一次使用運載火箭

完成太空飛行器發射任務後不再回收使用的運載器，一次使用運載火箭不需要回收系統，也沒有壽命限制，因此結構簡單，研製成本較低。這種火箭的缺點是用完後就拋掉，選成巨大的浪費，一枚運載火箭的硬體成本約占每次飛行總發射成本的75%-80%，使得單位有效載荷的運輸成本很高。

一次使用運載火箭雖然單位有效載荷的運輸成本較高，但在過去的40多年中一直是世界各國發展的重點，用於發射各種類型的太空飛行器。世界上主要的一次使用運載火箭包括中國的“長征”系列、俄羅斯的“質子號"系列、美國的“德爾塔”、“宇宙神”和"大力神"系列、歐空局的“阿里安"系列、以及日本的H系列等。從未來的發展趨勢看，運載火箭大幅度降低運輸費用的根本途徑是走向重複使用。不過在重複使用技術成熟之前，一次使用運載火箭仍將是世界航天發射的主要工具。

基本介紹

• 中文名：一次使用運載火箭
• 外文名：Expendable launch vehicle
• 所屬領域：航空航天
• 基本釋義：不回收重複使用的運載火箭
• 優點：結構簡單、研製簡單
• 缺點：成本較高
• 套用：航天發射

發展概況

一次使用運載火箭是迄今為止人類進入空間最主要的手段.從1957年蘇聯使用“衛星號”運載火箭發射第一顆人造衛星至今,一次使用運載火箭已走過了半個多世紀的歷程.世界各國初期的運載火箭基本是從彈道飛彈改進而來的,普遍存在型號眾多、任務適應性低、成本高等不足.從20世紀90年代開始,面對不斷增長的空間資源開發需求以及日益激烈的商業發射市場競爭環境,各航天大國在不斷改進現有火箭的同時,大力研製新一代運載火箭.新一代運載火箭的發展,已經完全突破第一代運載火箭在飛彈武器基礎上發展所帶來的限制,從設計開始就考慮民用與商用目標,並且以低成本、高可靠作為主要設計原則,採用模組組合、系列規劃的發展思路.

國外研究進展

美國

美國正在使用的主要一次性運載火箭系列包括宇宙神、大力神和德爾塔3個系列，近年來還出現了“雅典娜”、“金牛座”和空射型的“飛馬座”等小型運載火箭。近期投入使用的宇宙神3和德爾塔3是這兩個系列向更先進的火箭系列——宇宙神5和德爾塔4過渡的型號。宇宙神5和德爾塔4作為美國空軍資助研製的“漸進一次性運載器”（EELV)中的兩個競爭型號，將逐步取代現役各型宇宙神、大力神和德爾塔火箭，成為美一次性運載火箭的主力箭種。

宇宙神5型

俄羅斯

前蘇聯在冷戰時期表現出了強大的航天發射實力。前蘇聯解體後，由於經濟形勢的變化和國內航天活動的減少，俄航天發射次數呈現明顯的下降趨勢。近年來，為利用其發射能力，俄在商業發射領域表現日漸活躍，西方一些廠家也不失時機地同俄運載廠家建立合作關係，向商業用戶推銷俄火箭的發射服務。俄不僅大力利用其各型退役飛彈，在改裝後用於航天發射，還加緊對幾種現役火箭進行升級改造，並在研製全新的“安加拉”系列火箭。

歐洲

歐洲的阿里安運載火箭在目前的國際商業發射市場上占據著半壁江山，目前正在由阿里安4向阿里安5過渡。截止到2001年9月底，阿里安4火箭已發射106次，並實現了連續64次發射成功。阿里安5也已進行了10次發射。

日本

日本的現役運載火箭主要分為固體的M系列和以液體為主的H系列。H-2運載火箭1999年11月在發射衛星時因第一級故障而失敗，使極力想在國際商業發射市場上搶占一席之地的日本人又遭受一次重創。這是H-2連續第二次發射失敗。這次發射所用火箭的採購及發射費用達2.28億美元，約是歐洲阿里安火箭或美國宇宙神2AS火箭的3倍。正是因為發射價格太高，無法在國際衛星發射市場上立足，日本才急於儘快完成由H-2向H-2A系列的過渡。連續兩次失敗後，日本斷然決定取消H-2的最後一次發射，集中精力發展H-2A。

