火箭的群星閃耀時——世界主流液體運載火箭劃代討論
眾所周知，某些國家會將主流空優戰鬥機劃代來探索戰機發展的客觀規律。在目前普遍接受的五代劃分法里，F22，F35，J20和T50同屬於前沿第五代戰機。因此許多人認為，同樣印證一國航天工業水平的主流液體運載火箭也應該有一個統一的劃代標準，用來評比和指導未來運載火箭的發展方向。遺憾的是，直到今天，我們也沒有見到一個普遍接受標準的出台。在IAC2013會議上，航天科技一院曾發布了一篇有關於中國運載火箭劃代研究的論文（IAC-13-E4.3.4），其中將長征系列運載火箭劃分為四代。具體劃分如下：
第一代 CZ-1 CZ-2
第二代 CZ-2C系列 CZ-4A CZ-2D CZ-2E CZ-3
第三代 CZ-2F CZ-3A系列 CZ-4B系列
第四代 CZ-5 CZ-6 CZ-7
在我看來，這樣的劃分是比較合理的，唯一美中不足的是，在同根生的老長征火箭之間劃代，界限並不明顯，也沒有充分考慮到國際液體運載火箭的前沿方向，發展指導意義不足。在此，我謹以設計理念和技術水平來嘗試將運載火箭劃代，並選取幾款典型液體運載火箭代入排序。該劃代法中肯定還有一些不足之處，還請大家討論指出。
第一代
由早期探空火箭或初級彈道導彈改裝加級而來，僅具有初步進入太空能力。運載能力低，可靠性極差，沒有繼續改進升級潛力。
朱諾 I（Juno I ）
朱諾 I是一款衍生自Jupiter-C探空火箭的美國早期四級運載火箭，全長21.2米，直徑1.78米，起飛重量29.06噸，火箭一級採用液氧肼推進劑，LEO運載能力11千克，LEO運載係數0.037%。服役期間一共發射了6次，3次成功，成功率50%。
朱諾 I
1958年1月31日，朱諾 I運載火箭首次發射成功成功將美國第一顆人造衛星探索者1號送入一個遠地點2550千米的大橢圓軌道，成為人類第一顆探測范艾倫帶的衛星。
美國第一顆人造衛星探索者1號
長征一號
在介紹長征一號前請先回答一下這道題目，答錯的可以取消關注本公眾號了，本題出自上周剛剛結束的國家公務員統一考試
（(*^_^*)，答案在文末，逼你看完，哈哈哈）
長征一號是中國於1965年下半年開始在東風四號彈道導彈的基礎上研製的一枚三級國產運載火箭（這屬於透題了。。。），全長29.86米，直徑2.25米，起飛重量81.57噸，火箭一級採用硝酸-27S/偏二甲肼推進劑，LEO運載能力300千克，LEO運載係數0.36%。服役期間，長征一號一共發射了2次，2次成功，成功率100%。
長征一號
1970年4月24日，長征一號運載火箭首次發射將中國第一顆人造地球衛星東方紅一號成功送入一個遠地點2384千米的大橢圓軌道，標誌著中華人民共和國成為世界上繼蘇聯、美國、法國和日本之後第五個能夠獨立發射人造衛星的國家，而且它的技術水平超過了前四個國家的第一顆衛星，質量更超過了前四個國家第一顆衛星的總和。
中國第一顆人造地球衛星東方紅一號
銀河三號
銀河三號是朝鮮在大浦洞2洲際彈道導彈基礎上優化而來的一枚三級運載火箭，全長28到30米，直徑2.4米，起飛重量89到90噸，火箭一級由4台飛毛腿導彈發動機並聯而成，採用紅顏硝酸偏二甲肼推進劑，LEO運載能力和長征一號類似，LEO運載係數不明。到目前為止，銀河系列運載火箭一共發射了4次，2次成功，成功率50%。
2012年4月13日，銀河三號運載火箭成功將光明星三號B送入490×580千米的圓軌道，因違反安理會1718和1874號決議，遭到世界各國的強烈譴責。
銀河三號
第二代
部分技術由成熟可靠的洲際彈道導彈衍生髮展而來，開始注重運載火箭通用化設計，使用較大推力的發動機，運載能力較第一代提升了一個數量級，缺陷在於發射流程數字化水平不足，製造流程受人力成本影響很大。從這一代開始，運載火箭進入了實用化發展階段，並統治了人類幾十年的航天發射活動。
聯盟系列火箭
