，起飞推力475千牛，与“飞马座”大致相当，但低地轨道运载能力仅220千克。“飞马座”前7次发射的最低成本为700万美元/次，仅为“侦察兵”G-1发射费用1 100~1 200万美元/次的60%左右。到2008年，“飞马座”火箭共发射29次，将70颗卫星（包括一箭多星）送入低地轨道。
　　从海上平台发射火箭，可将平台移动到赤道附近海域进行发射，充分利用地球自转所提供的能量来提高火箭的运载能力。1996年，俄罗斯和乌克兰、美国、挪威共同出资组建一家合资企业——海射公司，把从海上发射的“天顶”-3SL运载火箭推向商业航天发射市场。
　　“天顶”号火箭是N-1火箭失败后，苏联研制的第一种非改进的全新运载火箭。“天顶”-3SL火箭利用经改造的半潜式海上石油钻探平台和一艘发射控制保障船，从海上发射；发射工序实现了完全无人化：火箭被机械装置自动吊装在发射台上并连上必须的地面控制管线，在发射准备、点火或因发射任务取消而须从发射台上撤下火箭时都不需要进行手动操作，从而大大减少了因发射事故导致人员伤亡的可能性。
　　“天顶”-3火箭第一级使用RD-170液氧/煤油发动机的改进型RD-171发动机，起飞推力7 259 千牛。“天顶”-3SL在赤道发射时，地球同步转移轨道运载能力为6 900千克，是“天顶”-3在较高纬度的拜科努尔发射场发射时3 820千克的180%。“天顶”-3SL于1999年3月28日成功地进行了第一次发射，载荷为一颗模拟卫星，此后该火箭至少进行了20多次商业航天发射。
　　
　　大中型一次性运载火箭更新换代
　　上世纪90年代初，随着航天系统在全球军事战略中的作用日益突出，以卫星为基础的“全球监视”能力对保持军事优势越来越重要，美国迫切需要发展更强的航天发射能力，俄罗斯虽需恢复国力但也不甘落后。而从上世纪70年代后的近20年，两国发展重点是航天飞机，所以这时两国使用的一次性运载火箭大多还是从弹道导弹演变而来的，但因为运载能力与可靠性低，不能满足快速发展的军用有效载荷的发射需要；而且价格过高，难以应对国际商业发射市场日趋激烈的竞争。因此，美俄两国一方面加紧已有重点型号的升级改进，另一方面以新的设计思路为下世纪初期发展新的运载火箭系列。美国在1994年确定了为期近10年的计划，发展“渐进一次性运载火箭”（EELV），以全面替代改进升级中的“大力神”-4、“宇宙神”-3、“德尔它”-3等型号，使美国在21世纪初拥有强大、可靠、低成本的航天发射能力。此前，俄罗斯也相应地出台了用以取代“质子”、“联盟”等系列的“安加拉”火箭发展计划。
　　2002年8月和11月，“宇宙神”-5和“德尔它”-4相继进行首次发射，而 “宇宙神”-3B和“大力神”-4B火箭在2005年各自进行了最后一次发射并退出使用，由EELV计划研制的“宇宙神”-5和“德尔它”-4系列火箭开始全面替代美国现役所有的大型运载火箭。美国国防部和美国航空航天局表示将用该系列火箭发射所有大中型以上有效载荷，标志着美国通过发展EELV基本实现了大型运载火箭的更新换代。而俄罗斯的“安加拉”火箭计划，由于种种原因已延迟到2012年进行发射试验。
　　EELV计划是由洛克希德·马丁和波音公司分别提出一个各包括中型、大型和重型运载火箭系列的竞争方案，从中选择确定一个系列方案。但洛克希德·马丁公司的“宇宙神”-5和波音公司的“德尔它”-4，采用了大致相同的通用化、模块化的设计思路，研制的型号类型、数量大致相当，最终在一个计划下并行发展了两个系列。