四國合作的“海射”系統

1999年3月，由俄能源科研生產航天中心、美波音公司、烏克蘭南方科研生產聯合體和挪威克瓦內爾造船公司合資開發的“海射”系統進行了首次海上衛星發射，開創了航天發射的一個新方式。美國波音公司在該項目中起著牽頭的作用。

“海射”系統由指揮控制船、發射平台和運載火箭等部分組成，由海射公司負責經營。系統所用的天頂3SL火箭的下面兩級由南方聯合體提供，上面級和整流罩分別由能源中心和波音公司負責。自行式的發射平台由克瓦內爾公司從一座因火災而報廢的大型半潛式北海石油鑽井平台改建而成，重3.1萬噸，長133米，寬60米，可以22公里的時速航行。由克瓦內爾公司下屬的蘇格蘭格拉斯哥造船廠設計建造的指揮控制船長達200米，除用於發射指揮外，還兼作火箭的處理設施。海射公司在美國加州長灘設有母港，指揮控制船和發射平台要從這裡駛往赤道海域實施發射。目前該系統每年可發射6次左右。

利用海上發射平台到赤道海域發射的最大優點是可充分借用地球的自轉力，提高運載能力。發射平台的海上機動能力也為整個系統帶來了使用上更高的靈活性。天頂號火箭雖然成功率不算高，但其水平組裝、自動起豎和自動加注等特點卻非常適合海上發射。

其他國家

除上述國家和組織外，世界上還有一些國家在發展或改進運載火箭。以下是其中幾項計畫的動態和進展情況。

印度印度通過多年的努力，已研製出了3種型號的運載火箭，包括正在使用的“極軌衛星運載器”（PSLV)。新研製的“靜地衛星運載器”（GSLV)為三級運載火箭，可將2.5噸的有效載荷送入靜地轉移軌道。它的第一級使用固體芯級發動機，另外捆綁4台液體助推器；第二級使用液體發動機；上面級使用低溫氫氧|發動機。前幾次發射使用由俄羅斯提供的上面級，隨後將改用印度正在自行研製的一種低溫上面級。該火箭的首次發射已於2001年4月18日進行。

巴西1999年12月11日，巴西用該國自行研製的“衛星運載器”(VLS)1兩級運載火箭進行了一次發射，但以失敗而告終，火箭在起飛3分20秒後因失控而自毀。VLS高19.4米，造價750萬美元，第一級由4台固體助推器捆綁而成，第二級使用一台與一級發動機相近的發動機。飛行中一級工作良好，但二級沒能點火。VLS火箭此前只在1997年11月發射過一次，但因第一級一台助推器出故障只飛行了65秒。儘管兩次試射失敗，巴西仍然沒有放棄研製自己的運載火箭，但已開始尋求外部技術援助，可能會引進俄上面級技術。

以色列以色列已發展了“彗星”運載火箭，並利用它發射了自己的衛星。有報導說，該國模組航天運輸公司提出了一種運載火箭設計，稱“星”460。該火箭可把重達25噸的一組衛星送入低地軌道。它將使用俄制火箭發動機，一級為RD-171，二級為RD-0124。

韓國韓國1999年12月宣布，將在2005年前用國產運載火箭發射自己的衛星。韓用自己製造的設備興建一座衛星發射場，場址已選定為全羅道高興沿海的外羅老島。發射場於2001年動工，2004年試運行，需投資1300億韓元。韓已擁有過6顆衛星，但都是由別國火箭發射的。2001年初有報導稱，韓國將用42.6億美元發展一種更大的國產衛星運載火箭。這種運載火箭可把1噸重的衛星送入低地軌道，於2010年開始發射。

巴基斯坦2000年初有報導說，巴基斯坦正在研製一種衛星運載火箭，準備在“兩三年”內對其進行試驗。

國內研究情況

我國運載火箭以長征火箭為主，截至2008年8月,長征運載火箭完成了108次發射，並且取得了連續66次發射成功的成績.目前我國新一代運載火箭基本型己進入工程研製階段，在這樣的大背景下，有必要重新審視我國運載火箭的能力與現狀、成就與不足，認真思考我國一次性運載火箭的發展思路.

