中国火箭图片(为什么长征运载火箭不采用德尔塔火箭和猎鹰火箭的三个芯级并联方式)

目前现役火箭中运载力最大的火箭是谁？相比不少人都知道是这几年在航天市场一枝独秀的SpaceX公司的“猎鹰重型火箭”，其LEO近地轨道63.8吨、GEO地球同步转移轨道最大26.7吨的运载力成功问鼎世界运火箭运载力排行榜榜首。而我国目前现役火箭中运载力最大的就是长征5号重型火箭了，其近地轨道最大25吨、地球同步转移轨道最大14吨的运载力相比猎鹰重型火箭的确少之又少，就算是后期的长征5号乙型火箭的GEO轨道最大23吨的运载力也是低于猎鹰重型火箭的。而猎鹰重型火箭简单来说就是将三枚猎鹰9火箭并联在一起来实现这么大的运载力的，同样为了增加运载力的还有美国空军喜爱的德尔塔4重型火箭，那我国的长征运载火箭为什么不采用并联的方式来提高运载力呢？首先早期的长征2/3/4系列运载火箭因为研制年代已久，所以没有采用这种芯级并联的方式可以理解，但是像长征5/7号以及未来要实现载人登月计划的长征9号重型火箭为什么主要还是以串联加并联助推火箭的模式呢？首先串联的火箭在火箭级间分离上结构简单可以大幅度提高火箭的可靠性，而火箭的可靠性可是比火箭的运载力等更为重要的一个参数。但是纯串联的火箭受到火箭级数的限制和火箭高度等限制，运载力是有上限瓶颈的。所以很多串联的火箭为了增加火箭的起飞推力都是采用在一级芯级+几枚小型的助推火箭的方式来提高火箭的起飞推力的，也就是所谓的火箭捆绑技术。而且火箭捆绑技术不光能够增加火箭的推力、提高运载力以及降低火箭的高度，而且降低了火箭的组装、测试运输单个构件体积过大的问题，同时火箭的重心也比较低，所以这也是很多火箭采用捆绑技术的原因所在。而这种在串联火箭技术上通过捆绑小型助推火箭来提高火箭推力的方式反过来也算是串并联技术的结合。像我国最新研制的长征5号、长征7号运载火箭依然采用这种捆绑技术来提高火箭的起飞推力和起飞质量的主要原因还是我们目前还没有超大推力的火箭发动机，像德尔塔4火箭的LEO轨道运载力28吨的运载力优势在于其一级结构采用了三台单台推力高达268吨的RS68液体火箭发动机，所以一级结构只需要3台发动机即可满足需求。但是我国目前现役的液体火箭推力最大的就是YF-100型液体火箭发动机，该发动机海平面最大推力不过120吨，所以像长征5号、长征7号运载火箭为了实现更大的推力，一级结构就需要装备数量更多的YF100发动机来满足起飞推力需求。而且受限于液体火箭尾喷流之间的排斥效应下，火箭发动机之间并不能布置更多数量的火箭发动机，否则会降低火箭发动机的推进效率和降低火箭的可靠性。其次就是并联的火箭相比串联的火箭而言，在各个芯级之间的链接分离机构更为复杂，而且在分离阶段需要采用主动分离技术来避免芯级之间发生碰撞。像猎鹰重型火箭采用三级并联结构是因为SpaceX公司没有大推力火箭发动机，所以采用这种多台并联的方式来提高火箭的发射质量，但是这种一级结构装的发动机数量过多的话会带来很多问题，首先就是可靠性问题，比如左右两侧的助推级如果某一边突然推力大幅度降低，火箭很可能会因为左右推力不均衡而倾向发射失败。比如对于火箭最重要的可靠性要求中，比如一级结构只有一台发动机的话，就要求发动机在整个发射过程中，必须全程正常工作，否则火箭将失去动力导致发射失败。但是这种一级结构只有一台发动机的设计可以降低火箭的干质量。提高火箭的运载力和发射效率，所以对于有些小型火箭、或者是装备单台发动机能够满足发射推力需求的火箭依然会采用这种设计，前者如我国的长征6号火箭一级结构就只采用了一台YF100火箭发动机；后者如美国的战神火箭一级结构采用了一台航天飞机使用的超大推力固体火箭发动机。如果火箭一级结构的发动机数量过多的话，虽然可以允许一台或者几台发动机出现故障而不影响正常发射，但是这都是依靠其他正常工作的火箭自动增加推力来保证总推力不降低来保证正常发射的。