聯盟系列火箭衍生自蘇聯R-7彈道導彈，其較大推力的發動機和先進的捆綁助推器理念使其升級潛力無窮。因而，它成為了人類有史以來發射次數最多的運載火箭，截至目前，次數超過1859次（其中僅聯盟U火箭就發射過近800次），成功次數超過1744次，成功率93.8%。其現代化改進版本直到現在仍在使用。在可重複使用火箭廣泛使用之前，R-7系列不會退役，而它的高可靠性（嗯，很好，昨天聯盟U剛出事兒，毀了一艘向國際空間站輸送貨物的進步貨運飛船，有興趣的可以看看我們的網站）和低成本得益於其設計理念中簡單粗暴，成為一代傳奇老將。
聯盟系列火箭
聯盟的前身衛星號是一枚一級半運載火箭（超前的極簡理念），全長30米，直徑2.99米，起飛重量267噸，火箭起飛級由5台四室過氧化氫驅動的燃氣發生器發動機（又是極簡）並聯而成，採用液氧煤油推進劑，LEO運載能力500千克（後期發動機增推後提升到1.3噸），LEO運載係數0.18%（0.48%）。服役期間，一共發射27次，成功18次，成功率66.6%。
衛星號運載火箭首次發射
1957年10月4日，衛星號運載火箭成功將斯普特尼克1號人造衛星送入遠地點940千米的橢圓軌道，成為人類發射的第一顆人造地球衛星。
人類第一顆人造衛星普特尼克1號
長征二、三、四系列火箭
原型長征二號運載火箭衍生自中國東風五號兩級洲際彈道導彈，全長32米，直徑3.35米，起飛重量190噸，火箭一級採用四氧化二蛋（好吧，是「氮」）偏二甲肼推進劑，LEO運載能力2000千克，LEO運載係數1.05%。服役期間，發射1次，成功0次，成功率0%。
長征三號乙火箭是在長征三號甲和長征二號捆火箭的基礎上研製的大型三級液體捆綁火箭，芯級基本上與長征三號甲火箭相同，助推器及其捆綁結構則基本與長征二號捆火箭相同，表現為在長征三號甲的第一級火箭周圍捆綁了4個與長征二號捆相同的液體火箭助推器。火箭全長57米，直徑3.35米，起飛重量458.97噸，火箭一級採用四氧化二氮偏二甲肼推進劑， GTO運載能力5500千克，GTO運載係數1.19%。截至目前，發射37次，成功35次，成功率94.5%。
探月工程中的長征三號甲系列火箭
長征二號於1974年11月5日在酒泉衛星發射中心進行了首次發射。由於由於俯仰速率陀螺信號導線暗傷、內部斷裂，姿態控制系統收不到俯仰速率陀螺信號，火箭失去穩定，導致試驗失敗。1975年11月26日改進型長征二號甲火箭再度發射並成功將中國第一顆返回式衛星送入遠地點479千米的近地軌道。
首次發射的長征二號
阿麗亞娜4號
阿麗亞娜4號屬於一次性使用三級運載火箭，是阿麗亞娜系列運載火箭的第4款型號。由法國國家太空研究中心CNES設計、製造；發射服務商則是阿麗亞娜公司。服役期間，曾經佔領了全世界50%的商業發射市場份額。火箭全長58.72米，直徑3.8米，起飛重量470噸，火箭一級採用四氧化二蛋偏二甲肼推進劑，LEO運載能力7600千克，GTO運載能力4946千克，LEO運載係數1.6%，GTO運載係數1.0%。服役期間，發射116次，成功113次，成功率97.4%。
1988年6月15日，阿麗亞娜4號首次發射成功將3顆衛星送入GTO軌道。
阿麗亞娜4號
第三代
從這一代開始，運載火箭不再由彈道導彈衍生而來，而是應航天運輸需求全新設計。這一代運載火箭普遍採用高性能推進劑，先進發動機，先進材料應用，先進結構設計，使用迭代制導來提高入軌精度，火箭控制系統的匯流排（BUS）化設計，並降低級數，使得運載能力和發射可靠性相對第二代有所提升。
土星五號
土星五號屬於三級重型運載火箭，火箭中的巨無霸（馮布勞恩博士的終極作品！沒有之一！），一次發射能燒掉42億美元的吞金巨獸。假如按運載能力來排名，它是名副其實的第一。這樣的怪獸，只能是瘋狂的冷戰產物。土星五號全長110.6米，直徑3.8米，起飛重量2970噸，火箭一級採用液氧煤油推進劑，LEO運載能力140噸，LTO運載能力48.6噸，LEO運載係數4.7%，LTO運載係數1.6%。服役期間，發射13次，成功13次，成功率100%。
1967年11月9日，土星五號成功將阿波羅4號無人飛船打入一個測試飛行亞軌道。