現狀

我國航天運載技術的發展起步於20世紀50年代，經過50餘年的發展，我國先後成功研製了長征一號、長征二號、長征三號、長征四號等15個型號的運載火箭，實現了從常溫推進劑到低溫推進劑、從串聯到捆綁、從一箭單星到一箭多星、從發射衛星到發射載人飛船的跨越式發展，組成了相對完備的運載火箭型譜，近地軌道(LEO)運載能力達到8500kg,太陽同步軌道(SSO)運載能力達到6100kg,地球同步轉移軌道(GTO)運載能力達到5500kg,基本能夠滿足不同用戶的需求.

2007年6月1日，長征火箭走過了100次發射的光輝歷程.前50次發射用了28年的時間，而近年來在各方面需求的牽引下，用10年的時間完成了58次發射，實現了我國長征系列運載火箭歷史上的2個突破：高密度發射的突破和連續發射成功次數的突破.與此同時，運載火箭在可靠性、適應能力、研製能力等方面取得了突出的成績.

但也應該看到，我國長征運載火箭仍然屬於“家族式”系列，每個運載型號的發展都源於特定的需求，型號技術狀態差別較大，也還存在運載能力重疊的現象，還不是真正意義上的“系列化”運載火箭；儘管通過大量的可靠性増長工作不斷提高飛行成功率，長征運載火箭的設計可靠性仍然偏低；在役的長征火箭運載能力相對於國外的新型運載火箭有較大的差距,對於大型和重型有效載荷的發射要求己經難以通過進一步挖潛來予以滿足，一定程度上抑制了有效載荷的進一步發展，同時長征火箭在滿足小衛星發射方面還存在空白，另外上面級能力的不足限制了運載火箭的適應性的提高,不能滿足多星發射及空間運輸的需求，構成了未來技術發展的瓶頸.

發展需求

（1）運載火箭技術亟需提高

當今世界各航天大國都在積極研製高可靠、低成本、大直徑、少級數、使用無毒無污染推進劑的新型運載火箭，都在分階段、有步驟地開展原有運載火箭的更新換代.這些新型運載火箭的近地軌道運載能力一般超過20t,地球同步轉移軌道運載能力可達到10t以上，通過系列規劃、模組組合可以適應不同軌道發射任務的要求.目前以美國的宇宙神-5、德爾它-4,歐空局的阿里安-5,日本的H2-A等為代表的各種新型運載火箭都己投入使用，原有火箭正在逐漸退役，這些國家(地區)己經或者即將全面完成一次性運載火箭的更新換代.

我國長征火箭雖然取得了舉世矚目的成就，但是與國外新型運載火箭系列相比還有比較明顯的差距.面對國外運載火箭發展的強勁浪潮，我國運載火箭需要儘快彌補不足、迎頭趕上，儘快縮小與國外先進運載火箭技術的差距。

（2）套用需求日益旺盛

我國政府對於航天事業高度重視，在不斷豐富和完善衛星種類與體系的同時，積極發展載人航天事業，積極開展以月球探測工程為代表的深空探測活動.

根據我國衛星型號與專業技術發展規劃，未來的衛星發展將以大型衛星和小衛星星座為主，地球同步軌道衛星和非地球同步軌道衛星的發射需求潛力都很大.初步統計表明，未來15年左右的時間裡,我國軍用與民用衛星發射數量將超過200顆.目前以上衛星己有部分選定現有運載火箭進行發射，但還有相當一部分與新一代運載火箭的研製計畫相銜接.此外，由於衛星與運載的發展是相互關聯的，如果運載火箭的發展能夠為衛星提供更大的運載能力、包絡尺寸和更好的飛行環境，則衛星的設計難度將有一定程度的降低，發射數量還可能進一步増加.

此外，二代導航二期工程、高解析度對地觀測系統重大專項、載人航天工程、月球探測工程以及未來可能的載人登月任務及其他的深空探測任務等都對運載火箭的發展提出了迫切的需求.

