SLS火箭由美國國家航空航天局（NASA）設計，芯級直徑為8.4m，采用液氫液氧推進劑；捆綁2個固體助推器，直徑為3.7m。載人構型火箭的近地軌道（LEO）運載能力為70t，貨運構型火箭的LEO運載能力為130t。SLS火箭在肯尼迪航天中心的39B發(fā)射工位發(fā)射，延續(xù)采用航天飛機的垂直總裝、垂直測試、垂直轉運的“三垂”測試發(fā)射模式，如圖1所示，主要特點如下：

（1）充分利用航天飛機原有的測試發(fā)射設施，節(jié)約發(fā)射場的建設投資。

（2）在技術區(qū)垂直總裝測試廠房完成芯級、助推級、星罩組合體的垂直總裝、垂直測試后，火箭、發(fā)射臺垂直整體轉運至發(fā)射工位，保持箭地連接狀態(tài)不變，測試發(fā)射技術成熟。

（4）發(fā)射區(qū)取消了航天飛機任務的復雜發(fā)射塔，發(fā)射工位更加簡潔高效。

“獵鷹”火箭由SpaceX公司研制，包括“獵鷹”9和“獵鷹”重型兩種經典構型，“獵鷹”9的直徑為3.7m，為兩級液氧煤油火箭，LEO運載能力為22.8t，地球同步轉移軌道（GTO）運載能力為8.3t；“獵鷹”重型一級由3個“獵鷹”9芯一級并聯(lián)捆綁而成，二級與“獵鷹”9相同，LEO軌道運載能力為63.8t，GTO軌道運載能力為26.7t。目前，“獵鷹”火箭發(fā)射租用卡納維拉爾角空軍基地SLC-40發(fā)射工位、肯尼迪航天中心SLC-39A發(fā)射工位、范登堡空軍基地SLC-4E發(fā)射工位，火箭采用“三平”測試發(fā)射模式，一級實現(xiàn)回收和可重復使用，如圖3所示，極致追求高效率和低成本，主要特點如下：

（1）火箭、星罩組合體在火箭總裝測試廠房完成水平總裝、水平整體測試后，水平整體轉往發(fā)射區(qū)，箭地連接保持不變。

（2）星箭組合體由一體化運輸起豎車運往發(fā)射區(qū)，起豎臂兼做臍帶塔，布設箭地氣、液、電連接管線，起豎后，起豎臂留在發(fā)射區(qū)，運輸車返回技術區(qū)；起豎臂在箭地連接器脫落后、火箭起飛的同時后倒。

（3）支撐火箭的發(fā)射臺臺體框架與起豎臂集成在一起，起豎后整體落在導流槽入口承力結構上，簡化了發(fā)射區(qū)火箭和發(fā)射臺的對接操作。

（5）火箭一級分別實現(xiàn)了海上平臺回收和發(fā)射場場坪回收，并完成了“二手”火箭的多次重復使用，極大地降低了運載火箭的發(fā)射成本，提高了火箭的使用效率。

“星艦”是SpaceX公司正在研制的超重型火箭，為直徑9m的兩級液氧甲烷火箭，起飛推力約為76000kN，LEO最大運載能力約為250t，“星艦”和助推器可回收，并可多次重復使用。該火箭計劃在美國肯尼迪航天中心SLC-39A發(fā)射工位附近和得克薩斯州博卡奇卡新建專用發(fā)射場發(fā)射。任務測試發(fā)射模式和發(fā)射場設計結合“星艦”的特點和回收需要進行了創(chuàng)新，以改進的“三垂”（火箭分段垂直運輸、垂直總裝、垂直測試）模式組織測試發(fā)射，如圖5所示，主要特點如下：