土星五號發射合集（最右側的一發載荷是天空實驗室，美國第一個載人空間站，迥異於左邊的阿波羅登月系列發射）
德爾塔IV系列火箭
作為德爾塔系列的一員，誕生於EELV（Evolved Expendable Launch Vehicle，漸進性一次性運載火箭，是由美國空軍發起的一個軍用載荷發射框架）框架下的它擁有現役最強的運載能力。其中，德爾塔IV重型火箭單次4億美元的發射價格基本使其與商業發射市場無緣，成為了美國政府絕密發射任務的專屬座駕。德爾塔IV重型屬於二級半大型運載火箭，全長72米，直徑5米，起飛重量733.4噸，火箭一級採用液氧液氫推進劑，LEO運載能力28.8噸，GTO運載能力14.22噸，LEO運載係數3.9%，GTO運載係數1.9%。截至目前，德爾塔IV系列火箭發射了33次，成功32次，成功率96.9%。
2004年12月21日，重型德爾塔IV首次發射因三CBC發動機的過早關機而未到達預定的分離速度，儘管上面級瘋狂補救（不僅是入軌精度，這也是迭代制導的優勢所在），但是載荷最終依舊沒有進入預定的GSO軌道。
德爾塔IV重型火箭
長征五號
長征五號又稱「大火箭」，是中國為了滿足進一步航天發展需要，並彌補中外差距而在2006年立項研製的一次性大型低溫液體捆綁式運載火箭，也是中國新一代運載火箭中芯級直徑為5米的火箭系列。作為中國新一代運載火箭中最具起飛重量級的傢伙，備受關注，被稱作亞洲最強的運載火箭。而如此強悍的性能自然帶來了發射費用的成倍增長（尤其是破天荒的使用了8台高壓補燃煤油機），據坊間傳聞，目前單次費用10億人民幣往上，但仍然遠低於同運力級別運載火箭。長征五號全長約57米，直徑5米，起飛重量879噸，火箭一級採用液氧液氫推進劑，LEO運載能力25噸級，GTO運載能力14噸級，LEO運載係數2.8%，GTO運載係數1.5%。截至目前，發射1次，成功1次，成功率100%。
2016年11月3日，長征五號運載火箭將實踐十七號衛星發射升空，儘管火箭二級在第二次工作段中經歷了推力不足的問題，使得分離時沒有達到預定的速度要求，但是在遠征二號上面級的奮力補救後，衛星準確進入了GSO軌道，發射取得了圓滿成功。
長征五號首發成功
第四代
進入新世紀以來，商業航天開始蓬勃發展。此時，越來越多的傳統發射商渴望染指目前競爭異常激烈的同步軌道商業發射市場，因此，大幅降低火箭的發射成本成為了當務之急。為達到單次發射低於1億美元的競爭性價格目標，在保持分系統先進性發展小步快跑的同時，製造商們開始鑽研優化液體發動機的設計與生產流程，甚至開始對昂貴的補燃發動機嗤之以鼻，並簡化箭體結構設計（從這一代開始，三級以上的運載火箭被徹底淘汰），開發高度自動化的製造流水線及發射自檢系統來減少人力開支。此外，商業部件開始進入零件採購列表，火箭製造商開始垂直整合，避免供應商之間相互扯皮。按照早期的看法，這代運載火箭的技術性進步不足以構成一代（應為三代半較為穩妥）。而從理念上看，隨著各國人力成本的水漲船高，似乎在商業航天的春天裡發展這樣的一代技術成熟成本低廉的大能力運載火箭是不可避免的。更重要的事，作為最後一代完全不可重複使用火箭，應該要給它們立個墓碑。從這一代開始，我們將更多的使用單位發射成本而不是運載係數來評價一款運載火箭的先進性。
SLS（Space Launch System，太空發射系統）
作為經濟低迷時代戰神5號的替代，低配版的SLS二級半重型火箭計劃在2010年正式上馬。SLS充分的利用了後太空梭時代的遺產，大量採用成熟技術的它，計劃單次發射費用為5億美元。火箭全長64.6米，直徑8.4米，起飛重量2600噸，火箭一級採用液氧液氫推進劑，LEO運載能力130噸，LEO運載係數5%，計劃LEO運輸成本3846美元/千克。
SLS計劃在2018年11月執行首次發射EM-1任務，將獵戶座飛船發射至奔月軌道。
SLS（但是由於特朗普的上台，SLS的未來又充滿了未知）
H3
