龙乐豪 刘伟 何巍（中国运载火箭技术研究院）
□□一个国家进入空间的能力在很大
程度上决定了其空间活动能力以及空
间应用开发水平，世界主要航天大国
都以进入空间的能力来衡量其空间技
术水平。运载火箭是目前世界上进入
空间的主要运载工具，运载火箭的规
模和水平支撑了进入空间的能力。为
了从航天大国向航天强国转变，进一
步提升我国运载火箭的运载能力是我
国实施航天发展战略的必要保证，
它可以有效拓展我国航天产业发展空
间，大幅提高我国进入空间的能力，
显著提升航天科技整体水平，对提高
我国工程技术综合实力，进一步增强
我国在国际社会的政治影响力和提高
综合国力都有着重要的战略意义。

1 概述
随着人类探索太空的不断深入，世界各国已经
将越来越多的探索目标瞄准了更加遥远的深空，美
国和欧州航天局（ESA）已经开始实施大规模的深空
探测任务规划。21世纪初，美国制定了以重返月球
为主要任务的星座计划，尽管2010年初美国国会宣
布中止星座计划，但是并没有终止重型运载火箭的研
发进程。2010年7月15日，美国参议院通过了美国航
空航天局（NASA）2011财年预算授权法案，法案要
求将重型运载火箭的研制时间提前至2011年，2016
年底前投入使用。2011年4月5日，美国太空探索技
术（SpaceX）公司公布了“猎鹰重型”（Falcon
Heavy）运载火箭计划，其近地轨道运载能力达
53t。纵观国外航天大国的运载火箭发展趋势，进一
步提升进入空间的能力已成为各国共同的选择。随着
日本H-2B运载火箭的首飞和印度300吨推力级固体
助推器的研制成功，我国运载火箭在世界航天界第二
集团的优势地位已经丧失。为了重新巩固这种优势，
并且缩短与领先国家的差距，我国有必要加快开展更
大规模的运载火箭的研究工作，重型运载火箭是一个
重要的发展方向。

2 重型运载火箭发展原则
结合国外重型运载火箭的发展历史和我国航天
运载技术的发展特点，以我国未来航天任务需求为目
标，现提出我国重型运载火箭发展的总原则：
● 多任务适应能力。重型运载火箭应能满足多种
探测任务的要求。
● 大吨位运载能力。重型运载火箭为满足一次交
会完成载人登月和多次交会完成载人登火星等深空探
测任务对运载能力的需求，其低地球轨道（LEO）运
载能力应不低于130t。
● 高可靠使用性能。重型运载火箭应该采用高可
靠总体方案，降低火箭飞行风险，确保火箭总体使用
性能。
● 新技术牵引能力。通过对重型运载火箭牵引大
直径箭体、大推力火箭发动机的研制，带动航天新产
品的发展和促进现有产品的更新换代。

3 重型运载火箭初步总体方案
总体构型
（1）动力选型
根据我国运载火箭动力系统的发展情况，可以
基于液氧/煤油发动机、液氢/液氧发动机和固体发动
机来构建我国的重型运载火箭。动力系统是运载火箭
的基础，决定了运载火箭的起飞规模，同时也决定了
运载火箭的能力。为了提高运载效率，重型运载火箭
的上面级发动机应该选择液氢/液氧发动机。而地面
起飞动力的选择，参考国外重型运载火箭，有两种途
径可以选择：全液氧/煤油或者“固体助推+液氢/液
氧芯级”。
根据我国重型运载火箭大吨位运载能力的发展
原则，结合重型运载火箭的起飞规模推算，起飞推力
应达到5000吨级（采用不同的推进剂时起飞规模不
同，推力量级也会有少量差异，此处为中间值）。结
合国内外运载火箭的研制经验以及发动机推力量级，
同时为避免多台发动机同时工作带来的恶劣力学环境
等问题，初步考虑地面起飞发动机数量不超过8～9
台。通过不同组合分析认为，采用8台液氧/煤油发动
机和采用“4台固体发动机+5台液氢/液氧发动机”是
两种较为合适的动力组合，其对于动力系统能力的需
求分别是：
● 液氧/煤油发动机单台推力在660吨级；
● 固体助推器单台推力在1000吨级，液氢/液氧
发动机单台推力在200吨级。