（1）火箭基礎級在技術區(qū)測試準備廠房完成垂直測試后，以垂直狀態(tài)轉運至發(fā)射工位，由獨具特色的夾持機械臂夾起，與發(fā)射臺對接。

（2）飛船在技術區(qū)測試準備廠房完成垂直測試后，以垂直狀態(tài)整體轉運至發(fā)射工位，同樣由夾持機械臂夾起，與基礎級組裝對接，火箭在發(fā)射工位上完成垂直總裝測試。未來形成發(fā)射能力后，助推器和飛船返回后直接由夾持機械臂捕獲，回收復測后，再次與固定發(fā)射臺對接，準備下一次發(fā)射。

（3）采用固定式發(fā)射臺，與SLS火箭龐大、復雜的發(fā)射臺相比，顯得非常簡潔，建設成本顯著降低。

（4）發(fā)射塔非常簡潔，設置了一對獨特的夾持機械臂，具備起升、回轉、平移功能，兼顧火箭基礎級、飛船的吊裝和回收捕捉功能，滿足必要的箭地氣、液、電連接管線支撐需要。發(fā)射塔采用分段預制鋼結構，集成度高，在發(fā)射區(qū)進行拼裝，建設速度快，維修方便。預計執(zhí)行載人任務時，還會增加人員登艙臂。

由于火箭、飛船集成度很高，發(fā)射區(qū)所需測試、操作少，因而不會因在發(fā)射區(qū)進行組裝、測試而降低發(fā)射效率。整體上，“星艦”一如既往貫徹了SpaceX公司極致追求效率與低成本的風格。

“新格倫”火箭由藍色起源公司研發(fā)，直徑為7m，為二級火箭，芯一級采用液氧甲烷推進劑，芯二級采用液氫液氧推進劑，起飛推力約為17100kN，LEO軌道運載能力為45t，GTO軌道運載能力為13t。一級采用垂直著陸返回技術實現(xiàn)重復使用。從公開的火箭發(fā)射概念視頻來看，該火箭采用“三平”測試發(fā)射模式，如圖6所示，主要特點如下：

（1）火箭、星罩組合體在技術區(qū)總裝測試廠房完成水平整體總裝、水平整體測試，之后水平整體轉運至發(fā)射區(qū)，箭地連接保持不變。

（2）星箭組合體由一體化運輸起豎車運往發(fā)射區(qū)，起豎臂兼做臍帶塔，布設箭地連接氣、電、液管線，起豎后，起豎臂留在發(fā)射區(qū)，運輸起豎車返回技術區(qū)。

（3）發(fā)射臺支撐框架與起豎臂集成在一起，起豎后整體落在導流槽入口承力結構上，省去了發(fā)射區(qū)火箭和發(fā)射臺的對接操作。

（4）發(fā)射區(qū)非常簡單，設置了簡易操作塔并兼做避雷塔，從效果圖上分析，主要是為航天員或太空乘客提供進入太空艙的通道。

“火神”火箭由美國發(fā)射聯(lián)盟（ULA）公司研制，取代“德爾他”4和“宇宙神”5火箭，為兩級捆綁火箭，芯級直徑為5.4m，芯一級采用液氧甲烷推進劑，芯二級采用液氫液氧推進劑；捆綁0~6個1.62m直徑固體助推器。LEO軌道運載能力最大為35t，GTO軌道運載能力最大為15t，計劃利用卡納維拉爾角SLC-41發(fā)射工位、范登堡空軍基地SLC-3E發(fā)射工位發(fā)射，采用“三垂”測試發(fā)射模式，如圖7所示，主要特點如下：

（1）火箭、星罩組合體在火箭垂直測試總裝廠房完成芯級、助推、星罩組合體的垂直總裝、垂直測試，之后垂直整體轉運至發(fā)射工位，保持箭地連接狀態(tài)不變，測試發(fā)射技術成熟。