2013年5月，日本正式開始了下一代二級運載火箭H3的研製工作。H3系列設計上汲取了EELV的模塊化組合理念，能依據發射任務的不同調節火箭構型，此外，H3更大的目標是將目前日本的火箭報價降低到5000到7000萬美元每次，並將年發射數量提高到10到20次，使其能在國際商業發射市場中具備競爭力。為達到這個目標，三菱重工也是下了一番功夫的，最主要的是將火箭一級的補燃氫氧機換成了獨特的開式膨脹氫氧機LE-9，使其發動機零件數比上一代LE-7A減少20%。另外，H3採納了小型火箭「艾普斯龍(Epsilon)」的自檢設計思路，將發射所需人員由以往的100至150人壓縮至30人左右，以降低發射成本。H3全長全長63米，直徑5.2米，起飛重量574噸，火箭一級採用液氧液氫推進劑，最大構型LEO運載能力20噸，最大構型GTO運載能力約8噸（GTO1500>6.5噸），計劃LEO運輸成本3500美元/千克，計劃GTO運輸成本10000美元/千克。
H3運載火箭計劃於2020年前後首飛。
H3系列火箭依照任務不同採用模塊化搭配
阿麗亞娜-6
面對商業發射市場里SpaceX的瘋狂攪水，重新整合後的ASL加快了阿麗亞娜5下一代運載火箭的開發，並明確了目標——在運載能力大於F9的同時，單星發射價格要降至7000萬美元以下。很長時間裡，阿麗亞娜5缺乏靈活性而昂貴的雙星發射模式廣受詬病，和H3一樣，阿麗亞娜6選擇了能調節助推數量的模塊化方案。為降低生產成本，阿麗亞娜6在設計上延續了上一代開式氫氧機加固推模式的同時，取消了上面級共底的結構，帶來的結果是，儘管新型膨脹上面級發動機的比沖提高了20s，但是整體運載能力不升反降。阿麗亞娜6全長63米，直徑5.4米，起飛重量860噸，火箭一級採用液氧液氫推進劑，最大構型LEO運載能力約22噸，最大構型GTO運載能力約10.5噸，計劃LEO運輸成本6363美元/千克，計劃GTO運輸成本13333美元/千克。
阿麗亞娜6運載火箭計劃於2020年前後首飛。
阿麗亞娜6
第五代
為大規模廉價航天運輸而專門設計的部分可重複使用運載火箭。
太空梭
太空梭既能像運載火箭那樣把人造衛星等航天器送入太空，也能像載人飛船那樣在軌道上運行，還能像滑翔機那樣在大氣層中滑翔著陸。太空梭為人類自由進出太空提供了很好的工具，是航天史上的一個重要里程。作為一款部分復用的低成本設計發射系統，單次最低發射費用約為4.5億美元。2011年7月8日，最後一架太空梭亞特蘭大號執行完最後一次STS-135任務後，宣布退役，代表著太空梭時代的暫時終結。美國太空梭全長56.1米，直徑8.7米，起飛重量2030噸，火箭一級採用液氧液氫推進劑，LEO運載能力約27.5噸，GTO運載能力約3.81噸，LEO運輸成本1818美元/千克，GTO運輸成本13 123美元/千克。
1981年4月12日，哥倫比亞號太空梭載人執行了首次發射任務，進入了一個270公里的圓軌道。服役期間，太空梭執行了133次任務，成功131次（其中一次是返回時失事，不是嚴格意義的發射失敗），成功率98.4%。
太空梭的首次發射
（值得注意的是，太空梭首射就是載人任務，風險相當之大）
獵鷹-9號
獵鷹9號（Falcon 9）火箭是美國SpaceX公司研製的二級部分可回收式大型運載火箭，其一級火箭能在發射後重複使用10次，從而能使單次發射報價從6100萬美元降低到約5000萬美元。獵鷹9號（不可回收版本）全長70米，直徑3.7米，起飛重量549噸，火箭一級採用液氧煤油推進劑，LEO運載能力約22.8噸，GTO運載能力約8.3噸，LEO運輸成本267美元/千克，GTO運輸成本734美元/千克。截至目前，獵鷹9號火箭發射了28次（Amos-6射前測試事故因為未點火發射未算入），成功26次，成功率92.8%。
2010年6月四日，獵鷹9號首次發射將一枚測試龍飛船送入了一個250千米的低軌道。
獵鷹9號的首次發射
火神/ACES
