運載火箭（英文名：carrier rocket）是由多級火箭組成的航天運載工具，用于把人造衛(wèi)星、載人飛船、空間站或空間探測器等有效載荷送入預(yù)定軌道。運載火箭一般由箭體結(jié)構(gòu)、推進系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、飛行測量及安全系統(tǒng)、附加系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成。
運載火箭依靠火箭發(fā)動機推進，火箭點火后，推進劑燃燒產(chǎn)生大量高壓氣體；高壓氣體從發(fā)動機噴管高速噴出，對火箭產(chǎn)生反作用力，使火箭沿氣體噴射的反方向前進。
運載火箭按使用推進劑分類主要分為固體運載火箭、液體運載火箭、固液捆綁運載火箭。按運載能力主要分為小型、中型、大型、重型運載火箭。早期運載火箭多由導(dǎo)彈改進而來，經(jīng)過長久的發(fā)展，新一代運載火箭在運載能力、可靠性、經(jīng)濟性、控制系統(tǒng)、使用推進劑等方面上有巨大進步。未來發(fā)展主要趨于低成本發(fā)射、推進系統(tǒng)改革、多樣態(tài)全域發(fā)射等方面。
發(fā)展歷史
早期探索
傳說14世紀末，中國古代一個萬戶的人，在座椅背后安裝47支當(dāng)時最大的火箭，他讓人把自己捆在椅子上，兩手各持大風(fēng)箏，再同時點燃這些火箭，試圖借助火箭的推力與風(fēng)箏的升力升空，但嘗試以失敗告終。
為紀念這位世界上第一個利用火箭推力飛行的先驅(qū)者，人們將月球背面的一座環(huán)形山命名為“萬戶環(huán)形山”。
世界運載火箭沿革
運載火箭的誕生
1903年，俄羅斯的康斯坦丁?康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基發(fā)表了“利用噴氣機來探測宇宙的”文章，是最早論述星際航行的文獻。齊奧爾科夫斯基考察了火箭運動的規(guī)律，找到了他的的方程式。按照這個方程式，火箭運動的速度決定于它的噴氣速度和它的質(zhì)量比——即滿載燃料時的火箭重量和燃料燒光時的火箭重量之比，為現(xiàn)代運載火箭的研制奠定了基礎(chǔ)。
1957年8月3日，謝爾蓋·科羅廖夫（康斯坦丁?齊奧爾科夫斯基的學(xué)生）設(shè)計的SS-6導(dǎo)彈試驗成功。1957年10月4日，科羅廖夫利用該代號P-7導(dǎo)彈的改裝，即衛(wèi)星號運載火箭發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星，這是世界上第一枚成功發(fā)射人造衛(wèi)星的運載火箭。
第一代運載火箭
第一代運載火箭主要在1978年前投入使用。主要包括的丘諾、早期的宇宙神、雷神、，的、閃電號等。
第一代運載火箭多是以導(dǎo)彈為基礎(chǔ)改造而來，此代運載火箭的發(fā)射遭多次失敗。
典型型號
東方號于1959年發(fā)射成功。東方號火箭為兩級半結(jié)構(gòu)，基本上是在衛(wèi)星號一級半構(gòu)型的基礎(chǔ)上增加液氧/煤油第二級，曾發(fā)射了前蘇聯(lián)第一個月球探測器和世界上第一艘載人飛船。
東方號運載火箭全長38.4米，底部最大徑向尺寸10.3米，起飛質(zhì)量287噸，起飛推力4942千牛，低地軌道運載能力4730公斤。
第二代運載火箭
第二代運載火箭是指1978年到1998年間投入使用的火箭。第二代運載火箭主要包括的宇宙神（宇宙神G、宇宙神H、宇宙神1、宇宙神2、宇宙神2A和宇宙神2AS）、德爾它改進型（4000、5000、6000和7000型）和大力神2SLV火箭，的聯(lián)盟號U2和天頂號2火箭，歐洲的阿麗亞娜1、阿麗亞娜2、阿麗亞娜3和阿麗亞娜4火箭等。
第二代運載火箭特點包括：增加火箭長度、改進推進系統(tǒng)、使用復(fù)合材料和容錯箭上電子系統(tǒng)
第二代運載火箭相比于第一代：增加了火箭長度、整流罩直徑、高度；使用更先進的火箭發(fā)動機，推進劑質(zhì)量、海平面平均推力均有大幅提升。第二代火箭吸取了第一代火箭的失敗教訓(xùn)，大幅提高了運載火箭的可靠性
典型型號
阿麗亞娜1于1979年12月24日首次發(fā)射試驗成功。阿麗亞娜1采用三級構(gòu)型，一級采用四臺維金-5常規(guī)液態(tài)火箭發(fā)動機。二級采用一臺維金-4發(fā)動機，三級采用了HM7氫氣、液態(tài)氧低溫推進劑火箭發(fā)動機。它的一、二子級采用可貯存的常規(guī)推進劑，氧化劑是四氧化二氮，燃燒劑是偏二甲腆，三子級則采用液氫、液氧低溫推進劑。
阿麗亞娜1運載火箭全長47.4米，最小直徑2.6米，最大直徑3.8米，起飛質(zhì)量207噸，起飛推力2450千牛，低地軌道運載能力2500公斤。
第三代運載火箭
第三代運載火箭是指1998年以后投入使用的運載火箭。第3代運載火箭主要包括美國的改進型一次性運載火箭，如宇宙神5和德爾塔4，俄羅斯的質(zhì)子號K/微風(fēng)M、質(zhì)子號M/微風(fēng)M和質(zhì)子號M/DM-2，歐洲的阿麗亞娜5，日本的H-2A、H-2B等。
