美国航天发射技术的里程碑

20世纪50年代中期以后，美国也研制了多种一次使用或部分可重复使用的航天运载器。一次使用的航天运载器主要有“先锋号”运载火箭、“丘诺”系列运载火箭、“雷神”系列运载火箭、“宇宙神”系列运载火箭、“德尔它”系列运载火箭、“侦察兵”系列运载火箭、“水星－红石”运载火箭、“土星”系列运载火箭、“大力神”系列运载火箭、“大篷车”系列运载火箭、“飞马座”运载火箭、“金牛座”运载火箭、“猎鹰”系列运载火箭和通用上面级等。可部分重复使用的航天运载器主要包括“X－15”研究机、航天飞机、空天飞机和“德尔它快帆”等。

1955年，美国研制了第一种不以导弹为基础的“先锋号”三级液固体运载火箭；1957年，美国研制了“丘诺”系列运载火箭；1958年，“雷神”系列运载火箭投入使用。

20世纪50年代末期，美国研制了“宇宙神”系列运载火箭，其基础级有16种，共有20个型号。同期，美国还研制了“德尔它”系列运载火箭，它是美国发射次数最多的运载火箭系列，也是世界上型号最多、改型最快的运载火箭系列。1958年，美国开始研制“侦察兵”系列运载火箭，它是研制周期短、性价比高、使用可靠的小型四级固体运载火箭系列。1959年，美国研制了“水星－红石”运载火箭，它是美国“水星”计划中使用的第一种载人亚轨道航天运载器。1959年，为了实现“阿波罗”飞船登月计划，美国研制“土星”系列（大型液体）运载火箭，最终研制成功“土星V”运载火箭，它已多次将“阿波罗”载人飞船送上月球。1962年，美国研制了“大力神”系列运载火箭，可实现各种载荷的发射。

为了发射中小型卫星，填补由航天飞机、“德尔它”系列运载火箭和“阿里安”运载火箭等留下的世界商业卫星发射市场的空白，1982年，美国私人企业投资研制了“大篷车”系列（商用）运载火箭。

1987年，美国私人企业投资研制了“飞马座”（小型商用）运载火箭，它是美国第一个从空中发射的一次性使用的航天运载器。“飞马座”运载火箭及其发射技术不受地理条件的限制，运载火箭的载机可以从不同的机场起飞，并可以在地球上空的任何地点发射。这大大提高了运载能力，增加了发射窗口时间，扩大了有效载荷的轨道倾角范围。

1989年，美国研制了“金牛座”（商用）运载火箭，它是用移动平台发射的小型标准固体四级运载火箭。“金牛座”运载火箭及其地面设备在发射场的总装时间不超过5天，发射准备时间不超过72 h，完成一枚运载火箭的发射全过程最多需要25人。

“猎鹰九号”运载火箭是SpaceX设计制造的中型两级运载火箭系列，以星球大战系列中的“千年隼”（Millennium Falcon）和第一级拥有的9个发动机而得名，如图1.11（a）所示。“猎鹰九号”运载火箭在人类航天史上有着极为重要的历史地位：它是第一枚完全于21世纪开发和设计的火箭、第一枚实现可控陆地和海上垂直着陆回收的火箭，以及第一枚实现第一级多次重复使用的火箭，此外这是美国首度由私人企业承包国家探索太空的发射工作，其低成本、多发并联、多次使用、垂直回收的设计思路深刻地影响了商业航天时代的火箭的设计，其极为低廉的发射价格也彻底改变了国际商业航天市场的格局。