（2）构型选择
在火箭构型方面，需要考虑动力系统的选择。
以俄罗斯R D - 1 7 0发动机为例，单台包络直径为
3.8m，采用密集排布的方法，不考虑摆动间隙，8台
发动机最小包络对应的箭体直径也超过了14m。苏
联为载人登月研制的N-1重型火箭第一级采用30台
NK-15发动机，底部最大直径超过15m。为了尽可
能提供更大的发动机包络能力，同时也是降低对芯
级直径的需求，采用捆绑式构型火箭是一种较好的
选择。
对于火箭级数选择来说，在一定范围内，火箭
级数越多，越有利于提高运载效率，但是级数增多后
也带来了如下问题：①火箭分离、发动机空中点火次
数增加，会降低火箭固有可靠性；②同等直径下火箭
长度随着级数的增加也将增加，这不利于降低火箭一
阶频率。
采用二级半构型火箭，一方面能够兼顾火箭运
载效率优化，另一方面能够通过第二级1次点火和2
次点火的不同选择，适应不同的目标轨道，不失为我
国重型运载火箭的最佳选择。

（3）直径选择
火箭芯级直径的选择要考虑与火箭的规模相适
应，以此控制合适的长细比。长细比过大的火箭，将
不利于火箭一阶弹性频率的提高，特别是对于大型运
载火箭来说，过低的一阶弹性频率将会给控制系统带
来极大的设计困难。结合我国现役火箭设计经验、前
期超大型运载火箭的设计经验以及国外同类火箭的
设计情况，初步确定重型运载火箭的长细比不超过
12。根据此要求，计算结果表明重型运载火箭的直
径应不小于9m。

（4）系统方案选择
● 结构系统。芯级采用直径9米级方案。为了提
高结构强度并尽量减轻结构质量，其贮箱将使用铝锂
合金，箭体壳段使用复合材料或轻质金属材料。助推
器捆绑可采用前捆绑传力的形式，以进一步减轻芯一
级贮箱质量，地面竖立状态使用助推器支撑。整流
罩直径为9m，采用2（或4）瓣式结构，锥段为复合
材料蜂窝夹层结构，柱段使用“铝蜂窝+铣切网格加
筋”结构。
● 电气系统。采用“三冗余总线+三冗余箭机”
方案，同时包含故障诊断系统，并在此基础上开展信
息综合管理设计，实现系统级的故障诊断和重构；
为了满足在轨交会对接能力，火箭第二级应具备接
受来自地面的任务管理和控制能力；采用“捷联惯
组+卫星导航+星光”组合导航方案，以提高导航精
度；采用“摄动+迭代”制导律，以提高火箭适应
性，这样既能够充分发挥大气层内飞行时摄动制导与
理论弹道偏差小的优点，还可以发挥大气层外飞行阶
段迭代制导对偏差适应性强的特点，从而有效地提高
火箭的制导精度；为了降低火箭对地面测控系统的依
赖，提高火箭对多种任务的适应能力，并提高火箭的
综合性能，遥测系统应具备天基测控能力。
● 动力系统。重型运载火箭芯级发动机采用
“X”布局、切向摆动。初步分析表明，助推器发
动机需要参与飞行控制，采用液体助推器发动机单
摆、固体助推发动机双摆的方案。火箭第一、二级
均使用大功率、高负载伺服机构，伺服机构作动器
输出功率为40～60kW，其能源来自液体发动机（使
用液体助推器时）或自带燃气涡轮（使用固体助推
器时）。
● 地面系统。初步考虑采用垂直测试、垂直转运
方式；对于固体助推器，拟采用分段运输、发射场
组装对接的方案，需要在发射场建立相应总装、测试
厂房，固体发动机对厂房安全性能要求较高。对于液
体火箭模块，在推进剂加注后，尤其是液氢加注后，
危险性较高，发射场测发模式应采用远控模式。