（2）火箭發(fā)射臺與“宇宙神”5火箭類似，帶有臍帶塔，功能緊湊，塔上沒有擺臂，箭地氣、液、電連接管線敷設在臍帶塔上，火箭起飛時牽制連接器脫落。

（3）發(fā)射區(qū)建設了簡易的發(fā)射塔，主要用于航天員登艙使用。

“火神”火箭基本利用ULA公司“宇宙神”5火箭的測試發(fā)射模式和測試發(fā)射設施，以節(jié)約建設投資，火箭垂直總裝測試廠房位于發(fā)射區(qū)，距離發(fā)射工位約550m。

“阿里安”6火箭由空客公司與賽峰集團聯(lián)合研制，為兩級捆綁火箭，直徑為5.4m，芯一級、芯二級采用液氫液氧推進劑，捆綁2個或4個3m直徑固體助推器，GTO軌道運載能力為11t。該火箭計劃在庫魯發(fā)射場新建的ELA4發(fā)射工位發(fā)射，位于“阿里安”5發(fā)射工位（ELA3）以西4km。與“阿里安”5火箭的“三垂”測試發(fā)射模式相比，“阿里安”6火箭測試發(fā)射模式的突出特點是：火箭芯級采用“三平”模式，固體助推器采用類似“三垂”模式，如圖8所示，主要特點如下：

（1）火箭芯一級和芯二級在技術區(qū)火箭水平組裝測試廠房進行水平總裝、水平測試后，水平整體轉運至發(fā)射區(qū)活動勤務塔中整體起豎，這一點借鑒了“聯(lián)盟”火箭在庫魯發(fā)射場的相關技術，沒有沿用類似“阿里安”5火箭的垂直總裝模式。

（2）固體助推器在技術區(qū)的流程沿襲了“阿里安”5火箭的做法，利用“阿里安”5火箭的固體助推器測試準備廠房以垂直狀態(tài)完成測試。之后，助推器垂直轉運至發(fā)射區(qū)，在活動勤務塔中完成與芯級的捆綁連接及全箭組裝。

（3）航天器、整流罩在技術區(qū)完成測試、加注與整流罩裝配后，組合體垂直運至發(fā)射區(qū)，與火箭在活動勤務塔內完成組裝，進行垂直狀態(tài)整體測試、加注、發(fā)射。

與“阿里安”5火箭發(fā)射場相比，“阿里安”6火箭的技術區(qū)取消了火箭整體垂直總裝測試廠房，放棄了龐大復雜的活動發(fā)射臺，采用固定簡單發(fā)射臺，發(fā)射區(qū)增設了活動勤務塔（見圖9），整體上降低了維護成本和建設投資。雖然發(fā)射工位占位時間有所增加，但通過采用箭地一體化設計，最大程度地簡化了航天器、整流罩組合體與火箭的總裝操作及發(fā)射日操作，時間成本可以接受。

H-3火箭由日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）和日本三菱重工公司共同研發(fā)，為兩級捆綁火箭，直徑為5.2m，芯一級、芯二級采用液氫液氧推進劑；捆綁0個、2個或4個固體助推器。GTO軌道最大運載能力為6.5t，LEO軌道最大運載能力為20t。H-3火箭在種子島空間中心發(fā)射，沿襲H-2火箭的“三垂”測試發(fā)射模式，如圖10所示。

為了降低發(fā)射場建設、運營和維護成本，提高快速、連續(xù)發(fā)射能力，H-3火箭測試發(fā)射流程與發(fā)射場設計中采取了如下措施：

（1）強調繼承性，充分利用發(fā)射場H-2火箭現(xiàn)有測試發(fā)射設施，通過適當更新改造保障H-3火箭的測試發(fā)射任務，利用H-2火箭垂直總裝測試廠房第二總裝測試工位完成H-3火箭的垂直總裝測試工作，減少發(fā)射場建設投資。

（2）強調箭地一體化設計，合理分配火箭與地面設施之間的操作接口，將減少人力或操作時間作為優(yōu)先考慮因素，提高測試發(fā)射效率，降低發(fā)射成本。

（3）發(fā)射區(qū)采取無人值守設計，不設發(fā)射塔，箭地發(fā)射支持操作由移動發(fā)射平臺保障。火箭豎立到發(fā)射工位之后，不再進行設備安裝、連接或移除電纜等操作。