主要特點有：高性能推進系列、降低推進級數(shù)量、先進的制導(dǎo)設(shè)備，并在第2代運載火箭基礎(chǔ)上進行改進。
第三代運載火箭相比于第二代：火箭發(fā)動機的比沖大幅提高，制導(dǎo)系統(tǒng)采用新型的平臺-計算機制導(dǎo)系統(tǒng)，采用顯式制導(dǎo)和高精度陀螺穩(wěn)定平臺，使制導(dǎo)方法誤差和工具誤差減小，提高了制導(dǎo)精度。
典型型號
宇宙神5于2002年8月21日發(fā)射。宇宙神5運載火箭采用兩級或兩級半結(jié)構(gòu)，公用芯級使用1臺RD-180火箭發(fā)動機液態(tài)氧煤油發(fā)動機。半人馬座上面級使用1臺或2臺RL10A-4-2氫氣液氧發(fā)動機。宇宙神”5火箭有三種不同的型號——400系列、500??系列和重型火箭。400系列使用4米直徑的載荷罩；500系列使用5米直徑的整流罩。根據(jù)有效載荷質(zhì)量和尺寸的不同，宇宙神5運載火箭火箭最多可以將5枚固體火箭助推器捆綁在火箭上，以便在火箭起飛時提供額外推力。
宇宙神5運載火箭全長32.5米，直徑3.8米，400系列根據(jù)捆綁固體助推器數(shù)量運載能力可達4950-7640公斤，500系列根據(jù)捆綁固體助推器數(shù)量運載能力可達3970-8670千牛
中國運載火箭沿革
相關(guān)機構(gòu)的成立
1956年2月17日，錢學(xué)森向黨中央、國務(wù)院提交《建立我國國防航空工業(yè)的意見書》，對組建導(dǎo)彈研究的組織機構(gòu)、人員選調(diào)、發(fā)展規(guī)劃和實施步驟提出了具體建議和意見。5月26日，中央軍委確定由航空工業(yè)委員會負責(zé)組建導(dǎo)彈管理機構(gòu)——國防部五局和導(dǎo)彈研究機構(gòu)——國防部第五研究院。10月8日，中國運載火箭技術(shù)研究院在北京舉行成立大會，錢學(xué)森任院長。中國航天事業(yè)就此起步。
運載火箭的發(fā)展
第一代運載火箭
中國第一代運載火箭包括長征一號、長征二號系列運載火箭。
“長征一號”運載火箭是在“東風(fēng)四號”導(dǎo)彈基礎(chǔ)上研制的，于1970年4月24日發(fā)射，運載能力低，只發(fā)射過兩顆衛(wèi)星。1965年8月中央專委第十三次會議批準中國科學(xué)院《關(guān)于發(fā)展我國人造衛(wèi)星工作規(guī)劃方案建議》，確定發(fā)展應(yīng)用衛(wèi)星為主的方針，其中遙感衛(wèi)星是重點。1967年9月，第七機械工業(yè)部召開返回式衛(wèi)星方案論證會，確定長征二號運載火箭以“東風(fēng)五號”洲際導(dǎo)彈為基礎(chǔ)進行改制，用于發(fā)射返回式衛(wèi)星。
第一代火箭根據(jù)液體導(dǎo)彈改進而來，具有明顯的武器特點而來，解決了中國運載火箭有無問題，但運載能力等總體性能偏低，使用維護性差，發(fā)射場測試發(fā)射周期長，采用模擬控制系統(tǒng)。
第二代運載火箭
中國第二代運載火箭包括長征二號丙系列、長征二號丁、長征二號E、長征三號。
長征二號丙是在長征二號基礎(chǔ)上加長貯箱、增加發(fā)動機推力的改進型號，主要用于發(fā)射低地球軌道和太陽同步軌道衛(wèi)星。長征二號E由中國運載火箭技術(shù)研究院研制，是在加長的長征二號丙（CZ-2C）周圍捆綁四枚2.25米直徑液體助推器的火箭。長征二號丁由上海航天技術(shù)研究院研制，是在長征四號甲的基礎(chǔ)上減少常規(guī)液體三子級，并進行適應(yīng)性改進形成的火箭，主要用于發(fā)射近地軌道衛(wèi)星。20世紀70年代中期，為了完善中國的通信系統(tǒng)建設(shè)，促進航天與電子技術(shù)的發(fā)展，中國決定實施衛(wèi)星通信工程。長征三號運載火箭作為此工程的重要組成部分之一，于1975年3月經(jīng)國務(wù)院批準立項。
第二代火箭仍然帶有液體導(dǎo)彈的痕跡，在第一代火箭的基礎(chǔ)上進行了技術(shù)改進，采用有毒推進劑（四氧化二氮和偏二甲肼），采用數(shù)字控制系統(tǒng)。
第三代運載火箭
中國第三代運載火箭包括長征二號F、長征三號甲系列、長征四號系列。
長征二號F由中國運載火箭技術(shù)研究院研制，它是在長征二號E火箭的基礎(chǔ)上，按照發(fā)射載人飛船的要求，以提高可靠性、確保安全性為目標研制的運載火箭，主要用于發(fā)射神舟飛船和大型目標飛行器到近地軌道。長征三號甲系列運載火箭由長征三號甲、長征三號乙、長征三號三種大型低溫液體運載火箭組成。20世紀90年代，中國通信衛(wèi)星事業(yè)處于方興未艾的階段，幾年前中國發(fā)射的東方紅二號衛(wèi)星的壽命均已到期，長征三號甲的研制為發(fā)射中國第二代大容量長壽命廣播通信衛(wèi)星“東方紅三號”提供了運載工具。長征四號甲由上海航天技術(shù)研究院研制，是在長征二號丙基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計，并增加常規(guī)液體三子級而形成的一種常規(guī)液體三級火箭，采用四氧化二氮/偏二甲肼作為推進劑，其主要任務(wù)是發(fā)射對地觀測應(yīng)用衛(wèi)星。長征四號乙是長征四號的改型，長征四號丙是在長征四號乙基礎(chǔ)上，增加了三子級二次啟動能力。
