1961年4月12日,人類實現首次太空載人飛行。蘇聯航天員尤裡·加加林乘坐東方號火箭發射的東方號飛船進入太空並安全返回地面。從1961年至今的近60年裡,已經有俄羅斯、美國和中國這三個國家邁入世界載人航天俱樂部,誕生了多款舉世矚目的載人火箭。
俄羅斯載人火箭
蘇聯/俄羅斯是第一個實現載人航天的國家,承擔載人飛行任務的火箭包括已經退役的東方號、上升號和正在使用的聯盟號。聯盟號系列運載火箭迄今已經累計發射 1800 餘次,也是世界上發射次數最多的運載火箭。冷戰時期,蘇聯為搶佔載人登月先機,開展了N-1火箭研製,但四次飛行均以失敗告終,導致工程最終下馬。20 世紀 80 年代根據重複使用運載器發展計劃,完成了能源號載人運載火箭研製,並進行了 2 次無人飛行試驗。隨著蘇聯的解體,由於缺乏經費支持,「能源號 - 暴風雪」發展計劃停止。近年來,俄羅斯又提出了安加拉-5V、聯盟-5等載人運載火箭發展構想,但尚未見詳細設計方案和研製進展。
聯盟號運載火箭
聯盟號系列運載火箭是俄羅斯目前唯一的載人運載火箭。1961年東方號火箭把加加林送入太空,開創了人類載人航天的新紀元。1963 年研製成功的上升號火箭發射了上升號載人飛船,1967 年改稱為聯盟號火箭,並開始使用聯盟FG運載火箭發射載人飛船。
聯盟號運載火箭是兩級半並聯構型運載火箭。一子級直徑2.95米,採用1臺RD-118液氧煤油發動機;二子級直徑2.66米,採用1臺RD-0124液氧煤油發動機(早期為RD-0110);採用4個直徑為2.68米的助推器,並採用錐形結構布局,每個助推器安裝1臺RD-117發動機。聯盟號火箭是目前世界上發射次數最多的運載火箭,火箭全長49.52米,起飛質量約310噸,起飛推力約408噸,近地軌道運載能力約7.2噸。
聯盟FG運載火箭圖片
N-1 運載火箭
(未成功飛行)
N-1運載火箭是蘇聯針對載人登月計劃專門研製的火箭,出於當年美蘇爭霸的政治需要,N-1火箭研製過程較短、論證不充分,1969-1972年連續4次飛行均失敗,1974年項目最終下馬。
N-1運載火箭圖片
能源號運載火箭
(未實現載人飛行)
能源號運載火箭是蘇聯為發射第一個重複使用運載器暴風雪號太空梭而專門研製的,按照分別捆綁 2、4、6 個助推器形成暴風雨號、能源號、火神號系列運載火箭,實現運載能力的梯度優化,除能源號火箭成功飛行兩次外,其餘兩種火箭未飛行。
1987年能源號第一次發射中,有效載荷極地號試驗飛船與火箭成功分離後調整姿態失敗,重返大氣層解體。
1988 年11月15日,暴風雪號太空梭搭乘能源號運載火箭從拜科努爾航天發射場起飛,用時206分鐘圍繞地球飛行兩圈後返回發射場著陸跑道。此次試飛沒有載人,是蘇聯太空梭的首航,也是唯一一次飛行。
能源號運載火箭圖片
美國載人火箭
美國是擁有載人運載火箭種類最多的國家。冷戰期間,美國在與蘇聯爭奪太空話語權的驅動下,制訂了「水星—雙子星—阿波羅」的一系列載人航天發展計劃。通過利用洲際飛彈改裝而成的宇宙神號、大力神號運載火箭讓美國緊跟蘇聯實現了載人飛行,最終在載人登月的角逐中通過土星-V運載火箭的成功研製,實現了人類首次載人登月,從此奠定了美國在太空領域的領先地位。20 世紀 80 年代研製的太空梭實現了運載器重複使用的夢想,雖然由於成本過高最終退役,但仍然代表了運載火箭技術發展的制高點。進入21世紀以來,提出了阿瑞斯號載人運載火箭發展計劃,隨後由於政府航天政策變化,最終載人飛行計劃改由「太空發射系統」完成。
宇宙神―D運載火箭
宇宙神-D運載火箭是在宇宙神D飛彈基礎上改裝而成,出於當時美蘇爭霸需要儘快實現載人飛行任務而研製。1959 年成功完成美國第一艘水星飛船亞軌道試驗,1962年發射美國第一艘載人飛船,共飛行18次,6次失敗。
宇宙神-D運載火箭是一級半並聯構型運載火箭,一級和助推器採用共同的貯箱,在助推發動機工作結束後,助推發動機、尾段作為組合體與芯級發動機、貯箱分離。全箭直徑3.05米,助推器採用2臺LR-89-NA3液氧煤油發動機,芯級採用1臺LR-105-NA3液氧煤油發動機。火箭全長29.07米,起飛質量約118噸,起飛推力約164噸,近地軌道運載能力約 1.36噸。
宇宙神―D 運載火箭發射圖片
大力神―2LV―4 運載火箭
大力神-2LV-4運載火箭作為當時美國運載能力最大的火箭,專門用於發射雙子星載人飛船,1964年成功發射美國第一艘雙子星飛船,12次飛行全部成功。