（3）航天發展運載先行

從我國運載和衛星的發展過程以及世界運載火箭的發展過程均表明：航天發展，運載先行，運載技術對航天發展有明顯的推動作用.充分發揮運載的推動作用，為航天發展提供良好的基礎條件，滿足國內空間技術當前及未來的發展需求.空間套用和運載技術互相促進、協調發展的形式，將會對我國航天的發展產生巨大、積極的影響，使我國的航天技術獲得持續、長足的發展.

發展展望

（1）以滿足基本套用需求為核心、合理規劃新一代運載火箭型譜。

我國新一代運載火箭經過近20年的基礎預研及 關鍵技術攻關，其基本型的研製於2006年10月正式獲得立項批覆，現已進入工程方案設計階段.

我國新一代運載火箭按照“立足長遠、統籌規 劃、優先發展、分步實施”的發展原則，遵循“一個系 列、兩種發動機、三個模組”的總體思路，貫徹“通用 化、組合化、系列化”的設計思想，通過模組化組合 方式，可以形成包括5 m直徑大型運載火箭、3.35 m 直徑中型運載火箭和小型運載火箭在內的火箭系列, 其近地軌道運載能力最大達到25 t、地球同步轉移軌 道運載能力最大達到14 t,能大幅提升我國進入空間 能力，除了滿足衛星發射的需求，還能滿足未來月球 探測工程發射較大規模的月球返回探測器、載人航天 工程的20 t級空間站等大型有效載荷的需求.

但是這些構型中有些構型的能力有重複，需在 綜合考慮能力需求以及對未來任務的適應性、成本、 可靠性等因素的基礎上，合理地進行歸併與濃縮，形 成能很好地滿足未來基本需求、並且構型較少的運載 火箭型譜，力爭在20年內完成一次性運載火箭的更 新換代.

（2）以滿足特殊套用需求為補充、完善一次性運載火箭型譜。

為滿足後續載人登月任務的需求，要求運載系 統奔月軌道和環月軌道的運載能力分別為50和30 t. 我國在役和正在研製的新一代運載火箭都無法完成 載人登月任務，在利用新一代運載火箭的發動機和 箭體直徑等技術條件的基礎上，發展起飛重量千噸 級的超大型運載火箭，採用軌道交會對接的方式，是 我國在2030年前實現載人登月的現實可行的方案.根 據登月規模的需求，後續也可考慮發展起飛重量3000 t級的重型運載火箭完成建立月球基地等大規模的載 人登月任務並進一步提高我國進入空間的能力.

為滿足軍事現代化對快速回響空間的要求，對 具備應急快速發射能力運載器的需求日益迫切.除 液體小運載外，還可發展車載發射固體小運載、空中 發射小型運載火箭，按照液體小運載依靠簡易設施 周發射、固體小運載天發射和空射小運載小時計發射 的指標，逐步實現快速進入空間的目標.

因此，在一次性運載火箭領域，超大型和重型運 載火箭作為未來載人登月和大規模深空探測的基礎, 空射小型運載火箭和車載發射固體小型運載火箭作為快速進入空間的重要途徑，都是未來一次性運載 火箭型譜的重要補充.

（3）以研製上面級為切入點、提升運載火箭的任務適應能力。

上面級是在基礎級火箭上面増加的相對獨立的 一級(或多級)，具有較強的任務適應性，其工作段通 常己經進入地球軌道，是提高火箭性能和提高任務 適應能力的有效途徑之一.我國下一代運載火箭在 套用相應的上面級後，其適用範圍將會得到進一步 擴大，直接把空間飛行器送入太陽同步軌道、地球同 步軌道和環月軌道的運載能力也會得到進一步加強. 同時，載人登月任務奔月飛行需要發展長時間在軌 飛行的上面級，空間攻防體系建設對軌道轉移飛行 器提出了新的要求，因此作為深空探測和空間軌道 服務的基礎的上面級應該加快發展的步伐.