“安加拉”火箭由俄羅斯研制，以通用火箭模塊+上面級的組合方式形成系列型譜。火箭一級由通用模塊（URM）搭建，按照使用的通用模塊數量，分為“安加拉”1、“安加拉”3、“安加拉”5、“安加拉”7等構型，代號為A1、A3、A5、A7。每臺通用模塊直徑為2.9m，安裝1臺RD-191液氧煤油發(fā)動機。依據構型的不同，選用微風-KM上面級、通用模塊URM-2、KVTK上面級等構成二級，或選用URM-2+微風-KM或KVTK上面級構成二、三級，以適應高軌或深空探測等發(fā)射需求。“安加拉”火箭主要在普列謝次克和東方發(fā)射場發(fā)射，沿襲俄羅斯一以貫之、獨具特色的鐵路“三平”測試發(fā)射模式，如圖11所示。

“安加拉”A5火箭測試發(fā)射模式的主要特點如下：

（1）火箭、星罩組合體在技術區(qū)廠房進行水平整體組裝、整體測試，完畢后整體轉往發(fā)射區(qū)。

（2）星箭組合體由一體化鐵路運輸起豎車水平、整體運往發(fā)射區(qū)，火箭起豎后，起豎臂與運輸起豎車一起返回技術區(qū)。

（3）采用固定發(fā)射臺，發(fā)射區(qū)設置固定門式簡易發(fā)射塔，塔上設置多層擺臂，布設箭地連接氣、電、液管線，并滿足發(fā)射區(qū)的操作保障要求，射前連接器脫落后擺臂擺開。

從表1可以看出，國外主力新型火箭選擇的測試發(fā)射模式具有以下趨勢：

（1）測試發(fā)射模式聚焦在兩種典型的模式：“三平”模式和“三垂”模式，或以這兩種模式為基礎進行適應性改進，可見這兩種模式是公認的高效率測試發(fā)射模式。

（2）純液體火箭構型大多采用了“三平”測試發(fā)射模式，優(yōu)點是發(fā)射場建設投資少，地面設施設備簡單，測試發(fā)射效率較高，運行維護投入較少，發(fā)射能力能夠快速、低成本擴展。唯一例外的是“星艦”，基于其高度集成化設計和特殊的回收復用方式，其選擇了變形“三垂”模式。

（3）捆綁固體火箭型號大部分采取“三垂”測試發(fā)射模式，只有“阿里安”6火箭選擇了中間道路，綜合了“三平”和“三垂”測試發(fā)射模式的特點。由于固體助推火箭質量大，與芯級火箭進行水平組裝對芯級結構設計強度要求較高，因此，捆綁固體助推器的火箭構型均選擇在液體芯級垂直狀態(tài)下進行捆綁操作，差別僅在于是在技術區(qū)完成總裝還是在發(fā)射區(qū)完成總裝。

（4）無論是“三平”測試發(fā)射模式還是“三垂”測試發(fā)射模式，提高發(fā)射場特別是發(fā)射區(qū)的工作效率依然是主流趨勢，新型主力火箭普遍采用了箭地一體化設計、合理分配箭地操作功能、精簡發(fā)射區(qū)測試項目、簡化發(fā)射區(qū)地面設施、縮短發(fā)射區(qū)占位時間等措施。

（5）“獵鷹”“星艦”等火箭成功突破了火箭回收技術，并實現(xiàn)了“二手”火箭的可重復使用，極大降低了運載火箭的發(fā)射成本，引領了當前新研火箭的技術路線，也是未來我國火箭的發(fā)展目標。

