1. 引言
人类探索宇宙永无止境，月球是离地球最近的星球，载人“奔月”成为各国空间探索和空间活动的首要目标，重型运载火箭是进入深空不可或缺的运输工具，也是一个国家综合实力的重要体现 [1] 。重型运载火箭的研制能够提升火箭动力、结构设计、制造水平等，从而推动科学技术进步、带动基础能力提升、培养科技人才队伍，是一个国家政治、军事、应用、经济需求共同作用的产物 [2] 。美国从上世纪六十年代起就开始重型运载火箭的研制，前苏联也不甘落后，至今两国共有三种类型火箭成功发射，下面将分别介绍。
2. 已成功发射的重型运载火箭
1969年7月16日美国发射搭载“阿波罗11号”飞船的“土星”5号运载火箭，7月20日两名宇航员登上月球，为全人类“迈出一大步”。至今，人类成功发射的运载火箭有：美国的土星5号、俄罗斯的能源号和美国的航天飞机，各火箭的参数如表1所示 [3] [4] 。
Table 1. The information sheet of successfully launched heavy launch vehicle
表1. 成功发射的重型运载火箭信息表
2.1. “土星”5号运载火箭
“土星”5号火箭是美国实施“阿波罗”载人登月计划时使用的重型运载火箭，于1957年开始研制，先后制造了15枚，其中的13枚曾两次发射无人阿波罗飞船，十次发射载人阿波罗飞船，一次运送天空实验室；曾先后把33名宇航员送上太空，其中包括12名登上月球的宇航员。1967年11月成功实现首飞，共进行了13次发射，并全部成功。
“土星5”号(如图1所示)由一子级(S-IC级)、二子级(S-Ⅱ级)、三子级(S-ⅣB级)、仪器舱和阿波罗飞船等组成。火箭第一级长42米，直径10米，尾段装有四个稳定尾翼，翼展约18米。第二级长25米，直径10米。第三级采用土星1B火箭的第二级，仪器舱也与其相同 [5] 。
Figure 1. The structure diagram of Saturn V launch vehicle [6]
图1. “土星”5号运载火箭结构图 [6]
S-IC级结构如图2所示，主要组成部分为：前裙、氧化剂箱、箱间段、燃料箱和推力结构，结构的主要材料为铝合金。1) 前裙的后端与氧化剂箱连接，前端与S-Ⅱ级连接。外蒙皮用7075-T6铝合金制成，并用隔框和桁条加强。2) 氧化剂箱的圆筒状箱壁由经机械铣成的“T”形剖面整体加筋加强，加筋上连接环形隔板，隔板可以增加箱的稳定性，同时可以抑制液氧晃动。箱底上安装的十字形板用来防晃和消旋。圆筒材料为2219-T87铝合金。蒙皮厚度不等，从后段到前段分八段逐渐变薄。3) 箱间段用来连接液氧箱和燃料箱，蒙皮壁板和环框全部用7075-T6铝合金制成。4) 燃料箱是圆筒状的，上、下有两个半椭圆球形的箱底，蒙皮用2219-T87铝合金制成，其厚度从后段到前段分四段逐渐变薄。5) 热防护板用于飞行时对发动机的关键元件和底部结构进行热防护，是一种蜂窝结构壁板，由15-7PH不锈钢箔制成的蜂窝芯板和厚0.254毫米的面板钎焊而成。6) 整流罩下部的构件主要由钛合金制成，上部用铝合金制成。7) 尾翼用来增加土星V火箭的气动稳定性，尾翼的蒙皮也是钛合金 [7] 。
箱间段(如图3所示)是非承压的圆柱形结构，段用来隔离燃料箱和氧箱，高约6.7米，直径10米，材料为7075-T6铝合金。由18个带褶皱的蒙皮壁板组成，蒙皮厚度由4~4.7毫米间渐变。五个I形梁沿航向分布，间距1.26米，用于保持箱间段壳体的圆度和结构稳定性。蒙皮上有开口和舱口盖用于人员操作维护、燃料及通风管路 [8] 。
Figure 2. The schematic diagram of S-IC level of Saturn V launch vehicle
图2. “土星”5号运载火箭S-IC级结构示意图
Figure 3. The schematic diagram of compartment of Saturn V launch vehicle
图3. “土星”5号运载火箭箱间段结构示意图
2.2. “能源号”运载火箭
能源号是苏联研制的一种超重型运载火箭，由能源科研生存联合体设计 [9] 。能源号只执行过两次发射任务，而且第一次发射(1987年5月15日)中，有效载荷没有正常工作(极地号与能源号成功分离后调整姿态失败，重返大气层解体)。第二次发射(1988年11月15日)，能源号顺利将暴风雪号航天飞机送入预定轨道。伴随着苏联解体，能源号火箭停止生产 [10] 。