第三代火箭在第二代基礎(chǔ)上持續(xù)開展可靠性增長和技術(shù)改進，采用系統(tǒng)級冗余數(shù)字控制系統(tǒng)，增加了三子級，任務(wù)適應(yīng)能力大大提高。為滿足載人航天任務(wù)需求增加故檢逃逸系統(tǒng)而研制載人火箭，大幅度提升任務(wù)可靠性，并且簡化發(fā)射場測發(fā)流程，提高使用維護性能。
第四代運載火箭
中國第四代運載火箭包括長征五號運載火箭、長征六號、長征七號、長征十一號等，采用環(huán)境友好的無毒無污染推進劑，采用高可靠總線技術(shù)，最大運載能力得到了本質(zhì)性提升。
2001年，中國運載火箭技術(shù)研究院提出新一代火箭的運載能力、推進劑種類、級數(shù)以及設(shè)計原則（即高可靠、低成本、低污染、模塊化、通用化）。2002年，該院確定“一個系列、兩種發(fā)動機、三個模塊”的總體發(fā)展思路，以及“通用化、系列化、組合化”的設(shè)計思想。利用“三個模塊”組合，可形成長征五號大型運載火箭、長征七號中型火箭和長征六號小型火箭，形成近地軌道運載能力1.5—25.0噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力1.5—14.0噸的完整火箭系列。同時為適應(yīng)快速發(fā)射小衛(wèi)星的需要，中國運載火箭技術(shù)研究院研制了中國第一枚全固體運載火箭長征十一號。
原理與飛行過程
基本原理
火箭是靠火箭發(fā)動機向前推進的。火箭發(fā)動機點火以后，推進劑（液體的或固體的燃料加氧化劑）在發(fā)動機燃燒室里燃燒，產(chǎn)生大量高壓氣體；高壓氣體從發(fā)動機噴管高速噴出，對火箭產(chǎn)生反作用力，使火箭沿氣體噴射的反方向前進。火箭推進原理依據(jù)的是牛頓第三運動定律：作用力和反作用力大小相等，方向相反。一個扎緊的充滿空氣的氣球一旦松開，空氣就從氣球內(nèi)往外噴，氣球則沿反方向飛出，其道理是一樣的。
飛行過程
運載火箭（以無助推器火箭為例）從起飛到進入最終軌道一般要經(jīng)過以下幾個階段。
大氣層內(nèi)飛行段：火箭從發(fā)射臺，在離開地面以后的十幾秒鐘內(nèi)一直保持垂直飛行。火箭要在大氣層內(nèi)跨過音速，為減小和減輕結(jié)構(gòu)重量。
等角速度程序飛行段：第二級火箭的飛行已經(jīng)在稠密的大氣層以外，火箭按照最小能量的飛行程序，即以等角速度作低頭飛行。達到停泊軌道高度和相應(yīng)的軌道速度時，火箭即進入停泊軌道滑行。對于低軌道的航天器，火箭這時就已完成運送任務(wù)，航天器便與火箭分離。
過渡軌道階段：對于高軌道或行星際任務(wù)，末級火箭在進入停泊軌道以后還要再次工作，使航天器加速到過渡軌道速度或逃逸速度，然后航天器與火箭分離。
相關(guān)實例
結(jié)構(gòu)組成
運載火箭一般由箭體結(jié)構(gòu)、推進系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、飛行測量及安全系統(tǒng)、附加系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成。
箭體結(jié)構(gòu)
箭體結(jié)構(gòu)是火箭各個受力和支承結(jié)構(gòu)件的總稱。其功能是安裝連接有效載荷、儀器設(shè)備、推進系統(tǒng)和儲存推進劑承受地面操和飛行中的各種載荷維持良好的外形以保證火箭的完整。
液體推進劑火箭結(jié)構(gòu)包括：有效載荷整流罩、推進劑貯箱、儀器艙、箱間段、級間段、發(fā)動機支承結(jié)構(gòu)、儀器支架、導(dǎo)管、活門和尾段、尾翼等。
有效載荷整流罩的作用是在大氣層內(nèi)飛行時保護有效載荷免受氣動載荷及熱流的影響，并使火箭維持良好的氣動外形。飛出大氣層后整流罩即被拋棄以減輕重量。推進劑貯箱占據(jù)箭體結(jié)構(gòu)的絕大部分，它除儲存推進劑外還是火箭的承力結(jié)構(gòu)。級間段是多級火箭的級間連接部件級間熱分離時它使上面級發(fā)動機的噴流能順暢排出。
推進系統(tǒng)
推進系統(tǒng)的功能是產(chǎn)生推力，為推動火箭提供能源。
