如何发射美欧日俄的火箭？

近几年，世界航天大国集中进入了美国的“航天发射系统”等主要火箭升级阶段。（SLS）火箭队，猎鹰火箭队，星舰。、欧盟“阿里安”6火箭、日本H-3火箭、俄罗斯“安加拉”火箭等“新格伦”火箭、“火神”火箭、“阿里安”6火箭、日本H-3火箭、俄罗斯“安加拉”火箭等。特别是美国太空探索技术公司（SpaceX）猎鹰火箭的商业发射价格大幅下降，更加刺激了各航天大国对新型主力火箭成本控制的向往。

从火箭检测发射技术的角度来看，世界航天大国除了控制火箭的R&D和制造成本外，还最大限度地追求火箭的重复使用，提高检测发射模式，降低检测发射成本。

目前，中国正处于常规推进剂火箭和新一代火箭的升级阶段，也面临着航天发射场的密集建设阶段。世界航天大国选择新的主要火箭检测发射模式和发射场建设的结果，反映了其多年的技术积累和发展方向，对国内新的火箭检测发射模式的选择和发射场建设具有借鉴意义。

火箭检测发射经典模式

检测发射方式是指火箭和航天器在发射场总装、检测和转运过程中的技术状态。经典模式包括“三平模式”、“三垂模式”和“一平两垂模式”。

在“三平方式”下，火箭在发射场检测发射过程的典型特征是水平总装、水平考试、水平整体运输起垂，即火箭在技术准备区完成水平总装和水平考试后，以水平状态整体运输到发射区，整体起垂后完成加注发射。

在“三垂模式”下，火箭在发射场检测发射过程的典型特征是垂直总装、垂直检测和垂直整体运输，即火箭在技术准备区完成垂直总装和垂直检测后，以垂直状态将其整体运输到发射区，完成加注发射。

在“一平两垂”下，火箭在发射场检测发射过程的典型特征是水平分段运输、垂直装配和垂直检测，即火箭在技术准备区完成准备测试后，以水平状态分段运输到发射区，在发射区完成垂直装配、垂直检测和加注发射。

海外新主力火箭检测发射方法及发射场特点分析

1. SLS火箭

美国国家航空航天局的SLS火箭由（NASA）芯级直径设计为8.4m，选择液氢液氧推进剂；将2个固态推进器捆绑在一起，直径为3.7m。载人构型火箭的近地轨道（LEO）运输能力为70t，货运构型火箭的LEO运输能力为130t。肯尼迪航天中心SLS火箭的39B发射过程继续选择航天飞机的垂直装配、垂直检测和垂直运输的“三垂”检测发射方式，如图1所示，主要特点如下:

(1)充分利用航天飞机原有的检测发射设施，节约发射场建设投资。

(2)火箭和发射台在技术区垂直装配试验厂完成芯级、推进级、星罩组合的垂直装配和垂直试验后，整体垂直运输到发射过程中，保持箭地连接状态不变，检测发射技术成熟。

(3)火箭发射台继承航天飞机发射台技术，配备功能完善的脐带塔，配备多层摆臂，用于布置箭地连接气、液、电管道，火箭起飞时摆臂将箭地连接器推向安全净空，如图2所示。

(4)发射区取消航天飞机任务的复杂发射塔，发射过程更加简洁高效。

图1 SLS火箭的“三垂”检测发射方式
 

图2 发射台和SLS火箭的发射过程

2. 猎鹰火箭

SpaceX企业开发的“猎鹰”火箭，包括“猎鹰”9和“猎鹰”两种经典结构，“猎鹰”9的直径为3.7m，LEO运输能力为22.8，二级液氧煤油火箭。t，轨道同步地球转移（GTO）运输能力为8.3t；“猎鹰”重型一级由三个“猎鹰”9芯一级并联捆绑而成，二级与“猎鹰”9相同，63.88LEO轨道运输能力t，GTO轨道运输能力为26.7t。