具体来说的话，像串联的火箭或者是捆绑形式的串联火箭为了避免因为助推发动机出现故障导致发射失败，火箭助推器的直径和体积、重量都小于火箭的芯级直径、体积、重量，所以就算是某体助推器停机不工作，虽然会对火箭的发射产生一定的影响，但是在火箭较高的系统沉余设计下，火箭发射可靠性依然能够保证，当然事情没有绝对，如果火箭系统沉余度设计不够或者剩余工作的助推器没能自动增加推力补偿的话，火箭依然会因为推力不平衡问题而发生偏移坠毁。但是并联设计下，如果左右两边的助推器因为停机的发动机数量过多、剩余的发动机没能自动补偿推力的造成左右推力不均衡的话，由于助推器燃料消耗速度和其他正常助推器燃料消耗速度不一样，火箭的质心将会大幅度横向偏移，而且出现故障的助推器内剩余的燃料变成火箭的死重也会大幅度浪费火箭的运载力、造成火箭因为推力不足而发射失败。虽然为了解决这个问题，并联的火箭在三个芯级之间会采用燃料交叉技术来解决，但是由此也带来火箭设计更为复杂，同样会降低火箭的可靠性。

像猎鹰重型火箭因为一级结构布置了多达27台发动机来满足推力需求，所以为了降低因为某台火箭发动机停机造成火箭发射失败，猎鹰重型火箭一级结构的27台发动机除了可以自动补偿推力外，在整个发射过程中27台发动机的推力都是按照设计时大时小的，这样不仅降低了因为单边火箭发动机停机数量过多，造成弥补推力不足的问题，而且也能够通过这种推力差满足了火箭程序转弯需求。或者像德尔塔4这种因为火箭一级结构中三个并联芯级只有三台发动机，如果因为左右某台发动机停机造成左右推力不均衡问题，会导致火箭发射轨迹严重偏斜，就算是火箭能够正常发射没有坠毁，最后也会因为火箭飞行路线偏移、没有达到入轨发射精度而发射失败。再一个火箭采用并联设计会增加火箭的干质量，降低火箭的发射效率，特别是大多数采用并联设计的火箭受限于液体燃料比冲的影响，如果只是一级火箭的话是没办法达到第一宇宙速度的，所以这种并联的火箭在一级结构之上都是要再增加一级构成一级半结构设计（助推都算半级）。所以在火箭级数较少的情况下，这类并联的火箭在LEO轨道和较低的GEO轨道的运载力都很出色，但是面对像太阳同步轨道这类轨道高度较高的发射任务时，由于发动机比冲低和火箭级数不够造成火箭速度过低，所以这类火箭并不能执行太阳同步轨道航天器的发射任务。像长征5号运载火箭虽然现阶段主要是用于近地轨道的大质量航天器的发射，但是包括改进型号的长征5号乙运载火箭LEO轨道25吨的运载力，是可以满足我国未来建设空间站、火星探测、深空探测器的发射任务的，所以当初在规划长征5号运载火箭的参数规格的时候制定的25吨的运载力已经够用了，毕竟以长征5号运载火箭的用途来说，除了像大型空间站需要多批次发射空间组装外，25吨的LEO轨道运载力对于其余的大型航天器发射质量来说足够了。所以为了提高火箭的可靠性和发射效率，长征5号运载火箭依然采用的是串联加助推的结构设计。而长征7号运载火箭因为未来要替代长征2/3/3系列运载火箭承担我国未来航天发射80%的发射任务的，因为要满足载人航天发射需要，采用并联设计会降低载人航天更高的可靠性要求。而且长征7号运载火箭本身就是在长征5号运载火箭基础上衍生出来的，二者之间的通用性很高，所以在级间设计上还是沿用了我国更为成熟的串联加捆绑助推火箭的技术。最后像我国目前正在研发之中，预计2030年发射的长征9号重型火箭主要是为载人登月研制的，从登月发射更高的级数要求以及降低火箭复杂性、提高火箭可靠性需求出发，火箭依然还是采用了串联加捆绑的技术，原因想一下当年的土星5号重型火箭为什么没有采用并联、依然采用串联设计就可以明白了。
所以总结一下就是，我国目前现阶段的火箭采用串联＋捆绑的设计方式除了因为这一设计比较成熟简单外，还有一个就是我国缺乏合适的大推力火箭发动机，如果没有大推力火箭发动机强制上并联设计的话，只能是设计出和猎鹰重型火箭这种怪胎，毕竟这种采用多发动机设计大大降低了火箭的可靠性。而SpaceX设计猎鹰重型火箭只是为了向外界展示和试验，其下一代的重型火箭依然还是串联设计。而对于我国来说并联设计最大的优势就是可以大幅度提高LEO和GEO轨道运载力，但是涉及到载人航天或者是更高轨道的发射任务，还是传统的串联设计＋捆绑更好，如果主芯级火箭发动机推力够大的话，还可以取消助推级，更能提高火箭发射可靠性和发射效率。