关键技术
结合重型运载火箭初步总体方案讨论，现已初
步梳理出重型运载火箭的几个重大关键技术：
● 重型运载火箭总体方案优化设计；
● 200吨推力级液氢/液氧发动机技术；
● 千吨级固体火箭发动机技术；
● 660吨推力级液氧/煤油发动机技术；
● 大直径箭体设计、制造及试验技术；
● 重型运载火箭大功率、高负载推力矢量控制技术；
● 低温推进剂在轨蒸发量控制技术。

4 应用前景分析
载人登月
根据载人登月前期论证工作的初步结果，我国
载人登月拟采用“两步走”的战略实施：第一步是在
2025年前，利用现有火箭技术发展低地球轨道运载
能力为50吨级超大型运载火箭，尽快实现2～3人的
月球探测活动；第二步是在2030年以后，发展大直
径、大推力发动机技术的重型运载火箭，实施3人以
上的月球探测和开发活动。
经计算，重型运载火箭具备将50吨级的有效载
荷送入奔月轨道的能力。结合前期论证结果可知，采
用重型运载火箭具备1次将3人以上的有效载荷送上月
球，并从月球安全返回的能力。

载人登火
经过初步计算，我们认为采用“7次重型运载火
箭发射+1次载人火箭发射”就能具备开展载人登火的
能力。具体流程构想如下：
● 分4次发射重型运载火箭。它们采用低地球轨
道和环火轨道交会相结合，具备将100t的火星下降级
送入环火轨道的能力（气动辅助减速方式）。
● 分2次发射重型运载火箭。它们采用低地球轨
道交会，具备将31t的火星上升级和18t的火星返回级
（总计49t有效载荷）送入环火轨道的能力（气动辅
助减速方式），其中31t的火星上升级与100t的火星
下降级对接组成登火火箭，在环火轨道上等待，18t
火星返回级同时在环火轨道上等待。
● 重型运载火箭和载人火箭各发射1次。它们在
低地球轨道完成交会对接后，将10t的奔火飞船送入
环火轨道（直接减速进入），其中6t返回舱与18t返
回级完成交会，在环火轨道上等待，航天员进入4t登
火舱与登火火箭进行交会对接，实施登火。
● 返回。完成火星表面考察后，航天员由上升级
送入环火轨道，与在环火轨道上等待的返回舱交会对
接，航天员进入返回舱，由返回级送入返回地球的征
途。
综上可知，采用多次发射和多次交会的方式，重
型运载火箭可具备完成载人登火的任务能力，为载人
深空探测事业的进一步发展提供了可能。

空间太阳能电站
近年来，空间太阳能电站成为国际航天界的关注
热点之一。根据初步分析，在地球静止轨道（GEO）
建设1座1×108kW的太阳能电站需要发射5×104t地
球静止轨道有效载荷，如此大的运载能力需求是一般
运载火箭无法满足的，必须发展重型运载火箭。
计算表明，如果采用重型运载火箭将空间太阳能
电站有效载荷和上面级送入低地球轨道，再由上面级
将空间太阳能电站送入地球静止轨道的方案来建设空
间太阳能电站的话，如采用液氢/液氧低温上面级完
成5万吨级的太阳能电站建设，需要进行1460次以上
的重型运载火箭发射，即使采用先进推进技术，如核
推进、电推进等，按照比冲1000s考虑，也需要620
次以上的发射。随着太阳能发电技术的不断发展，当
有效载荷的质量降低到一定程度后，重型运载火箭将
具备应用的可能。

5 结论
探索星空、开发宇宙是中华民族的千年梦想，进
入空间的能力是实现梦想的基础条件。我国规划中的
重型运载火箭具有可观的运载能力，能够提供大尺寸
的有效载荷包络，具有较强的适应能力，是我国一次
性运载火箭发展的方向。加快推动重型运载火箭的研
制工作，将为我国载人航天和深空探测提供更加广阔
的发展空间，对促进我国国民经济发展，提升国家综
合实力有着十分重要的意义。■