当前，“猎鹰”火箭发射租赁卡纳维拉尔角空军基地SLC-40发射站、肯尼迪航天中心SLC-39A发射流程、范登堡空军基地SLC-4E发射流程，火箭采用“三平”检测发射流程，一级实现回收和可重复使用，如图3所示，极致追求高效、低成本，主要特点如下：

(1)火箭和星罩组合体在火箭总装测试厂完成水平总装和水平整体测试后，水平整体转移到发射区域，箭地连接保持不变。

(2)星箭组合由一体化运输到发射区，竖臂也作为脐带塔，布置箭气、液体、电气连接管。竖起后，竖起的手臂留在发射区，运输车辆返回技术区；竖臂在箭地连接器脱落后，火箭起飞时倒下。

(3)支撑火箭的发射台体框架与竖臂融为一体，竖起后整体落在导流槽入口的承载结构上，简化了发射区火箭与发射台的对接操作。

(4)发射过程很简单，卫星发射任务不需要发射塔，载人任务设置发射塔主要用于宇航员登机，如图4所示。

(5)火箭一级完成了海上平台回收和发射场地坪回收，完成了“二手”火箭的多次重复使用，大大降低了运载火箭的发射成本，提高了火箭的使用效率。

图3 “猎鹰”9火箭的“三平”检测发射方式
 

图4 “猎鹰”9火箭的发射过程
 

3. “星舰”

“星舰”是SpaceX公司开发的一种超重型火箭，是一种直径9m的二级液氧甲烷火箭，起飞推力约76000kN，LEO最大运输能力约250t，“星舰”和推进器可以回收利用，并且可以重复使用。

火箭计划在美国肯尼迪航天中心SLC-39A发射过程周边和德克萨斯州博卡奇卡新建专用发射场发射。结合“星舰”的特点和回收需求，创新了任务检测发射模式和发射场设计，组织了优化的“三垂”检测发射模式(火箭分段垂直运输、垂直装配、垂直检测)。如图5所示，主要特点如下:

(1)在技术区测试准备厂房完成垂直测试后，火箭基础级以垂直状态转移到发射过程中，由独特的夹紧机械臂夹紧，与发射台对接。

(2)飞船在技术区测试准备厂房完成垂直测试后，整体以垂直状态转移到发射过程中，也由夹紧机械臂夹紧，与基础装配对接，火箭在发射过程中完成垂直装配测试。未来发射能力产生后，推进器和飞船返回后直接用夹紧机械臂捕捉。回收复试后，再次与固定发射台对接，为下一次发射做准备。

选择固定式发射台，与SLS火箭庞大而复杂的发射台相比，显得十分简洁，施工成本显著降低。

(4)发射塔非常简单，设置了一对独特的夹紧机械臂，具有起吊、旋转、平移功能，兼顾火箭基础级、飞船吊装和回收捕获功能，满足箭、地、气、液、电连接管道必要的支撑需求。发射塔采用分段预制钢结构，集成度高，在发射区组装，施工速度快，维护方便。预计在执行载人任务时，会增加登机臂。

由于火箭和飞船集成度高，发射区域需要测试和操作较少，因此发射效率不会因为在发射区域进行装配和测试而降低。总的来说，“星舰”一如既往地贯彻了SpaceX企业追求效率和低成本的终极风格。

图5 星舰的发射过程
 

4. 火箭队“新格伦”
 

由蓝色起源公司开发的“新格伦”火箭，直径为7m，为二级火箭，芯一级选用液氧甲烷推进剂，芯二级选用液氢液氧推进剂，起飞推力约为17100kN，LEO轨道运输能力为45t，GTO轨道运输能力为13t。一级选择垂直着陆返回技术实现重复使用。根据火箭发射概念的公开视频，火箭采用了“三平”检测发射方式，如图6所示，主要特征如下：