　　所谓通用化、模块化的设计，是一个系列中各型号的助推器、芯级和上面级以及整流罩，都采用一种或几种各型号通用的模块，通过不同的模块和不同数量相同模块的组配，构成不同运载能力的型号；并以同一生产线实现各种模块的规模化生产使用，从而提高可靠性、降低成本。如美国的“宇宙神”-5运载火箭，仅采用包括3类4种发动机与两种直径的整流罩模块，可组配成8个型号；各型号都采用从俄罗斯引进的RD-180液氧/煤油发动机的通用芯级、推力为1 270千牛的固体助推器、采用RL-10E单发动机或RL-10A双发动机的“半人马座”液氧/液氢上面级和直径4米或5米的整流罩。该系列的地球同步转移轨道运载能力为3 970~13 000千克，地球静止轨道最大运载能力达到6 500千克。
　　“德尔它”-4系列的数字编号统一按百位数字为整流罩直径（米）、十位数字为捆绑助推器的个数、各位数字代表上面级用单发动机或双发动机。例如：401/402型都采用4米直径整流罩、一级为通用芯级无捆绑助推器，分别用单发动机/双发动机上面级，地球同步转移轨道运载能力4 950千克；431型采用4米直径整流罩、通用芯级捆绑3个助推器，采用单发动机上面级，地球同步转移轨道运载能力7 640千克；551/552型都采用5米直径整流罩、通用芯级捆绑5个助推器，分别用单发动机/双发动机上面级，地球同步转移轨道运载能力8 670千克。
　　
　　发展可重复使用运载火箭
　　
　　21世纪初以来，世界航天运载器的发展已进入多元竞争时代，美国和俄罗斯依靠厚重的历史积淀，仍要引领先进航天运载技术发展的方向；在进行大型一次性运载火箭升级、换代和发展具有快速响应能力、低成本的中小型运载火箭的同时，继续研究用于未来的可重复使用载人航天运载器技术。
　　美国为了满足未来的两大类任务的需求，即远在地球轨道以外的月球或小行星与火星深空探索任务和各种地球轨道的卫星发射及向国际空间站运输等任务，以一个“灵活框架”来发展航天运载器。近期让私营航天公司去挑大梁，执行以赚钱为目的的卫星发射与向国际空间站运送航天员的任务；同时让美国航空航天局腾出手来为远期的深空探索研制新型运载火箭和航天器。在方案设计上，强调充分利用成熟技术、保证研制进度并以模块化、系列化提高可靠性、降低成本。地球轨道发射和深空航天运输的总体方案都没有选择像航天飞机那样的集发射与返回、载人与货运于一体的大型重复使用的航天运载器，而采用了独立的飞船与运载器、较小的载人飞船与载人型运载火箭和大型的货运飞船与货运型运载火箭，以增强安全性；同时，载人型运载火箭与货运型运载火箭又采用相同模块组配而成。
　　目前，这一航天运载器发展的“灵活框架”已取得重要进展。2010年6月，美国空间探索技术公司成功进行了“猎鹰”-9运载火箭的首次验证发射试验，该火箭被认为是世界上第一种两级都可重复使用的运载火箭。美国航空航天局也在以航天飞机与“土星”-5火箭的成熟技术为基础，重点发展新一代重型运载火箭，于2005年和2010年先后公布了为实现载人重返月球的“战神”火箭方案和为载人登陆小行星和火星发展“航天发射系统”（SLS）的路线图。这两个载人深空探测航天运载系统方案，都采用可重复使用的重型运载火箭和比航天飞机要小得多的小型载人飞船与大型货运飞船。
　　俄罗斯也在1993年提出了“安加拉”系列大中小型运载火箭的研制计划，拟用“飞回式”的可重复使用助推器技术，发展21世纪初期的主力运载火箭并计划于2012年进行首次发射试验。美俄两国今后的航天运载技术在进一步强化推进系统的模块化的设计与应用，即全系列在助推器、芯级和上面级的模块中都采用同一种发动机，而像“宇宙神”-5和“安加拉”全系列分别使用了4或5种类型发动机；通过减少发动机类型、扩大同一型号发动机的生存规模提高可靠性、降低成本。同时，为了运载火箭的可重复使用，加强了助推器和上面级安全回收的技术研究，提出了垂直起降和水平着陆自主飞回的方案。