大力神-2LV-4運載火箭是兩級串聯構型運載火箭。一子級直徑3.05米,採用2臺 LR-87-AJ-7四氧化二氮/混肼50發動機;二子級直徑3.05米,採用1臺LR-91-AJ-7四氧化二氮/混肼50發動機。大力神-2LV-4全箭總長33.2米,起飛質量約148噸,起飛推力約196噸,近地軌道運載能力約3.6噸。
大力神―2LV―4 運載火箭圖片
土星―V運載火箭
「土星」系列運載火箭是美國國家航空航天局(NASA)專為登月任務而研製的火箭,包括土星-I、土星-IB和土星-V三種。其中土星-I為研究試驗型火箭,用於「阿波羅」計劃早期地球軌道飛行試驗和發射探測衛星;土星-IB為改進過渡型,用於不載人或載人「阿波羅」飛船地球軌道飛行試驗;土星-V專為實現「阿波羅」飛船載人登月而研製,可以將3名航天員送入月球軌道。1969年7月21日,阿波羅11號登月飛船成功在月球上軟著陸,航天員阿姆斯特朗和奧爾德林踏上月球,人類載人航天和空間探索取得了重大突破。
土星-V運載火箭總共發射13次,全部取得成功。土星-V運載火箭是三級串聯構型運載火箭。一子級直徑10.06米,採用5臺F-1液氧煤油發動機,單機推力達到694噸,是迄今為止最大的單室液體火箭發動機;二子級直徑10.06米,採用5臺J-2氫氧發動機;三子級直徑6.6米,使用一臺J-2氫氧發動機。土星-V火箭是世界上起飛規模最大的運載火箭,火箭全長110.6米,起飛質量約2950噸,起飛推力約3460噸,奔月軌道運載能力約46噸,近地軌道運載能力約120噸。
土星―V 運載火箭圖片
太空梭
太空梭是NASA在「阿波羅」載人登月計劃後,立足於經濟、高效進出空間的可持續發展而研製的世界上第一種部分重複使用運載器。它可以將最多7名航天員送入太空,在軌服務時間長達7~30天,進行交會、對接、停靠,執行人員和貨物運送、空間試驗、衛星發射、檢修和回收等任務。
美國共研製了挑戰者號、哥倫比亞號、發現號、奮進號和亞特蘭蒂斯號等5架太空梭,自1981年4月12日哥倫比亞號從佛羅裡達州NASA甘迺迪航天中心首次發射開始,至2011年7月21日最後一次太空梭任務——亞特蘭蒂斯號在甘迺迪航天中心的主港著陸,共執行135次飛行任務,其中挑戰者號和哥倫比亞號分別在上升段和再入段發生事故導致飛行失利,並且造成2次共14名航天員遇難犧牲。
太空梭是一級半並聯構型運載火箭。一子級由軌道飛行器和外貯箱組成,外貯箱懸掛在軌道飛行器側面,貯箱直徑8.38米,採用3臺RS-25D高壓補燃氫氧發動機,比衝比普通開式循環氫氧發動機提高了10%,是目前為止最先進的發動機;採用兩個直徑3.7米的固體助推器,為了提高發動機推力採用五段式結構,單臺發動機推力達到約1300噸,是目前推力最大的固體火箭發動機(阿瑞斯號載人運載火箭、太空發射系統SLS的固體發動機均為其改進型)。太空梭全長56.1米,起飛質量約2000噸,起飛推力約3000噸,近地軌道運載能力約 29.5噸(不含軌道器結構質量)。
太空梭圖片
太空發射系統SLS
(尚未實現載人飛行)
為了實現重返月球的目標,NASA於2011年啟動了新一代「太空發射系統(SLS)」的研製。為了實現高安全和可持續性,採用漸進式發展模式,包括SLS-1、SLS-1A 和SLS-2三種構型。SLS-1主要為月球初始探索任務和近地軌道以遠的科學試驗載荷發射任務提供支撐;SLS-1A在SLS-1基礎上進一步提升能力,並可適用於載貨任務的有效載荷整流罩和適配器;SLS-2主要用於執行深空探測任務及近地軌道以遠的載人任務。目前仍然處於研製階段,首次執行SLS-1發射任務的美國重返月球表面計劃名為「阿爾忒彌斯」,一期任務計劃於2021年中下旬進行。
航天發射系統(SLS)
商業載人火箭
(尚未實現載人飛行)
早在太空梭退役之前的2010年,NASA就開始物色新一代天地往返運輸系統的承包商,當時波音、藍色起源、內華達山脈和太空探索(SpaceX)四家航天公司進入觀察資助名單。這些公司的載人飛行器將替代已經退役的太空梭,使美國擺脫對俄羅斯聯盟火箭及飛船的依賴,項目名為商業載人航天計劃。
2019年3月2日,SpaceX使用獵鷹9-Block5火箭攜帶載人型龍飛船從甘迺迪航天中心成功完成了首次商業載人飛船的無人試飛。這是自 2011 年太空梭退役以來,美國第一次使用自主研製的載人火箭和載人飛船從本土進行發射,具有深遠的意義。其成功不僅標誌著SpaceX即將成為全球第一家送人進入太空的私營公司,同時也標誌著美國向再次擁有載人發射能力邁出了堅實的一步。
獵鷹九號火箭發射圖片
編輯/楊璐茜
中國載人航天ID:zairenhangtian