(1)火箭和星罩组合体在技术区总装测试车间完成水平总装和水平总装测试，然后水平总装转移到发射区，箭地连接保持不变。

(2)星箭组合由一体化运输到发射区，竖臂也作为脐带塔，布置箭地连接气、电、液管。竖起后，竖臂留在发射区，竖车运回技术区。

(3)发射台的支撑框架与竖臂集成在一起。竖起后，整体落在导流槽入口的承载结构上，避免了发射区火箭与发射台的对接操作。

(4)发射区域很简单，设置了简单的操作塔和避雷塔。从效果图分析，主要为宇航员或太空乘客提供进入太空舱的通道。

图6“新格伦”火箭的发射过程
 

5. 火箭，火神

火箭队由美国发射联盟（ULA）代替“德尔他”4和“宇宙神”5火箭的企业开发，是二级捆绑火箭，核心直径为5.4m，核心一级选用液氧甲烷推进剂，核心二级选用液氢液氧推进剂；捆绑0~6个1.62m直径的固态推进器。LEO轨道最大运输能力为35t，GTO轨道最大运输能力为15t，计划采用卡纳维拉尔角SLC-41发射工序，范登堡空军基地SLC-3E发射工序，采用“三垂”检测发射方式，如图7所示，主要特点如下：

(1)火箭和星罩组合体在火箭垂直检测装配厂完成芯级、推动和星罩组合体的垂直装配和垂直检测，然后将垂直整体运输到发射过程中，保持箭地连接状态不变，检测发射技术成熟。

(2)火箭发射台类似于“宇宙之神”5火箭，含有脐带塔，功能紧凑。塔上没有摆臂，脐带塔上敷设了箭、地、气、液、电连接管道。火箭起飞时，连接器脱落受到限制。

(3)简单的发射塔建在发射区域，主要用于宇航员登机。

为了节约建设投资，“火神”火箭基本上采用ULA公司“宇宙神”5火箭的检测发射方法和检测发射设施，火箭垂直总装测试厂位于发射区，距离发射工艺约550m。

图7 “火神”火箭的“三垂”检测发射模式和发射过程
 

6. 阿里安6火箭队
 

由空客公司和赛峰集团联合研制的“阿里安”6火箭，是一种直径为5.4的二级捆绑火箭。m，采用液氢液氧推进剂，将2个或4个3m直径的固态推进器捆绑在核心一级和核心二级，GTO轨道运输能力为11t。该火箭计划在库鲁发射场新建的ELA4发射过程中发射，位于“阿里安”5发射过程(ELA3)向西4公里。

与“阿里安”5火箭的“三垂”检测发射方式相比，“阿里安”6火箭检测发射模式的显著特点是:火箭芯级采用“三平”模式，固态推进器采用类似“三垂”模式，如图8所示，主要特点如下:

(1)技术区火箭水平组装测试厂火箭芯一级和芯二级进行水平总装和水平测试后，水平整体转移到发射区活动服务塔，参考了库鲁发射场“联盟”火箭的相关技术，没有使用类似“阿里安”5火箭的垂直总装方式。

(2)固态推进器在技术区域的过程遵循“阿里安”5火箭的做法，利用“阿里安”5火箭的固态推进器对准备厂房进行检测，以垂直状态完成检测。之后，推进器垂直转移到发射区域，与核心级别的捆绑连接和活动服务塔中的全箭组装完成。

(3)在技术区完成测试、加注和整流罩安装后，航天器和整流罩垂直运输到发射区，在活动服务塔内与火箭组装，对垂直状态进行整体测试、加注和发射。

与“阿里安”5火箭发射场相比，“阿里安”6火箭技术区取消了火箭整体垂直总装测试厂，放弃了庞大复杂的活动发射台，选择了固定简单的发射台，在发射区增加了活动服务塔(如图9所示)，整体降低了维护成本和建设投资。虽然发射过程的占用时间增加了，但时间成本可以接受，通过箭地一体化设计，最大限度地简化了航天器、整流罩组合体和火箭的总装操作和发射日操作。