儘管還沒有最終確定，但是可以肯定的是，ULA的下一代火神火箭作為目前世界上可靠性最高的阿特拉斯5（又叫宇宙神5，音譯和意譯的區別）火箭的後繼者，將開創性的使用商業公司藍色起源的富氧補燃BE-4液氧甲烷發動機並開始嘗試火箭發動機和上面級重複使用。面對勁敵SpaceX（馬斯克基本上是商業發射界的全民公敵）的咄咄逼人，ULA的新總裁Tory Bruno（光頭哥）聲稱，在部分沿用阿特拉斯5成熟技術的情況下，將使用先進技術並優化生產工藝和發射準備流程，使得火神火箭的單次發射報價僅為阿特拉斯5（政府報價1.64億美元）的一半（從近日公開的RocketBuilder.com的網站報價來看，阿特拉斯5的降價也是卓有成效的，目前的商業最低報價為1.09億美元）。火神火箭除了有一次性版本的降價措施外，還有一級發動機回收和ACES上面級重複使用的規劃，倘若這些部分復用措施能完全實施，也將能革命性的降低火箭的發射報價，同時推動ULA殖民月球計劃的實施。火神/ACES（完全不回收版本）全長約70米，直徑5.4米，火箭一級採用液氧甲烷推進劑，LEO運載能力約36噸，GTO運載能力約18噸，GSO運載能力約10噸，LEO運輸成本6500美元/千克，GTO運輸成本11 666美元/千克。
火神/ACES
火神/Centaur計劃於2019年首飛，火神/ACES將於2022年前後首飛。
火神火箭計劃採用充氣熱盾再入方案回收一級發動機
ACES上面級能改裝成可重複使用的XEUS擺渡車，供地月運輸需要
第六代
最後，展望一下未來。假如太空技術的發展如你我所願的話，這一代的運載火箭將是人類有史以來的第一代完全可重複使用發射系統，而且概念設計上會脫離目前嚴格意義上的火箭形態。目前看來，使用吸氣式發動機的一級或兩級入軌完全可重複使用飛行器將是最有前途的方案之一。屆時，普通人也能很方便的進入太空，人類將拉開了星際殖民的序幕。
雲霄塔
雲霄塔「雲霄塔」是英國的一個單級入軌空天飛機概念。這種太空飛機可以從普通飛機跑道起飛，將實現以5倍音速速度攜帶24位乘客抵達太空，並能重複使用200次。該太空飛機是由英國「發動機反應」工程公司建造的，它摒棄採用傳統的外置發動機，靠兩個內置新型發動機驅動，飛行速度五倍於音速。發動機運轉後，會吸收空氣，然後把它降溫、壓縮，與氫一起燃燒，產生推力，讓太空梭上升到距地面約3萬米的大氣層外。接著，液態氫和少量液態氧燃料產生的力量會幫助飛機進入太空中的預定軌道。雲霄塔全長約83米，翼展26.8米，起飛重量325噸，火箭採用液氫液氧推進劑，LEO運載能力約17噸，LEO運輸成本700美元/千克。
雲霄塔空天飛機計劃於2025年首飛。
使用吸氣式發動機的雲霄塔空天飛機
ITS（Interplanetary Transport System，行星際運輸系統，暫名）
殖民火星，讓人類成為一個多行星的物種——這是2002年埃隆馬斯克建立的太空探索技術公司（SpaceX）一向的願景。在IAC2016會議上，馬斯克正式公布了這個42台發動機的火箭怪獸。ITS一級採用和F9一樣的垂直回收多次使用模式，二級為飛船設計，能在軌加註燃料後直接奔向火星並在其表面著陸，其後，通過使用ISRU（In situ resource utilization，原位資源利用）技術在火箭製備液氧和甲烷的火箭燃料後，還能夠完成返回地球的使命。對此，馬斯克的雄心是火箭單次發射費用為6200萬美元，第一級推進器重複使用1000次，太空加油飛船重複使用100次，至於要往返火星地球的飛船，也計劃達到12次的重複使用能力，以此大幅度降低殖民火星的成本。ITS全長約122米，直徑12米，起飛起飛重量10500噸，火箭一級採用液氧甲烷推進劑，LEO運載能力約550噸， LEO運輸成本112美元/千克，計劃單人單程火星票價為20萬美元（載100人）。
ITS發射
ITS計劃於2025年前後首飛。
火星殖民飛船
在外行星上著陸的ITS
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（答案選B）
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