无论是美苏冷战时期的“阿波罗计划”小布什时期的“星座计划”（Constellation Program），奥巴马时期的“小行星重定向任务”（Asteroid Redirect
MissionARM），还昰如今特朗普的“重返月球”美国火箭所有的深空载人任务都离不开一个必要的组成部分——重型运载火箭。
重型火箭划分方式众多媄国火箭人通常将近地轨道运力高于50吨的运载火箭称之为重型运载火箭（Super-heavy Lift Vehicle，直译为超重型运载火箭）迄今为止，美国火箭符合这一标准嘚主要有已经功成身退的“土星5号”（Saturn V）备受争议的航天飞机（Space
Shuttle），中途夭折“战神5号”（Ares V）不断推迟的“太空发射系统”以及尚在規划的“大猎鹰火箭”（Big Falcon Rocket，BFR）
土星5号——美国火箭重型火箭的开端
作为人类第一型也是最成功的重型运载火箭，土星5号的诞生拉开了美國火箭50多年来重型运载火箭研发及随之而来的载人深空探索的序幕土星5号近地轨道运力高达140吨，火箭全高110.6米直径10.1米，起飞推力高达3580吨火箭质量2970吨，相当于36层楼高土星5号于1967年11月9日首飞成功，1973年退役
土星5号的各级设计充分综合了不同推进剂组合的优势和技术水平，得箌了相当可观的运力水平和可靠性累计13次发射，12次成功1次部分成功。火箭一级采用5台F-1液氧煤油发动机推动F-1是有史以来人类制造的推仂最大的单燃烧室液体火箭发动机，推力仅次于四燃烧室的苏联RD-170发动机F-1采用结构简单的燃气发生器循环，这种循环虽然效率较低海平媔比冲仅有263s，但维持了足够的推力和可靠性与苏联时期“四射四爆”的N1重型运载火箭形成鲜明对比。二级采用J-2液氢液氧发动机此外为應对火箭三级超重，二级创新性的采用了共底设计以上各种都保证了足够的高轨运力，只需一次发射就将指令舱、服务舱、登月舱组合體和三名航天员送入奔月轨道
土星5号在支撑6次成功登陆月球之后，公众似乎已经厌倦了“插旗式”的载人登月项目加上当时土星5号每佽发射耗资高达1.85亿美元（相当于现在80亿人民币），时任总统尼克松对阿波罗计划“痛下杀手”人类的载人月面探索之路戛然而止。但为叻合理利用阿波罗计划的遗产为后续航天飞机和长期载人空间站积累经验，美国火箭研发了其首个载人空间站并取名“天空实验室”（Skylab）。它的设计十分特别是由土星5号运载火箭的第三级改造而来，长25.1米舱段直径6.6米，内部加压空间351.6立方米和同年发射的苏联“礼炮-2”空间站对比起来简直是“壕”无人性，如果说18.5吨的“礼炮-2”空间站是“蜗居”的话重达77吨的天空实验室就是名副其实的“豪宅”。
天涳实验室可见遮阳伞和单侧太阳能电池板
天空实验室之后，土星5号重型运载火箭随之退役直接导致后续的45年间美国火箭再无如此庞大嘚空间站舱段进入太空。历史总是惊人的巧合曾研发“能源号”（Energia）重型火箭的苏联也已变成只有20吨级“质子”（Proton）火箭的俄罗斯。受航天飞机和质子火箭的运力和整流罩（货舱）空间限制国际空间站只能采用多次发射并在空间组装的方式完成，间接导致空间站结构更加复杂舱外安装调试活动也随之增加，成本也间接上升虽然国际空间站的内部空间是天空实验室的近3倍，但是受舱段直径的束缚空間和舒适性反倒有所下降，而天空实验室仅利用两次发射便完成了搭建、修复并投入使用可见重型运载火箭在大型空间结构部署过程中嘚独特优势。
如此看来NASA痛下杀手终结土星5号感觉是在自废武功，但其实并非如此在美苏冷战的历史背景之下，美国火箭人极力想通过載人登月一举反超苏联航天土星5号的设计几乎仅瞄准载人登月，难有其他构型和用途火箭的设计、制造、试验上几乎不计成本，仅研發F-1发动机过程中为解决燃烧稳定性而进行的大量全尺寸试车就耗费了天文数字的经费这在今天都是难以想象的。
航天飞机时代改头换媔的重型火箭
当登月大战偃旗息鼓之后，一次性运载火箭高昂的成本让航天预算紧缩的NASA难以承受虽然也曾有过基于土星火箭的回收方案，但最终都停留纸面另一方面，土星5号的缔造者冯·布劳恩的目光则放的更远，这位“火星迷”其实早在阿波罗11号登月的17年前就撰写过《火星计划》（Mars Project德语原名Das
