「大大小小」的運載火箭：航天發射服務更加多樣化

2018年伊始，國際航天發射領域就迎來了多次重大事件。僅不到1周的時間，世界上最小的運載火箭——日本宇宙航空研究開發機構的SS-520和世界上現役能力最強的運載火箭——美國 SpaceX公司的獵鷹重型火箭相繼發射成功。與此同時，美國火箭實驗室公司也在紐西蘭成功發射電子小型運載火箭。這些「大大小小」的運載火箭各自有何優勢和使命？是否預示著航天發射服務正朝著多樣化發展？

靈活機動的微小型火箭

電子小型運載火箭

根據蘇聯航天先驅齊奧爾科夫斯基提出的火箭方程，運載火箭的推進劑所佔的比重越大，火箭的加速能力就越強。

由於火箭的結構、控制、電氣等裝置要佔據一些重量，這就導致火箭越大，其推進劑的比例越容易做得更高，能力也就越強，可運送的有效載荷占火箭起飛重量的比例就越高。從這個角度講，火箭越小，越不容易得到較高的運載係數。

然而，近年來，隨著微納衛星的發展，對小型運載火箭的需求越來越旺盛。這一方面是由於隨著電子技術的發展，衛星的部組件功能越來越強大，以前需要大衛星才能完成的功能，現在由微納衛星就有可能實現；另一方面是由於微納衛星的功能和用途越來越廣泛，因此也逐漸對其需要進入的軌道提出了越來越多的要求。

過去，微納衛星功能不強，主要是為了完成一些教學、小規模的科研和技術驗證任務，由於沒有合適其大小的運載火箭，而單獨為這樣的小衛星使用大型運載火箭又不划算，因此小衛星通常採用搭載方式發射。

在這種情況下，發射服務提供方優先考慮的是運載火箭的主載荷對軌道的需求，並且搭載載荷的尺寸、安全性等方面都不能影響到主載荷，所以就給搭載發射的微納衛星提出了很多限制。

更為重要的是，整個發射業務的周期是由火箭的主載荷來決定的，搭載的衛星沒有太多的選擇餘地，如果跟不上進度，只能放棄這次搭載機會，如果主載荷出現拖延也只能等著。所有這些正反面的因素催生了市場對微小型運載火箭的需求。

然而，從目前來看，已經成功發射的SS-520、「電子」等小型運載火箭雖然能滿足微納衛星對發射周期、軌道等方面的要求，但由於它們的運載係數較低，導致其單位質量的發射成本高於搭載方式的成本。

也許，未來會出現「搭載發射為主，微小型火箭補充」的態勢。不過隨著未來微納衛星的蓬勃發展，發射機會的絕對數量必然會逐漸增加。

「大傢伙」的大擔當

「獵鷹重型」火箭

採用27台發動機並聯、技術風險極大的「獵鷹重型」在其首次試飛中就取得成功，在不回收的工作模式下，其低軌道運載能力超過63噸，成為目前人類現役運載火箭中的「最強者」。

實際上，從阿波羅計劃結束至今，低軌道運載能力在20噸量級的各航天大國主力運載火箭已經能滿足近幾十年來航天活動的所有需求。

然而，隨著美國將載人登陸火星作為其航天活動的長期戰略目標，並且有可能將重返月球作為其重要的中間步驟，而俄羅斯、中國等航天大國也提出了相關方面的設想或需求，並最終有可能落實為實際的計劃，這就使得重型火箭的發展再次進入人們的視野。

對於載人登月這樣的目標，需要近地軌道運載能力100噸以上的重型運載火箭，甚至需要這樣的火箭發射兩次才能完成一次登月任務。

近地軌道運載能力在60噸量級的「獵鷹重型」運載火箭還滿足不了這樣的需求，只能將龍飛船這樣的載荷送到奔月軌道，而這樣大小的飛船由於機動能力不足，無法從奔月軌道制動進入繞月軌道，因此只能採用自由返回軌道，繞月球一圈即回來。

因此，在載人登月乃至登陸火星這樣的應用領域，「獵鷹重型」更大的意義在於對大量並聯發動機帶來的各種問題進行探索，為未來更大的大型獵鷹火箭進行技術積累。

但除了載人登月之外，「獵鷹重型」還是有非常好應用前景的。例如數量極多的低軌或高軌衛星星座的建設，「獵鷹重型」可以用一次發射就將一個軌道面的全部衛星發射入軌，36次發射就可完成1個超大型衛星星座的部署，且每顆衛星的質量還不低。

另一個非常有希望的領域就是深空探測。目前，受火箭的運載能力限制，很多深空探測器不得不採用迂迴前進的方式。例如，「卡西尼號」需要先飛往金星，藉助金星、地球等的引力加速，才能飛往其目的地——土星。

如果採用「獵鷹重型」就有可能將類似的探測器直接送到飛往目的地的軌道，不但節省很多時間，探測器的設計也可以在很大程度上簡化。

系列化與通用化是「通途」

長征運載火箭型譜

當前，世界各主要航天大國的運載火箭除了向大型化和微小型化發展，還有一個重要的趨勢是朝著系列化和通用化的方向發展。

為了滿足不同運載能力、不同軌道的發射服務需求，各國通常都會儘可能地使用較少的發動機種類、較少的箭體結構種類來實現不同運載能力的系列化發展，構建運載能力範圍廣泛的火箭系列。

比較典型的例子包括：美國的「宇宙神系列」「德爾塔系列」、俄羅斯的「安加拉系列」、中國的「長征系列」等運載火箭，其芯級火箭的直徑一般只有1~2種，運載火箭的級數23級配合不同數量的助推器實現全範圍的能力覆蓋。

雖然在這種情況下，某些組合的效率和運載係數未必最佳，卻可以用最小的投入和最快的速度構建相應運載能力的火箭來滿足市場需求。

在系列化與通用化的進程中，上面級扮演著越來越重要的角色，不但可以在基礎級相同的情況下適應不同軌道的發射任務，還可以通過延長在軌時間來實現多個載荷在不同軌道的部署。

特別是對於地球同步軌道衛星的發射業務，系列化與通用化可以將衛星直接送入最終軌道，省去了傳統地球同步軌道衛星龐大的遠地點發動機，使得這些衛星可以做得更小。

可以預見，隨著人類航天活動越來越走向繁榮，對航天發射服務的需求也將更加多樣化發展，更大、更小更多樣化的運載火箭，都將在技術創新的驅動下，不斷提升性能，加速人類探索與開發太空的步伐。

來源：中國航天報

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