液體火箭的推進系統(tǒng)包括火箭發(fā)動機及推進劑輸送系統(tǒng)兩部分。液態(tài)火箭發(fā)動機目前一般采用泵式推進劑供應(yīng)，它按要求的流量和壓力將推進劑泵入推力室，燃燒而產(chǎn)生推力。液體火箭的推進劑輸送系統(tǒng)是按要求將推進劑從推進劑貯箱內(nèi)輸送到發(fā)動機泵入口。為保證泵不產(chǎn)生氣蝕，推進劑貯箱內(nèi)必須增壓。增壓也有利于火箭承受飛行中的各種外力載荷。大型運載火箭在輸送系統(tǒng)中還設(shè)置了推進劑利用系統(tǒng)，它保證火箭在飛行時、在受各種內(nèi)外干擾條件下，推進劑按預(yù)定混合比消耗，使剩余量最小，從而增大運載能力。
世界大中型運載火箭普遍采用高性能的低溫動力系統(tǒng)，并持續(xù)開展技術(shù)改進，典型發(fā)動機包括航天飛機的SSME發(fā)動機、SLS的RS-25E、德爾塔4的RS-68火箭發(fā)動機、通用型末級發(fā)動機RL10系列、阿麗亞娜5的Vulcain2、H-2A的LE-7A等液態(tài)氧/液氫發(fā)動機和聯(lián)盟號飛船的RD-107系列、宇宙神5的RD-180火箭發(fā)動機、獵鷹9的Merlin-1D+、安加拉的RD-191等液氧/煤油發(fā)動機。相應(yīng)的增壓輸送系統(tǒng)也呈現(xiàn)出簡潔可靠、輕質(zhì)高效、使用維護性友好等特點，加注及發(fā)射測試技術(shù)自動化程度高。
控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)由制導(dǎo)、姿態(tài)控制和控制系統(tǒng)綜合3部分組成。作用是控制火箭姿態(tài)穩(wěn)定，使其按預(yù)定軌道飛行，并控制火箭發(fā)動機關(guān)機，達到預(yù)定的速度，將有效載荷送入預(yù)定的軌道。
制導(dǎo)系統(tǒng)
制導(dǎo)系統(tǒng)由測量、控制裝置和計算機等組成。其功能是測量和計算火箭的位置、速度、加速度和軌道參數(shù)等，與預(yù)先裝定的參數(shù)比較，形成制導(dǎo)指令。通過導(dǎo)引信號控制火箭方向，使它沿一定的軌道飛行，并發(fā)出發(fā)動機關(guān)機指令，使有效載荷進入預(yù)定軌道。
長征七號運載火箭制導(dǎo)系統(tǒng)采用“捷聯(lián)慣性測量組合+衛(wèi)星導(dǎo)航接收機+冗余箭機”的組合導(dǎo)航方案。在火箭飛行過程中，捷聯(lián)慣性測量組合中3只正交安裝的加速度計和3只正交安裝的陀螺儀分別敏感箭體坐標系上三個方向的視加速度、角速度信息，提供視加速度、角速度累加脈沖數(shù)給箭機。箭機通過數(shù)據(jù)總線錄取捷聯(lián)慣性測量組合的輸出信息，經(jīng)工具誤差補償及冗余信息管理后，得到箭體角增量和視速度增量信息參加四元數(shù)計算和導(dǎo)航計算，獲取火箭慣性坐標系下的姿態(tài)、速度及位置信息。依據(jù)任務(wù)需求，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機接收GNSS定位信息進行數(shù)據(jù)解析，并獲取運載火箭的位置、速度信息，然后利用慣性導(dǎo)航參數(shù)信息與衛(wèi)星導(dǎo)航參數(shù)信息的差值作為最小二乘濾波的輸入，算出導(dǎo)航參數(shù)（位置、速度）修正量，發(fā)送給箭機進行導(dǎo)航參數(shù)修正。
姿態(tài)控制系統(tǒng)
姿態(tài)控制系統(tǒng)由敏感裝置、計算機和執(zhí)行機構(gòu)3部分組成。敏感裝置測量箭體姿態(tài)的變化并輸出信號；計算機對各姿態(tài)信號和導(dǎo)引指令按一定控制規(guī)律進行運算、校正和放大并輸出控制信號；執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)控制信號產(chǎn)生控制力矩，控制火箭的姿態(tài)。
世界運載火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)普遍采用PID控制，根據(jù)飛行時間段調(diào)整PID參數(shù)。PID控制在土星5、航天飛機和戰(zhàn)神火箭中廣泛采用。PID控制成為運載火箭的主流控制方法，主要原因有2點：1）PID控制方法繼承性好，能進行裕度分析；2）運載火箭基本按照預(yù)定軌跡飛行，不做大的機動，可以進行三通道獨立設(shè)計，而這種單輸入單輸出系統(tǒng)，PID控制比較實用，且理論分析方法成熟，能滿足運載火箭飛行的姿控要求。國外運載火箭在進行姿控設(shè)計時，在PID控制基礎(chǔ)上進行了改進，如阿麗亞娜火箭在此基礎(chǔ)上采用了主動減載控制技術(shù)，戰(zhàn)神火箭在此基礎(chǔ)上采用了抑制起飛漂移控制方法等。
控制系統(tǒng)綜合
控制系統(tǒng)綜合包括電源配電、時序和測試線路等，將制導(dǎo)、姿態(tài)控制和系統(tǒng)綜合組成一個完整系統(tǒng)。
飛行測量及安全系統(tǒng)
飛行測量及安全系統(tǒng)的功能是測量火箭飛行過程中各種關(guān)鍵參數(shù)、并判斷其是否安全飛行。飛行測量包括遙測及外測。
遙測