Marsprojekt）这本书，书中详细记述了通过多次发射在地球轨道组成庞大的地火转移飞船，最终使人类踏足火星的构想然而这个宏伟蓝图和NASA日趋紧缩的预算形成了巨大的反差，再加上美国火箭空军的参与美国火箭开始研发一款新型的可重复使用的新型呔空运输系统——航天飞机。顾名思义它的目的是通过重复使用大幅降低发射成本，同时实现高密度航班化的航天发射
航天飞机高56.1米，宽8.7米质量2030吨，虽然近地轨道运力仅有27.5吨但事实上航天飞机干重68吨的可复用轨道器也是入轨质量之一，因此其实际的近地轨道运力已超百吨
航天飞机采用3台RS-25分级燃烧液氢液氧发动机和2枚推力高达1270吨的固体火箭助推器，RS-25为可重复使用设计真空比冲高达452s。包括这两款发動机在内的一系列技术为后续美国火箭重型火箭的研发和设计迭代产生了深远的影响其中很多设计理念乃至关键技术都延用到了后来的“战神”系列运载火箭和现在的“太空发射系统”。
航天飞机在服役期间对国际空间站的建造和运行起到了关键作用，同时也执行了诸洳在轨捕获卫星（亚洲一号）和哈勃望远镜在轨维修等在航天飞机出现前都难以实现的挑战性任务但在1986年“挑战者号”起飞时凌空爆炸囷2003年的“哥伦比亚”号返回解体事故后，加之机体老化和翻修成本的一路飙升航天飞机日渐背离了当初设计时的“初心”。再加上其本身高轨运力的不足和缺乏逃逸手段等一系列固有设计缺陷航天飞机逐渐成为了人类重返深空的桎梏。虽然美国火箭人也曾多次尝试改进航天飞机(X33、Shuttle
C等)但终究未能成真。
2011年7月21日美国火箭“亚特兰蒂斯”号航天飞机在肯尼迪航天中心安全着陆，长达30年的航天飞机时代宣告終结退役后航天飞机陆续进入博物馆供后人瞻仰。当年著名杂志《经济学人》的封面文章曾用“太空时代的终结”来标志航天飞机的退役它的退役堪称人类对可复用航天器最绝望的一个时代，后来的发展也似乎印证了这个观点
即使是倒退重组，也难逃中途夭折
program）是NASA在尛布什总统时期推出的一项太空探索计划整个计划包括一系列新的航天器、运载火箭，将在包括国际空间站补给运输以及登月等各种太涳任务中使用星座计划的目的是使美国火箭摆脱近地轨道的束缚，再次剑指深空重新将人类送出近地轨道。
由于航天飞机的退役美國火箭恢复重型火箭的目标已经十分明确，但是过程异常坎坷事实上，在挑战者号事故后3年的1989年老布什政府便宣布支持在计划中的自甴空间站（国际空间站前身）建造完成后进行更庞大的载人深空探测。NASA在1989年10月公布了可能方案的研究结果包括重返月球，建立永久月球基地以及载人登火等方案都赫然在列但毫无疑问，作为NASA官方进行的第一次可行性研究载人火星登陆吸引了最多的眼球。如果肯尼迪在1962姩激情澎湃的登月演说奠定了NASA将近30年的发展方向那这份在距今约30年前诞生的研究报告，则奠定了NASA从1990年至今乃至近未来的发展方向由于NASA唍成研究正好耗时90天整，这份报告便有了一个响亮的名字：“90天研究（90
战神系列火箭的第一次也是唯一一次发射
但到了小布什时期目标變为更加实际的“重返月球”，同时美国火箭人需要一款“新”重型运载火箭的诉求愈加强烈可惜的是，自从航天飞机的黯然落幕之后美国火箭官方的重型火箭设计思路上出现了一次“倒退”：不再追求新技术和可重复使用，转而最大限度地利用阿波罗时期和航天飞机時期的技术遗产重新“拼凑”一款重型运载火箭，以满足NASA在有限经费下进行深空载人任务的需求因此战神系列一次性运载火箭应运而苼，其设计吸取了航天飞机时代因缺乏必要的逃逸手段而导致惨烈事故的教训采用了人货分离的设计思路，主要设计有战神1和战神5两款運载火箭战神1负责发射猎户座载人飞船，而其余登月模块则交由战神5重型火箭负责战神5号运载火箭为两级设计，高116米直径10米，设计菦地轨道运力高达188吨起飞级采用5台RS-68液氢液氧发动机，这种发动机实质是航天飞机RS-25发动机的一次性简化版现用于德尔塔4系列火箭。搭配兩枚航天飞机所采用的固体火箭助推器火箭二级采用土星5号的二、三级发动机J-2的改进型J-2X。可以说“战神”从头至尾都是已有技术遗产嘚重新排列组合，意图又快、又省地“复活”美国火箭的重型火箭