目前我國己經在上面級的研製中具備了一定的 基礎，但上面級通用性和先進性還存在一些不足.因 此需要在前期研製經驗的基礎上，依據國情，分步實 施.可以考慮首先突破長時間在軌飛行所遇到的熱 控、GNC等關鍵技術，研製與二代導航二期工程配套 的專用上面級，並依此對先進上面級的部分關鍵技術進行演示驗證.最後根據具體需求，統籌規劃，發 展先進的軌道轉移運輸系統，這樣既有利於有效突 破關鍵技術，又有利於階段成果的轉化，並與基礎級 運載火箭的發展相呼應.

按照這樣的發展思路，未來我國將形成包括小 型、中型、大型、超大型以及重型運載火箭在內的一 次性運載火箭型譜，不僅可以滿足我國未來衛星發 射、載人航天、探月工程的基本要求，而且可以為大 衛星、大平台等大型有效載荷的發展提供有力的保障, 還可以為快速進入空間及載人登月等特殊需求提供 基礎支撐.

國外未來發展趨勢

儘管實現可重複使用是航天運載器技術發展的目標，以美國為首的一些航天已開發國家也在通過一系列計畫推動這一目標的早日實現，但由於可重複使用運載器技術難度大，牽涉的關鍵技術多，所以近期還無法取代一次性運載火箭。在今後相當長的一段時間內，各國仍會繼續重視發展和改進一次性運載火箭，並以其為主執行各類航天發射任務。與此同時，各種型號的一次性運載火箭將在提高運載能力和可靠性的同時，著力降低發射成本。

目前美國己推出了德爾塔-4(Delta-4)和宇宙神-5(Atlas-5)兩個新型運載火箭系列，歐洲研製了阿里安-5(Anane-5)運載火箭並持續提高其運載能力，日本推出了H-2A[6]火箭系列，俄羅斯正在研製安加拉(Angara)火箭系列.縱觀美國、俄羅斯、歐洲、日本等國家和地區的運載火箭發展計畫，運載火箭的發展趨勢呈現如下幾個方面的特點.

(1) 新一代運載火箭以氫氧發動機或液氧煤油發動機作為主動力，採用模組化的組合方式形成運載能力覆蓋範圍較廣的運載火箭系列，而且各航天大國運載火箭的更新換代己經或即將完成.

國外新型運載火箭從設計開始就兼顧民用與軍用目標，以可靠性、安全性、經濟性等作為主要的設計原則.國外新型運載火箭的芯級均採用大氫氧發動機或液氧/煤油發動機，及大直徑、少級數等方案,運載能力成倍地提高.近地軌道(LEO)運載能力己超過20t，地球同步轉移軌道(GTO)運載能力達10t級.同時GTO運載能力6〜8t級的火箭最多，一般用於單星發射;GTO能力超過10t的火箭一般瞄準雙星發射,主要目的是降低成本.

(2) 為増強運載火箭的任務適應性，各國積極發展上面級技術.

為了提高運載火箭的任務適應能力，各主要航天國家積極研製上面級.上面級是在基礎級火箭上面増加的相對獨立的一級(或多級)，具有較強的任務適應性，其工作段通常已經進入地球軌道，是提高火箭性能和提高任務適應能力的有效途徑之一.美國德爾塔4和宇宙神5兩個系列、歐洲的阿里安5系列以及俄羅斯正在研製的安加拉系列運載火箭都是通過選用不同的上面級，形成擁有各種運載能力、能執行多種任務的運載火箭系列.同時，隨著在軌服務需求的不斷増加，基於上面級技術的軌道轉移運輸飛行器也應運而生，如美國的太陽能軌道轉移運輸飛行器(SOTV)、歐洲的自動轉移運輸飛行器(ATV)、日本的H-2A自動轉移運輸飛行器(HTV)等等.

(3)在由主流運載火箭完成主要進入空間任務的同時，也積極發展針對特殊套用的運載火箭.

美國為重返月球計畫正在研製新型運載火箭戰神1和戰神5,戰神1為載人運載火箭，戰神5為載貨的重型運載火箭，採用人貨分運、近地軌道對接的方式實現載人登月的目標.為滿足快速進入空間的目標，美國研製了空射運載火箭“飛馬座”，正在研製快速機動發射小型軍用火箭獵鷹(Falcon),歐洲正在研製小型運載火箭織女星(Vega).