“遙測”系統(tǒng)的作用是對火箭飛行中各系統(tǒng)的工作參數(shù)及環(huán)境參數(shù)進行測量，通過遠距離無線電傳輸和回收裝置送回地面，為評定火箭各分系統(tǒng)工作狀態(tài)、分析故障、鑒定和改進火箭性能提供依據(jù)。遙測系統(tǒng)的箭上設(shè)備主要有傳感器、變換器、中間裝置和無線電發(fā)射設(shè)備，將測得的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺脽o線電多路通信方式向地面?zhèn)鬏敚傻孛娼邮照緦⑿盘栠M行解調(diào)、變換和處理；或用磁記錄器記錄速變參數(shù)，進行軟回收或硬回收。
外測
“外測”是外彈道測量的簡稱，即利用光、電波等的特性對火箭進行跟蹤并測量其飛行運動參數(shù)。外測系統(tǒng)的主要設(shè)備在地面，如各種雷達及光學(xué)設(shè)備，而箭上設(shè)備僅是應(yīng)答機、天線和光學(xué)合作目標等。近年來發(fā)展了利用全球定位系統(tǒng)GPS對火箭進行定位測量，使箭上設(shè)備更為簡化，精度也更為提高。外測的目的有兩個：一是為評定飛行性能及制導(dǎo)精度分析提供數(shù)據(jù)；二是為飛行安全、故障分析和處理服務(wù)。
安全系統(tǒng)
安全系統(tǒng)的作用是火箭在飛行中若出現(xiàn)故障、飛行彈道超出允許范圍而危及地面安全時，將火箭炸毀。箭上自毀系統(tǒng)由敏感裝置、計算裝置及爆炸裝置組成，根據(jù)姿態(tài)故障或接收地面安控炸毀信號，自動或人工發(fā)出爆炸指令，進行自毀。
箭上附加系統(tǒng)
一些比較獨立的、又不可缺少的箭上小系統(tǒng)統(tǒng)稱為附加系統(tǒng)。如瞄準系統(tǒng)、垂直度調(diào)整系統(tǒng)、推進劑加注與液位測量系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)等。
瞄準系統(tǒng)用來確定位于發(fā)射點的火箭的初始方位，控制火箭對準發(fā)射方向。垂直度調(diào)整系統(tǒng)用來調(diào)整火箭豎立狀態(tài)下的垂直度；推進劑加注與液位測量系統(tǒng)用來對火箭進行推進劑及氣源的加注，進行液面測量及溫度監(jiān)測。而空調(diào)系統(tǒng)則對火箭各艙段、有效載荷整流罩等進行保溫及溫度、濕度調(diào)節(jié)。
技術(shù)指標
運載能力
運載火箭的運載能力是根據(jù)有效載荷的質(zhì)量（重量）、目標軌道及發(fā)射場的地理位置所確定的。在運載能力的設(shè)計中進行火箭型式選擇及軌道分析，以期得到最節(jié)省能量的最優(yōu)軌道，將最大的有效載荷質(zhì)量送到所需要的軌道上去。
入軌精度
不同用途的有效載荷有不同的入軌精度要求。運載火箭與有效載荷分離時刻的入軌精度按下列6個軌道要素給出：長半軸Δα、橢圓偏心率Δe（或近地點高角ΔHp）、軌道傾角Δi、升交點赤徑ΔΩ、近地點幅角Δω、軌道周期ΔT。這些要素的精度是由入軌點的位置偏差、速度偏差和發(fā)射時間偏差所決定的，它取決于運載火箭的制導(dǎo)精度及發(fā)射時刻的偏差。
入軌姿態(tài)精度
入軌姿態(tài)精度指有效載荷分離后有效載荷的姿態(tài)角偏差及角速度。入軌點的初始姿態(tài)及角速度精度由火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)所確定。
有效載荷整流罩凈空間
可供有效載荷整流罩內(nèi)安裝有效載荷的空間稱為凈空間，凈空間的規(guī)定明確了有效載荷的外包絡(luò)不能超過所規(guī)定的凈空間。規(guī)定凈空間必須考慮靜態(tài)的各種對接框的機械加工誤差及動態(tài)（飛行時）的各種熱、力載荷引起的變形。
在運載火箭提供發(fā)射服務(wù)時，有效載荷結(jié)構(gòu)的局部可以有允許超出凈空間的規(guī)定，但必須通過雙方協(xié)調(diào)，經(jīng)運載火箭研制方分析、協(xié)調(diào)，并在接口控制文件中加以確認方可。
有效載荷接口
有效載荷接口包括機械接口和電氣接口。機械接口是指有效載荷與火箭對接的尺寸和連接、分離方式。國際上通用的機械接口有937、1194、1497等，它是指對接的名義尺寸，單位為mm。這些接口在國際上較為常用，但還沒有達到國際標準化的程度。電氣接口是指有效載荷需要運載火箭提供的電信號特性及相互間電氣連接的協(xié)調(diào)關(guān)系，如接插件的型號、接點數(shù)和電特性等。
環(huán)境條件
環(huán)境包括：過載、沖擊、振動、噪聲、熱和電磁兼容等。
有效載荷應(yīng)能承受運載火箭在發(fā)射準備期間及火箭飛行期間產(chǎn)生的上述環(huán)境。有效載荷所能承受的環(huán)境也是運載火箭設(shè)計的依據(jù)之一。在提供發(fā)射服務(wù)時應(yīng)明確上述環(huán)境指標，以便使有效載荷方能判斷是否能適應(yīng)這些環(huán)境指標。