“猎鹰重型”运载火箭，先前称为“猎鹰九号重型”运载火箭，是SpaceX研发和制造的一款可重复使用超重型运载火箭，如图1.11（b）和（c）所示。“猎鹰重型”运载火箭是“猎鹰九号”运载火箭的一个衍生构型，由一个经过强化的“猎鹰九号”中央芯级和两个额外的“猎鹰九号”第一级组成。这能让“猎鹰重型”运载火箭的LEO运载能力达到63.8 t，而“猎鹰九号”运载火箭全推力版LEO运载能力仅有22.8 t。“猎鹰重型”运载火箭一开始就按照载人标准设计，并具有向月球或火星发射载人任务的潜力。另外它也可以发射小行星采矿所需要的重型挖掘机具。由于“猎鹰重型”运载火箭的蓝本（“猎鹰九号”运载火箭）设计上的不断演进以及处理长期积压订单的压力，它的首次发射日期在过去几年中屡次推迟。2018年2月6日，“猎鹰重型”运载火箭首飞成功，首次发射中携带的有效载荷为该公司首席执行官伊隆·马斯克（Elon Musk）的特斯拉Roadster跑车。这枚火箭是“土星五号”于20世纪70年代退役之后，当前世界上推力最大的运载火箭。

(www.xing528.com)

图1.11　“猎鹰”系列运载火箭

（a）“猎鹰九号”运载火箭；（b）“猎鹰重型”运载火箭；（c）“猎鹰重型”运载火箭回收示意

20世纪50年代末期以后，美国陆续研制了多种通用上面级－航天运载器的末级火箭。通用上面级主要包括“阿金纳”系列、“半人马座”系列、惯性上面级系列、有效载荷辅助舱系列和轨道转移分系统等。其中，“阿金纳”系列通用上面级是世界上第一个具有三轴稳定与多次启动能力并可实现轨道机动的通用上面级，是美国第一个使用常规液体推进剂的通用上面级，是美国发射次数最多、使用时间最长的通用上面级。

1954年，为了发展载人航天技术，研究与高超声速飞行有关的气动、控制、稳定和生理等问题，美国开始研究空中发射、可重复使用的“X－15”原型机。通过研制“X－15”，美国获得了大量高超声速载人飞行的试验数据，其中65%的数据被后来的载人航天计划所利用，空中发射的“飞马座”运载火箭也充分利用了“X－15”的成果。

1971年，美国开始研制航天飞机，航天飞机是世界上第一种往返于地面与宇宙空间的可部分重复使用的航天运载器，其主要由轨道飞行器、外贮箱和固体助推器等组成。轨道飞行器能重复使用100次，可载3～7人，在轨道上逗留7～30天，完成会合、对接、停靠、人员运送、货物运输、空间试验，以及卫星发射、检修和回收等任务。美国共生产了6架航天飞机，为“企业号”“哥伦比亚号”“挑战者号”“发现者号”“阿特兰蒂斯号”和“奋进号”。

1985年，美国开始研制“国家空天飞机”缩比验证机，它是一种能在大气层内、外飞行，可在普通跑道上水平起降并可完全重复使用的航天运载器，主要由载机和轨道器组成。

为了满足大多数有效载荷的发射需要、给在轨飞行器提供服务、回收卫星和减少近地轨道有效载荷的发射费用，1990年，美国开始研制“德尔它快帆”，它是世界上第一种单机入轨、垂直起降和可完全重复使用的航天运载器，已完成了缩比验证机与工作机的研制任务。

美国一次使用航天运载器的发射方式、地面设备系统和发射工程设施等与苏联大同小异。在航天运载器及其发射技术的发展过程中，诸如“雷神”“宇宙神”和“大力神”等系列运载火箭已经派生出了近百个型号，发挥了承上启下的作用。美国的航天运载器及其发射技术的主要特点是：重视采用成熟的技术、材料和元器件，以缩短研制周期，提高运载火箭系统的使用可靠性与性价比；设计通用积木式上面级，通过与基础级的不同组合，可发射多种不同的有效载荷；通过通用上面级与基础级的改进和标准化，进一步提高运载火箭系统的使用可靠性与性价比；将通用上面级发展成为多用途的星箭共同体，使之与有效载荷一起进入轨道并提供动力，进而演变为独立的宇宙飞行器；增加发射场或发射工位的数量，以满足不断增加的有效载荷的种类与发射频度的要求；将退役导弹改装成运载火箭，充分利用已有的导弹地面设备系统与发射工程设施；采用简化设计、设计竞争、全面论证和全面鉴定的研制方法。