表2從發(fā)射效率、發(fā)射場建設投資、技術復雜度、高密度發(fā)射任務拓展代價、發(fā)射區(qū)意外爆炸事故后恢復代價等維度，對“三平”“三垂”“一平兩垂”等3種經典測試發(fā)射模式進行了對比分析。綜合對比發(fā)現(xiàn)，“三平”測試發(fā)射模式綜合最優(yōu)，“三垂”測試發(fā)射模式次之。

表1 各型火箭測試發(fā)射模式及發(fā)射場特點對比表

國外主力火箭測試發(fā)射模式與發(fā)射場建設特點對我國的啟示主要有以下幾點：

（1）火箭、地面一體化設計是優(yōu)化發(fā)射成本、提高發(fā)射效率的最根本途徑。通過箭地一體化設計，合理分配箭地操作項目與操作功能，簡化發(fā)射區(qū)操作和保障要求，是降低發(fā)射成本、提高發(fā)射效率最有效的途徑。反之，火箭在發(fā)射區(qū)的測試操作越多，地面發(fā)射支持設備就會越復雜，不僅發(fā)射區(qū)占位時間長、發(fā)射效率低，發(fā)射場建設、運行維護成本也會顯著增加。同時，結合發(fā)射場的氣候環(huán)境特點、任務組織模式和火箭技術方案不斷優(yōu)化測試發(fā)射流程，也是優(yōu)化發(fā)射成本、提高發(fā)射效率的有效途徑。

（2）簡化發(fā)射區(qū)是“三平”和“三垂”測試發(fā)射模式的核心要義。簡化發(fā)射區(qū)的核心前提條件是火箭操作的精簡、流程的優(yōu)化和火箭環(huán)境適應能力的增強，如果火箭不能有效簡化發(fā)射區(qū)操作和保障要求的“三平”“三垂”測試發(fā)射模式，則難以對其發(fā)射效率、發(fā)射工位建設與運行成本進行有效控制，也難以達到這兩種模式的最佳狀態(tài)，是不完全“三平”和“三垂”模式。

（3）“三平”測試發(fā)射模式應該作為液體火箭的首選測試發(fā)射模式。綜合對比分析發(fā)現(xiàn)，“三平”模式效率最高、發(fā)射場建設投資最省、技術復雜度適中、高密度發(fā)射任務拓展能力和發(fā)射區(qū)爆炸事故后恢復能力最強，宜作為未來主力液體火箭的優(yōu)選模式。

（4）技術成熟度和繼承性是選擇測試發(fā)射模式的重要考量因素。從技術角度分析或許存在最優(yōu)測試發(fā)射模式，但對于具體型號來講，成熟可靠的模式或許才是最合適的測試發(fā)射模式。從世界各航天大國新型主力火箭測試發(fā)射模式的選擇結果來看，傳統(tǒng)國家隊都非常注重測試發(fā)射技術的成熟度和繼承性，如SLS火箭、“火神”火箭、“阿里安”6火箭、H-3火箭、“安加拉”火箭等；而新興商業(yè)航天公司大多具有較強的創(chuàng)新動力，圍繞降低成本、提升效率目標，對測試發(fā)射模式和發(fā)射場建設進行了大膽的創(chuàng)新。

對國外各航天大國的新型主力運載火箭測試發(fā)射模式和發(fā)射場特點進行系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，其測試發(fā)射模式的選擇聚焦于“三平”和“三垂”模式，并通過箭地一體化設計、優(yōu)化測試發(fā)射流程，有效提升發(fā)射效率，降低發(fā)射成本，這對我國航天發(fā)射場建設具有借鑒意義。目前，我國主力火箭主要采用“一平兩垂”和不完全“三垂”測試發(fā)射模式，發(fā)射區(qū)操作項目多、保障要求高、占位時間長，發(fā)射工位狀態(tài)復雜，建設周期長，運行成本高，尚有較大的改進優(yōu)化空間，還需找準切入點，開展系統(tǒng)創(chuàng)新，進一步提升發(fā)射效率和發(fā)射場的綜合建設效益。

（本文原刊載于《中國航天》2023年第7期）