苏联对能源号火箭最关心的问题是重复使用问题，如果要把大有效载荷送入轨道的成本降下来，就必须解决这一问题。能源号火箭的结构如图4所示，其芯级有两级，芯一级使用的发动机是成熟的发动机，芯二级使用的发动机可重复使用，芯级上有四台捆绑助推器，助推器不能重复使用，但留有再入和着陆设备接口 [11] 。
Figure 4. The structure diagram of Energia launch vehicle
图4. “能源号”运载火箭结构示意图
2.3. 航天飞机运载火箭
航天飞机是可重复使用的，往返于太空和地面之间的航天器，结合了飞机和航天器的性质，它既能代表运载火箭把人造卫星等航天器送入太空，也能像载人飞船那样在轨道上运行，还能像飞机那样在大气层中滑翔着陆 [12] 。美国是世界上第一个拥有与实际操作航天飞机的国家，自1981年首飞发射成功至今已完成了100多次空间飞行任务。1981年4月12日，第一架实用航天飞机“哥伦比亚”号首次升空，开创了人类航天的一个新时代。2010年初，NASA正式决定将日渐老化的航天飞机全部退役，2011年7月21日美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机在弗洛里达州肯尼迪航天中心安全着陆，结束其“谢幕之旅”，这寓意者美国30年航天飞机时代宣告终结。
航天飞机的结构如图5所示，由轨道器、外贮箱和固体助推器组成 [11] 。美国的航天飞机外贮箱箱间段直径8.38米，由8块壁板组成：2个整体式壁板、6个桁条+蒙皮的壁板，5个中间框：1个主承力中框、4个普通中框。桁条为几字形 [13] 。桁条、蒙皮、楔片和框环的装配如图6所示。
Figure 5. The schematic diagram of space shuttle [14]
图5. 航天飞机结构简图 [14]
Figure 6. The schematic diagram of compartment of space shuttle [14]
图6. 航天飞机箱间段结构图 [14]
3. 研制的运载火箭
3.1. 战神五号运载火箭
战神五号(Ares V)运载火箭是美国国家航空航天局(NASA)设计的重型运载火箭，主要用于承载货物重返月球和未来的火星探测任务，结构如图7所示，火箭为两级捆绑两个助推，第一级(如图8所示)使用6台RS-68发动机，第二级使用J-2X发动机，助推器为5.5段可重复使用固体助推器。火箭总高116.2 m，近地轨道运载能力187.7吨 [14] 。2009年“星座”计划终止后，“战神”5火箭的研制也随即终止，其成果和经验可用于美国新一代“空间发射系统”(SLS)的研制 [3] 。
3.2. 航天发射系统
航天发射系统(Space Launch System)是美国国家航空航天局(NASA)于2011年9月公布的一块重型运载火箭，用于国际空间站、地月试验、火星探测等 [15] 。航天发射系统火箭有3个基准构型，分别为：航天发射系统−1型、−1B型和−2型，各构型的参数见表2，结构简图见图9。为实现载人深空探索目标，美国持续推进SLS重型火箭研制，计划2020年首飞。
Figure 7. The structure diagram of Ares V launch vehicle [15]
图7. 战神五号火箭结构图 [15]
Figure 8. The schematic diagram of core stage of Ares V launch vehicle [15]
图8. 战神五号核心级火箭结构图 [15]
Table 2. The configuration information table of space launch system [16] [17] [18]
表2. 航天发射系统构型信息表 [16] [17] [18]
Figure 9. The structure diagram of space launch system
图9. 航天发射系统简图
SLS的芯级贮箱由AMRO公司负责，贮箱壁板是铣出来的网格结构，再用大功率压机滚弯至设计直径，最后各壁板通过焊接组成整箱。
4. 各国未来发展趋势
2018年9月24日，美国国家航空航天局(NASA)发布《国家天空探索活动报告》，确定了美国国家太空探索活动从2018年到2024年之后在绕月轨道、月球表面、近地轨道及火星4个领域的路线图。美国将不晚于2029年登陆月球，并从2019年开始机器人往返火星及2024年决定人类登陆火星表面需要的技术投资组合和时间线。2019年4月2日，美国航天局确认，计划在2033年将宇航员送上火星，并至少要在火星上生存两年。