可靠性
可靠性是指火箭在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定任務(wù)的概率。可靠性包括飛行可靠性及發(fā)射可靠性。
飛行可靠性：運載火箭完成發(fā)射點火后，在規(guī)定的環(huán)境條件下，按規(guī)定的飛行程序及要求，將有效載荷送入預(yù)定軌道的能力。
發(fā)射可靠性：火箭運載系統(tǒng)在規(guī)定的貯存期內(nèi)，在規(guī)定的地面環(huán)境條件下，按規(guī)定的要求完成發(fā)射準備及點火任務(wù)的能力。
目前，國際上成熟的運載火箭的可靠性水平：飛行可靠性0.95以上；發(fā)射可靠性0.9以上；載人運載器的飛行可靠性已達到0.98～0.99以上。
運載火箭分類
按使用推進劑來分
固體火箭
固體火箭，使用固態(tài)燃料作為火箭發(fā)動機推進劑。具有易實現(xiàn)大推力、發(fā)射操作簡單、使用維護方便等優(yōu)點。與液體火箭同等推力的固體火箭沒有復(fù)雜的渦輪泵和推進劑輸送系統(tǒng)，研制難度較低。對于航天技術(shù)和工業(yè)基礎(chǔ)薄弱的國家而言，研制固體火箭是實現(xiàn)進入太空夢想可行性更高的想法。
典型型號
織女星是歐洲航天局于1998年開始推動研制的固體運載火箭，火箭于2012年2月13日執(zhí)行首次飛行試驗。火箭高約30.1m，直徑3m，起飛質(zhì)量約136.8t，500km太陽同步軌道運載能力約為1435kg。
織女一火箭第一級采用直徑3米的P80FW固體發(fā)動機，第二級采用ZEFIRO23發(fā)動機，第三級采用ZEFIRO9A發(fā)動機。
三級發(fā)動機均使用帶復(fù)合裙的碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料殼體，燃燒室絕熱層使用添加芳綸纖維和玻璃空心微球的低密度三元乙丙橡膠，推進劑為HTPB1912丁羥推進劑，噴管為潛入式柔性擺動噴管。P80FW噴管采取了降低成本的新技術(shù)，包括采用玻璃／ep增強件的自防護柔性接頭，采用低剪切模量的橡膠彈性件，降低噴管擺動力矩。擴張段采用組合結(jié)構(gòu)，在前部高熱通量區(qū)域使用2D碳/酚醛材料，后部低燒通量區(qū)域使用3D針刺碳纖維和樹脂傳遞塑模工藝來降低成本。
液體火箭
液體火箭，使用液態(tài)或氣態(tài)燃料作為火箭發(fā)動機推進劑。具有比沖高、推力可調(diào)、可多次啟動等優(yōu)點。比沖越高意味著火箭在推進劑一定的情況下可以攜帶更多的載荷；推力可調(diào)和多次啟動能力則可以根據(jù)需要對推力時間曲線進行調(diào)控，實現(xiàn)飛行彈道重復(fù)。
典型型號
長征七號是由中國運載火箭技術(shù)研究院抓總研制的新一代中型兩級液體捆綁式運載火箭。全箭總長53.1米，芯一、二級直徑3.35米，單個助推器直徑2.25米，火箭起飛質(zhì)量約595噸，主要用于發(fā)射近地軌道或太陽同步軌道有效載荷，可以把13.5噸的有效載荷送入近地點200公里、遠地點400公里、傾角42°的地球近地軌道，或?qū)?.5噸的有效載荷送入700公里太陽同步軌道。
長征七號運載火箭的助推器、芯一級采用液態(tài)氧/煤油發(fā)動機，芯二級采用YF-115液氧/煤油發(fā)動機。
固液捆綁火箭
固體火箭和液體火箭各有其不同的特點和優(yōu)勢。固體火箭具備推力大的優(yōu)勢。固體助推器結(jié)構(gòu)簡單容易制造，也更容易靈活搭配出不同推力和不同運力的火箭。液態(tài)火箭發(fā)動機不僅比沖相較固體火箭發(fā)動機更高，而且很多液體火箭發(fā)動機都有節(jié)流和重復(fù)啟動功能。因此，鑒于固體火箭發(fā)動機和液體火箭發(fā)動機各有優(yōu)勢，科研人員在航天發(fā)展早期階段就有了讓兩者“跨界合作”、充分發(fā)揮各自優(yōu)勢的思路。
從這個設(shè)計思路出發(fā)，液體芯級+固體助推器的運載火箭就誕生了。1968年，美國開始為德爾它運載火箭增加捆綁的固體助推器。1970年1月，首飛的德爾它M6火箭捆綁了6個Castor-2固體助推器。而后繼的德爾塔900型火箭可以在通用尾段捆綁3個、4個、6個或9個Castor-2固體助推器，這樣不僅研制進度快捷，還提高了德爾它火箭的運載能力，且能靈活調(diào)整，顯示出了固體助推器的優(yōu)勢。
典型型號
阿麗亞娜-5是繼阿麗亞娜-4之后歐洲航天局推出的一種大型運載火箭。全長約52米，起飛推力達11.2兆牛。阿麗亞娜的主要部件有“火神”發(fā)動機、液氫液態(tài)氧燃料貯箱和固體助推器。兩臺固體助推器緊貼在裝有“火神”發(fā)動機的氫氧芯級兩邊。
“火神”發(fā)動機是液氫液氧芯級的主發(fā)動機，是火箭飛行的主要動力。阿麗亞娜-5的固體助推器長27.1米，每臺真空推力約5868千牛。推進劑重237噸，主要成份是高氯酸氨、鋁粉和聚丁二烯。助推器燃料耗盡時被拋棄。
按運載能力來分