　　
　　商用的“猎鹰”-9火箭系列
　　空间探索技术公司在美国航空航天局的技术支持下，从2002年以来先后研制了“猎鹰”-1、“猎鹰”-5和“猎鹰”-9商业运载火箭。其中“猎鹰”-9系列的发展目标是，在具备“渐进一次性运载火箭”运载能力的同时，具有高可靠性、低能成本和快速响应发射等特点，能执行低地轨道的发射任务，将乘员和货物运送到国际空间站，以支持美国航空航天局的商业轨道运输服务计划。“猎鹰”-9火箭为满足载人航天的要求，通过发射空间探索技术公司自己研制的“天龙”号飞船，可将最多7名航天员或2 500千克货物运送到国际空间站。目前，该火箭系列研制的5种构型的低地轨道运载能力为8 560~24 750千克、地球同步移轨轨道运载能力4 540～9 650千克，
　　为了实现高可靠性、低能成本和快速响应能力，“猎鹰”9系列的一个特点是：5种构型推进系统的芯级、助推器和上面级都采用了同一种发动机——“灰背隼”液氧/煤油发动机；另一个特点是该火箭的第一级和第二级都可用降落伞溅落至水面并回收，第二级在再入时能够承受剧烈的大气环境的影响，是一种两级可重复使用的运载火箭。空间探索技术公司于2011年9月宣布，正在为“猎鹰”-9设计能依靠自身动力飞回发射场的第一级和第二级，准备试飞一种称为“蚱蜢”的试验台。据称，“蚱蜢”为32.3米高的垂直起降火箭，采用1台“隼”-1D发动机，装有着陆支架和防热系统。
　　目前，“猎鹰”-9运载火箭以3种构型来适应不同大小和类型的有效载荷，一种采用3.66米直径整流罩、一种采用5.2米大直径整流罩，另一种安装“天龙”号飞船。3种构型的第一级采用9台“灰背隼”液氧/煤油发动机，起飞推力4 940千牛，第二级采用1台“灰背隼”发动机，推力445千牛；在卡纳维拉尔角发射场发射时，低地轨道运载能力为10 450千克，地球同步转移轨道运载能力为4 680千克；在纬度较高的夸贾林环礁发射时，低地轨道运载能力为8 560千克，地球同步转移轨道运载能力为 4 540千克。 “猎鹰”-9还有两种重型改进构型，即“猎鹰”9-5S型和“猎鹰”9-9S型。“猎鹰”9-5S火箭装有两枚5发动机的助推器，“猎鹰”9-9S火箭装有两枚9发动机的助推器；低地轨道运载能力分别为16 500千克和24 750千克，地球同步转移轨道运载能力分别为6 400千克和9 650千克。
　　“猎鹰”-9火箭通过各级模块化设计和采用同一发动机使结构简化的发动机批量生产，从而提高了可靠性、降低了成本并使故障最小化。空间探索技术公司预期，在一定发射量的情况下，“猎鹰”9、9-5S和“猎鹰”9-9S的每次发射成本分别为3 500万美元、5 100万美元和7 800万美元；按最大运载能力计算，“猎鹰”9系列运载火箭的每千克有效载荷发射费用可降低到3 350美元以下。空间探索技术公司的总经理声称，“猎鹰”-9火箭的发射成本比中国“长征”运载火箭更低。当然，也有质疑的分析认为，这样低的发射成本只有在很大数量的发射需求与批量生产规模下才有可能实现。
　　
　　“安加拉”火箭系列
　　“安加拉”运载火箭计划的目标是以一个型号系列取代现有的“宇宙”、“旋风”、“天顶”、“质子”等多个火箭系列，作为未来俄罗斯运载火箭的主力。该火箭设计为无人或载人两种航天运载器，与美国的“宇宙神”-5和“德尔它”-4类似，采用统一设计的可重复使用的通用芯级（URM）和几种选用的上面级与不同直径的整流罩，通过模块结构组合成-1、A3、A5、A7的多种型号，能提供2~40吨的低地轨道运载能力。“安加拉”火箭设计的另一重要特点是URM计划采用重复使用的飞回式助推器设计。该助推器进行级间分离后，在反作用姿控系统与导航系统控制下，用翼和吸气式喷气发动机自主向发射场飞行，并在地面水平着陆。