图8 组装、检测“阿里安”6火箭

图9 阿里安6火箭的发射过程效果图
 

7. H-3火箭
 

H-日本宇宙航空研发机构3火箭（JAXA）与日本三菱重工公司联合研发，直径为5.2的二级捆绑火箭。m，核心一级，核心二级选用液氢液氧推进剂；捆绑0个、2个或4个固态推进器。GTO轨道最大运输能力为6.5t，LEO轨道的最大运输能力是20t。H-如图10所示，火箭在种子岛空间中心发射，继承H-2火箭的“三垂”检测发射方式。

为降低发射场建设、运行和维护成本，提高快速、持续发射能力，H-在火箭检测发射过程和发射场设计中，采取了以下措施：

(1)强调继承性，充分利用发射场H-2火箭目前的检测发射设施，利用H-2火箭垂直装配测试厂第二装配测试工序，通过适度升级改造，保证H-3火箭的检测发射任务，完成H-3火箭垂直装配测试工作，减少发射场建设投资。

(2)强调箭地一体化设计，合理分配火箭与地面设施之间的操作接口，以减少人力或操作时间为优先因素，提高检测发射效率，降低发射成本。

(3)发射区采用无人值守设计，无发射塔，移动发射平台保证箭地发射支持操作。火箭竖起发射过程后，设备不再安装、连接或拆除电缆。

图10 H-三是火箭发射过程
 

8. 火箭队“安加拉”

由俄罗斯开发的“安加拉”火箭，是一种通用火箭模块 以上级别的组合产生了一系列类型谱。火箭一级由通用模块组成（URM）根据使用的通用模块数量，建筑分为“安加拉”1、“安加拉”3、“安加拉”5、代号为A1的“安加拉”7等构型、A3、A5、A7。每个通用模块的直径为2.9m，安装RD-191液氧煤油发动机。

根据构型的不同，选择轻风-KM上级、通用模块URM-2、上级KVTK等组成二级，或者选择URM-2 轻风-KM或KVTK的上级组成二级和三级，以满足高轨或深空探测的发射需求。“安加拉”火箭主要在普列谢次克和东方发射场发射，继承俄罗斯一贯独特的铁路“三平”检测发射方式，如图11所示。

图11 A5火箭“安加拉”检测发射方式的“三平”
 

A5火箭检测发射方式的“安加拉”主要特点如下：

(1)火箭、星罩组合体在技术区厂房进行水平整体装配、整体测试，完成后整体转移到发射区域。

(2)星箭组合体通过一体化铁路运输垂直车辆水平，整体运输到发射区域。火箭垂直后，垂直臂和垂直车辆一起回到技术区域。

(3)选择固定发射台，在发射区设置固定门式简单发射塔，在塔上设置多层摆臂，布置箭地连接气、电、液管，并符合发射区操作保障要求，发射前连接器脱落后摆臂摆动。

检测发射方法综合分析与启发

1. 综合对比分析海外主力火箭检测发射模式和发射场特点

从表1可以看出，海外主力新型火箭选择的测试发射方式有以下趋势：

(1)检测和发射方法以“三平”和“三垂”两种典型方法为重点，或者根据这两种模式提高适应性，可见这两种模式是公认的高效检测和发射方法。

(2)纯液体火箭结构多采用“三平”检测发射方式，具有发射场建设投资少、路面设施简单、检测发射效率高、运行维护投入少、发射能力快、成本低等优点。唯一的例外是“星舰”，它选择了变形“三垂”模式，基于其高度集成的设计和特殊的回收方式。

(3)大部分捆绑固体火箭型号采用“三垂”检测发射方式，只有“阿里安”6火箭选择了中间道路，结合了“三平”和“三垂”检测发射模式的特点。由于固态推进火箭的质量较高，需要与芯级火箭水平组装，对芯级结构的设计强度要求较高。因此，捆绑固态推进器的火箭结构选择在液态芯级垂直状态下捆绑。区别在于是在技术区完成装配还是在发射区完成装配。