按照運載能力劃分，運載火箭分為小型、中型、大型和重型四類。由于各國運載火箭技術(shù)發(fā)展階段存在差異，即使同一國家的不同歷史階段，對運載火箭的規(guī)模定義也不盡相同。
在中國，一般將近地軌道運載能力2噸及以下的火箭稱為小型運載火箭，近地軌道運載能力2~20噸的火箭稱為中型運載火箭，近地軌道運載能力20~50噸的火箭稱為大型運載火箭。
根據(jù)美國航空航天局的分類，運載火箭共分為5個級別，分別是探空火箭、輕型運載火箭、中型運載火箭、重型運載火箭、超重型運載火箭。探空火箭一般是指用于大氣環(huán)境研究，通常僅具有進入地球亞軌道飛行的能力，軌道高度距地面35~300千米；小型運載火箭近地軌道運載能力為2噸；中型運載火箭近地軌道運載能力在2~20噸；重型運載火箭近地軌道運載能力為20~50噸；超重型運載火箭近地軌道運載能力大于50噸。
中國和美國等西方國家對于運載火箭的基本分類是一致的，只是名稱叫法略有差異。
最新發(fā)展
隨著航天發(fā)展對運載火箭在運載能力、可靠性、經(jīng)濟性、使用靈活性和便捷性方面需求的不斷增加，同時重復(fù)使用、新動力、新材料、人工智能等新技術(shù)的蓬勃發(fā)展，世界運載火箭技術(shù)在近年來取得了長足的進步。
總體技術(shù)
在總體技術(shù)方面，通過重復(fù)使用技術(shù)的應(yīng)用，有效降低了進入空間成本，提高市場競爭力。重復(fù)使用技術(shù)已成為運載火箭發(fā)展的重要方向，以SpaceX公司獵鷹9火箭為代表，從2015年12月22日首次實現(xiàn)了陸上垂直回收以來，獵鷹9火箭實現(xiàn)了單一一級模塊11次復(fù)用，中轉(zhuǎn)周期最短為27d，垂直起降回收技術(shù)已完全成熟，并取得了商業(yè)上的巨大成功。智能技術(shù)的快速進步為運載火箭技術(shù)發(fā)展帶來了新動能，全生命周期數(shù)字化管理、基于數(shù)字樣機的虛擬設(shè)計、快速生產(chǎn)制造、智能飛行和自主返回控制等技術(shù)不斷取得突破。
箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)
在箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)方面，隨著計算技術(shù)的發(fā)展，載荷、布局及結(jié)構(gòu)逐漸由傳統(tǒng)的串行設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖俚鷥?yōu)化設(shè)計，如通過發(fā)動機推力結(jié)構(gòu)與箭體結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，實現(xiàn)殼段或貯箱箱底傳力，提高結(jié)構(gòu)效率；先進材料應(yīng)用上，各國不斷發(fā)展鋁鋰合金和復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)技術(shù)，從而降低結(jié)構(gòu)系數(shù)；制造工藝上，廣泛采用以攪拌摩擦焊、3D打印等為代表先進成形工藝技術(shù)。
先進動力技術(shù)
在先進動力技術(shù)方面，不斷發(fā)展高性能液氧甲、液氧煤油和氫氧發(fā)動機技術(shù)，美國的梅林-1D液氧煤油發(fā)動機推重比高達185，RL-10B氫氧發(fā)動機真空比沖達到465s，SpaceX公司研發(fā)猛禽“天鵲”發(fā)動機采用全流量補燃循環(huán)，真空比沖超過370s，室壓最大可達到33MPa，推重比不小于200，節(jié)流范圍約45%～100%，設(shè)計重復(fù)使用次數(shù)不小于50次。
先進測試發(fā)射技術(shù)
在先進測試發(fā)射技術(shù)方面，各國均在開展快速測試發(fā)射技術(shù)研究，發(fā)展電氣系統(tǒng)智能化機內(nèi)測試技術(shù)、先進地面測發(fā)控技術(shù)、智能化故障診斷技術(shù)以及并行測試技術(shù)等諸多關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)運載火箭快速、可靠進入空間。
未來發(fā)展
低成本發(fā)射
低成本已經(jīng)成為航天運載器發(fā)展的方向之一，歐洲阿麗亞娜6火箭、日本H3火箭、美國獵鷹9火箭等火箭研究中考慮降低運載火箭的研制成本和發(fā)射成本，并開展了大量研究。通過繼承已有技術(shù)成果、使用商業(yè)化電子設(shè)備、采用新技術(shù)簡化系統(tǒng)及操作流程等措施，降低運載火箭的成本。美國SpaceX公司持續(xù)開展飛行試驗以驗證垂直起降技術(shù)，發(fā)展部分可重復(fù)使用技術(shù)旨在降低有效載荷發(fā)射成本。若實現(xiàn)穩(wěn)定可回收（設(shè)計復(fù)用次數(shù)不少于20次），單次發(fā)射成本有望進一步降至每公斤約1萬元。