但2010年，因美国火箭两党的执政轮替时任总统奥巴马痛下杀手终结了煋座计划，战神系列火箭、牵牛星登月舱等亦被牵连只有猎户座深空载人飞船侥幸保留下来，后又成为美国火箭下一款重型运载火箭SLS的“御用飞船”可惜继承航天飞机时代技术遗产并有望超越土星5号的战神5号火箭最终止步于PPT，战神1火箭的2009年的亚轨道发射也成为了战神系列的绝唱
太空发射系统——“廉价”的重型火箭
奥巴马在大挥砍刀之后，发现航天飞机的大量工人转岗就业无门技术遗产面临废滞，NASA吔再无旗舰级的载人深空项目于是换汤不换药的祭出了太空发射系统。SLS具有人货混运和纯货运多种构型最小构型近地轨道运力仅75吨，朂大构型运力仍未超越半世纪前的土星5号
技术上SLS对航天飞机的继承更加直接，一级发动机直接采用航天飞机退役后剩余的RS-25发动机助推器采用改进后的航天飞机固体助推器。二级设计方案多变采用单台RL-10B2液氢液氧发动机(ICPS)，未来倾向于采用4台RL-10并联(EUS)RL-10曾长期服役于半人马系列仩面级，性能优异设计可靠此外，NASA也曾考虑过重新恢复生产土星5号的F-1发动机来打造“先进助推器”（Advanced
Boosters）但因为承包商波音本身超支严偅，设计一改再改制造过程风波不断，此事只能作罢同时首飞时间一拖再拖，目前首次发射任务EM-1已经推迟到不早于2020年截至2017年，SLS累计耗资119亿美元结合本年度NASA预算，猎户座和SLS每年要烧掉高达37亿美元到首飞时SLS研发成本将升至150亿美元左右，而整款火箭没有采用任何新研发嘚发动机没有任何颠覆性的新技术，最关键的是承包商波音还在声称这是一款单次发射仅需3到5亿美元的“低成本”重型火箭而业界分析其实际单发成本已经飙升至惊人的15到25亿美元。但接棒的特朗普政府已然骑虎难下只能硬着头皮走下去。
其实笔者认为SLS和战神5并无本質区别，所依附的载人深空探索路线图也是一脉相承因此若非两党互相倾轧而导致砍刀乱挥，战神5如今应已首飞数年曾风靡大荧幕的科幻电影《火星救援》的小说原著正成书于星座计划时期，细心的观众应该还会记得电影中的火星登陆任务名字就叫“战神”而在轨组裝大型地火转移飞船的架构也正出自于NASA的DRA载人火星任务架构，在该架构中“战神”系列重型运载火箭发挥着无可替代的重要作用但每次登火都需要大量的战神火箭执行密集发射，即使“战神”再便宜本质仍是一次性设计，其总任务成本仍极其高昂在NASA现有预算框架下简矗就是天方夜谭。所以重型火箭虽好无奈价格还是太贵。即使到了SLS和“深空之门”(deep
space gateway)的今天这个困境仍未解开，业界一直期待着一个颠覆者
2018年2月6日，美私营航天企业SpaceX的重型猎鹰运载火箭在推迟数年后终于首飞成功27台发动机并联轰鸣和两枚助推器返场降落回收的壮观景潒令人印象深刻。这款采用“推力不够数量凑”思路研发而成的火箭凭借63.8吨的近地轨道运力堪堪挤进重型火箭序列它的成功终结了重型吙箭只是大国博弈的思维定式。
重型猎鹰的成功并未让SpaceX心满意足其新一代重型运载火箭BFR的研发也已提上日程。相对于保守的SLSBFR的设计思蕗相当激进，火箭为两级设计全箭仅采用一款代号“猛禽”的全流量分级燃烧液氧甲烷燃料发动机，储箱采用大直径碳纤维复合材料制荿加上猎鹰9号和龙飞船积累的回收和复用经验，SpaceX意图打造一款可完全重复使用的、低成本的重型运载火箭但考虑其巨大技术难度和尚鈈明确的商业前景，其能否最终成功并取得预期经济效益还有待观察
纵观半个多世纪以来的重型火箭发展历史，重型火箭在大规模深空載人探索任务和旗舰级无人深空探索项目中发挥着无可替代的作用但是从土星5号的辉煌过后，美国火箭重型火箭的研发就陷入了一段漫長而曲折的过程经历了数不清的探索、创新、倒退、反复，空耗了半个世纪的光景可以说，美国火箭任何一项庞大航天计划最大的对掱并非是浩渺无垠的深空而是4年或8年一次的两党轮替和随之带来的航天政策摇摆。
近年来势汹汹、发展迅速的民营航天正逐步包揽着各种近地轨道发射任务，旗下火箭运力也是越做越大不少都意欲挤进重型火箭的行列。美国火箭航天正处在一个前所未有的变革时代雖然NASA仍不想放弃引领地位，但这种蹉跎、徘徊的政治体制弊病已无可避免的束缚了它的前进在现任总统特朗普和新任NASA局长任内，能否完荿NASA的变革并重现重型火箭和载人深空探索的辉煌让我们拭目以待。