(4)提高发射场特别是发射区的工作效率仍然是主流趋势，无论是“三平”检测发射模式还是“三垂”检测发射模式。新型主要火箭一般采用箭地一体化设计、箭地操作功能分配合理、发射区测试项目简化、发射区路面设施简化、发射区占用时间缩短等措施。

(5)“猎鹰”、“星舰”等火箭成功突破火箭回收技术，完成了“二手”火箭的可重复使用，大大降低了运载火箭的发射成本，引领了目前新研发的火箭技术路线，也是我国火箭未来的发展目标。

表2对三种经典的检测和发射方式进行了比较分析，包括发射效率、发射场建设投资、技术复杂性、高密度发射任务扩展成本、发射区意外爆炸后恢复成本等。综合比较发现，“三平”检测发射方式综合最好，其次是“三垂”检测发射方式。

表1 各种类型的火箭检测发射方式及发射场特点对比表

表2 经典检测发射方式特点对比表

2. 启发国内发射场检测发射模式的选择和建设。
 

国外主要火箭检测发射模式和发射场建设特点对我国的启发主要有以下几点：

(1)火箭、路面一体化设计是提高发射成本、提高发射效率的最根本途径。通过箭地一体化设计，降低发射成本，提高发射效率，合理分配箭地操作项目和操作功能，简化发射区操作和保证要求，是最有效的方法。

相反，火箭在发射区域的测试操作越多，地面发射支持设备就越复杂。不仅发射区域占用时间长，发射效率低，而且发射区域的建设和运行维护成本也会显著增加。同时，结合发射场的气候环境特点、任务组织模式和火箭技术方案，不断优化检测发射流程，也是提高发射成本、提高发射效率的有效途径。

(2)简化发射区域是“三平”和“三垂”检测发射模式的核心要义。简化发射区域的核心前提是火箭控制的简化、流程的优化和火箭环境适应性的提高。如果火箭不能有效简化发射区域的操作，有效控制发射效率、发射过程的建设和使用成本，并且很难达到这两种模式的最佳状态，这是一种不完全的“三平”和“三垂”模式。

(3)“三平”检测发射方式应作为液体火箭的首选检测发射方式。综合对比分析发现，“三平”模式效率最高，发射场建设投资节约，技术复杂度适中，发射区爆炸后高密度发射任务拓展能力和恢复能力最强，应作为未来主要液体火箭的首选。

(4)选择测试发射模式的重要考虑因素是技术成熟度和继承性。从技术角度来看，可能有最好的检测和发射方法，但对于型号和规格来说，完善可靠的方法可能是最合适的检测和发射方法。

根据世界各航天大国新主力火箭检测发射模式的选择结果，传统国家队非常重视SLS火箭、“火神”火箭、“阿里安”6火箭等检测发射技术的成熟度和继承性，H-3火箭、“安加拉”火箭等。；大多数新兴商业航天公司都有很强的创新动力，大胆创新检测发射方式和发射场建设，重点降低成本，提高效率。

四、结语

系统分析发现了海外航天大国新型主要运载火箭的检测发射方式和发射场特点。其检测发射模式的选择侧重于“三平”和“三垂”模式，通过箭地一体化设计，提高检测发射流程，有效提高发射效率，降低发射成本，对我国航天发射场建设具有借鉴意义。

目前，我国主要火箭主要采用“一平两垂”和不完全“三垂”的检测发射方式。发射区域运行项目多，保障要求高，占用时间长，发射过程复杂，建设周期长，使用成本高，改进空间大。需要找到切入点，进行系统创新，进一步提高发射效率发射场的综合建设效率。

(原刊于2023年中国航天第7期)

本文来自微信微信官方账号:中国航天（ID：zght-caecc），作者：张志成、崔展鹏、刘俊林、聂涛(北京特种工程设计研究所)

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