　　“安加拉”-1.2的第一级为1个URM，第二级采用RD-0124发动机，低地轨道运载能力为3.7吨，将替代“宇宙”-3M、“旋风”等火箭。“安加拉”-3的助推级和第一级为3个URM，第二级为RD-0124发动机，上面级用“微风”M或KVSK，低轨道运载能力为14.6吨，地球同步转移轨道为2.4吨或3.7吨，地球静止轨道为1吨或2吨；它将替代“天顶”火箭。“安加拉”-5的助推级和第一级有5个URM，第二级为RD-0124发动机，上面级可分别用RD-0146发动机、KVRB和KVTK，低轨道运载能力为24.5吨或28.5吨，地球静止轨道运载能力分别为2.9吨、4.5吨和5.7吨；它用于替代“质子”火箭。“安加拉”-7的助推级为6个URM，第一级的直径有所增大，第二级使用RD-0146发动机，上面级为KVTK，低轨道运载能力达到36吨或40.5吨。它将是除“能源”号以外俄罗斯运载能力最大的运载火箭。“安加拉”系列火箭的大部分型号是非载人的，但 “安加拉”-A3P、-A5P和-A7P3用于载人航天发射。
　　“安加拉”火箭曾计划在2003年进行首次发射，但是由于资金的缺少没有实现。2009年3月，赫鲁尼切夫航天科研生产中心宣布，“安加拉”的第一次发射将延迟到2012年。今年3月，俄罗斯航天署在向俄联邦政府提交的“2030年航天发展战略”中，强调要完成“安加拉”火箭的发射任务。
　　
　　航天发射系统方案
　　2005年，美国航空航天局为实施载人重返月球的“星座”计划，曾提出发展“战神”火箭系列，主要包括：“战神”-1和“战神”-5运载火箭。该系列火箭的主要特点是利用航天飞机的可重复使用分段式固体助推器和“土星”火箭的上面级发动机技术。但是“星座”计划在2010年2月被取消，原因是成本超支、缺乏技术创新、在2028年前登陆月球的目标难以实现，而“战神”火箭的研制也随即终止。
　　在“星座”计划取消后，美国航空航天局在2010年10月提出了以载人登陆小行星和火星为目标的“旗舰”计划，并于2011年9月公布了支撑“旗舰”计划的“航天发射系统”（SLS）发展路线图。SLS重型火箭设计方案与“战神”系列火箭方案类似，有多种构型并分为用于发射乘员和货运飞船的两类不同的火箭；SLS与“战神”系列的主要不同是各种火箭构型都将更多地利用航天飞机主发动机技术，因而被称为“航天飞机衍生型”重型运载火箭。火箭的芯级采用多台航天飞机主发动机RS-25D/RS-25E，推进剂贮箱比航天飞机的更大，两侧捆绑2枚5段式航天飞机固体助推器（后期可能通过竞争再选择适当液体或固体推进剂的大推力助推器）；上面级使用与“战神”火箭第二级相同的J-2X液氧/液氢发动机。
　　按照SLS的渐进式发展路线图，首枚SLS-1是运载多功能乘员飞行器（MPCV）的火箭，计划于2017年12月发射。该火箭为1级半构型，芯级推进剂贮箱长64米，采用3台航天飞机主发动机RS-25D发动机，两侧捆绑2枚5段式航天飞机固体助推器，火箭的起飞推力为37 370千牛，低地轨道运载能力70吨。以后计划于2024年发射SLS-5货运型火箭，拟采用新的整流罩和捆绑助推器；在2026年发射SLS-7，用RS-25E改进发动机代替RS-25D；2032年发射SLS-13，芯级采用5台RS-25E发动机、上面级为3台J-2X发动机，形成低地轨道运载能力超过130吨的重型运载火箭。
　　责任编辑：兆然