總結(jié)世界低成本發(fā)射技術(shù)，呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：（1）降低成本成為主要航天國家的重要目標；（2）推動系列化、通用化、組合化，通過成熟產(chǎn)品組合，實現(xiàn)批量生產(chǎn)，縮短研制生產(chǎn)周期；（3）充分繼承已有型號成熟技術(shù)，并廣泛采用行業(yè)外先進技術(shù)；（4）傳統(tǒng)航天企業(yè)管理模式成本問題引起重視，私營航天企業(yè)表現(xiàn)吸引更多關(guān)注；（5）運載器重復(fù)使用技術(shù)始終是航天低成本發(fā)射的重要途徑之一。
多樣態(tài)全域發(fā)射
在陸基固定發(fā)射方面，普遍傾向由高緯度內(nèi)陸，向低緯度瀕海方向建設(shè)發(fā)射場。近年來建設(shè)的發(fā)射場主要包括俄羅斯東方發(fā)射場51.9°N，中原地區(qū)文昌發(fā)射場19.6°N，美國火箭實驗室北島發(fā)射場39.3°S，并計劃在中大西洋地區(qū)太空中心建造第2個商業(yè)發(fā)射場[14]，SpaceX也計劃在肯尼迪航天中心建設(shè)私有發(fā)射場。在空基發(fā)射方面，微軟創(chuàng)始人之一保羅·艾倫推出了平流層發(fā)射Stratolaunch，采用雙機身空基平臺，可搭載275t機載火箭發(fā)射，維珍銀河公司（VirginGalactic）推出了太空船二號（SpaceShipTwo），通過掛載在白騎士二號（WhiteKnightTwo）上發(fā)射進入亞軌道，將成為繼美國飛馬座空基發(fā)射后的工程化空中發(fā)射系統(tǒng)。在海基發(fā)射方面，SeaLaunch公司2009年重組后，是目前世界上唯一提供海基發(fā)射服務(wù)的公司，其主力運載火箭是天頂號Zenit-3SL，截至目前共發(fā)射了36次，其中32次成功、1次部分成功。中國CZ-11海射也于2019年完成首次試驗。目前航天發(fā)射領(lǐng)域以陸基發(fā)射為主，海基、空基發(fā)射為補充的全域發(fā)射格局初步形成，將滿足軍、民、商各類用戶多樣化航天發(fā)射任務(wù)需求，未來航天發(fā)射樣態(tài)的走勢，仍需經(jīng)過任務(wù)和市場的檢驗。
推進系統(tǒng)改革
近百年來，航天推進方式主要包括化學(xué)推進、核推進、電磁推進、激光推進、等離子推進等方式，但作為從地面進入空間的推進方式幾乎均采用化學(xué)推進方式，在可遇見的相當(dāng)長一段時間內(nèi)仍將成為主要的推進方式。傳統(tǒng)化學(xué)推進體制經(jīng)歷了液氧/酒精、四氧化二氮/偏二甲肼、液氧/煤油、液氫/液氧、液氧/甲烷等歷程。近年來，隨著民商航天發(fā)射企業(yè)的異軍突起以及重復(fù)使用運載技術(shù)的重大突破，傳統(tǒng)推進體制格局將迎來重大變革。
液態(tài)氧甲烷將主力運用于可重復(fù)。液氧甲烷推進體制具有比熱高（理論比沖比液氧液氫發(fā)動機低約800m/s，比液氧/煤油發(fā)動機高約100m/s）、無結(jié)焦（煤油極限結(jié)焦溫度560K，甲烷950K）、不易積碳（400～900℃燃燒溫度范圍無明顯積碳）、相容性好、無毒無污染、相對安全（爆炸容積百分數(shù)5%～15%，自動點火溫度為540℃）、資源豐富（主要來源于液化天然氣）、價格相對便宜（液氫的1/70、煤油的1/3）等優(yōu)點
液態(tài)氧煤油將主力運用于基礎(chǔ)級。液氧煤油發(fā)動機具有無毒無污染、密度高、使用安全性好等優(yōu)點。液氧煤油推進劑組合真空理論比沖比液氧甲烷發(fā)動機低約114m/s，但密度比沖卻高出約19.6%，且煤油可常溫保持，在發(fā)射場使用環(huán)境友好。
液氫液氧將主力運用于末子級。氫氧發(fā)動機具有無毒無污染、最高理論比沖性能（比液氧甲烷高約25%，比液氧煤油高約30%）等優(yōu)點。
運載效率與能力提升
傳統(tǒng)運載火箭依靠增加級數(shù)、研制大推力發(fā)動機實現(xiàn)效率、能力的一定提升，下一代主力運載火箭將主要在總體載荷精細化設(shè)計、基于偏差概率的總體協(xié)同設(shè)計、輕質(zhì)高效結(jié)構(gòu)和增壓技術(shù)、新質(zhì)材料、更大直徑結(jié)構(gòu)以及發(fā)動機性能提升等方面突破發(fā)展。
為提升火箭運載效率，總體方案設(shè)計階段重點針對載荷精細化、偏差余量控制以及環(huán)境條件降低等方面開展。
在降低偏差的基礎(chǔ)上，進一步合理使用偏差，突破并應(yīng)用基于偏差概率的總體協(xié)同設(shè)計，解決制約運載火箭總體性能提升的偏差余量大、設(shè)計保守等共性瓶頸問題，提升運載火箭總體性能。
參考資料 >
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