SpaceX公司将其用于月球探测和火星移民任务的星际运输系统更名为“超重-星舰”方案，并将其运载能力从最初设计的150 t降至100 t；火箭级高度从122 m降至63 m，直径由12 m缩减至9 m。
据俄最新消息，俄已确定重型火箭的主选方案，但目前仍处于初步设计阶段。该方案由国家航天科研生产中心提出，芯级采用RD-180发动机，捆绑6枚助推器，采用RD-171发动机，实现103t的运载能力。
中国的重型运载火箭——长征九号运载火箭在2012年被首次提出，是为了满足我国未来登月、火星取样返回和外行星探测任务的需求，目前重型运载火箭已经完成深化论证。火箭直径近10米，近地轨道运载能力100吨，通过模块重组可以达到125~130吨。有望在2030年前后实现中国人安全地登上月球并返回地球的梦想。
5. 关于重型火箭舱段结构的思考
随着火箭运载能力的提高、直径的增大，对箭体结构材料的高强度低重量要求越来越高，舱段结构由原来的蒙皮框桁结构逐步向整体机加、铣切网格等方向发展。蒙皮、框、桁铆接结构(如图10(a)所示)技术成熟、应用广泛，且零部件的加工难度相对较低，但传统的手工铆接存在位置精度差、噪声大、劳动强度低等诸多缺点。网格加筋结构(如图10(b)、图10(c)所示)相比蒙皮框桁可提高结构的密封性能和抗疲劳性能，且大大减少连接件和零件数量，从而减少了装配劳动量，缩短装配周期和工作量。复合材料整体成型结构(如图10(d)所示)复合材料整体成型结构可降低零件和装配成本，并可减轻结构重量。
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 10. The structure diagram of space launch system. (a) Skin-frame-rivet joint structure [20] ; (b) Overall mesh reinforcement structure [21] ; (c) Mesh reinforced panel welding or riveting structure [18] ; (d) Composite material integral forming structure [22]
图10. 箭体结构铆接舱段的结构形式。(a)蒙皮、框、桁铆接结构 [20] ；(b)整体网格加筋结构 [21] ；(c)网格加筋壁板焊接或铆接结构 [18] ；(d)复合材料整体成型结构 [22]
材料由单纯的铝合金向铝锂合金、铝镁合金、非金属材料等方向发展，如猎鹰9火箭箭体壳段承力结构采用碳纤维面板-铝蜂窝夹心材料，燃料贮箱采用均使用铝锂合金材料，这些材料比常规铝合金具有更高的强度和弹性模量、更低的密度，属高强轻量化材料 [19] 。新型结构、新型材料的研制必将对舱段的装配技术提出更高要求，从而促进基础制造能力的提升。
对我国重型运载火箭舱段研制个人有以下意见：①舱段研制可借鉴已经成功发射的国外运载火箭的结构，特别是承力方面的加强设计，并结合我国的长征三号系列、长征二号F运载火箭结构。②舱段材料可采用以铝合金为主、复合材料为辅的方式，如火箭中承力的尾段、过渡段等仍采用传统的铝合金材料，而箱间段、级间段等承力较小的部段可尝试采用非金属材料。③舱段结构直接影响装配方式，随着自动化钻铆进程的发展，舱段设计尽量采用便于自动钻铆的结构，如桁条型材最好统一、壁板分布最好对称、内部结构尽量开敞。④舱段结构设计考虑重复使用，重型运载火箭的研制成本必将高于现有运载火箭，某些舱段回收后经检查、维修后再次使用，可大大减少制造成本。
6. 结束语
已成功发射的重型运载火箭舱段结构以传统的铝合金、蒙皮框桁结构为主，以承力梁、框来提高结构的强度，装配方式为铆接装配。研制中的火箭逐步采用复合材料、整体机加、铣切网格等结构，对机械加工能力要求较高，装配也逐渐摆脱传统的手工铆接，逐步向焊接、自动钻铆方向发展。随着重型运载火箭对高强度、低密度材料的要求越来越高，铝锂合金、铝镁合金、非金属材料等基础材料也逐步发展起来。
载人登月、火星探测，不仅是对一个国家综合国力的考验，更是对本国基础制造能力的考察。美国的“土星”5号运载1967年首飞成功，前苏联的能源号运载火箭1987年首飞成功，中国的长征九号重型运载火箭预计2030年首飞，新型重型运载火箭舱段的研制可参考已飞行的火箭结构，并结合新材料新工艺的发展大胆创新，提高我国的基础制造能力。