本
文
摘
要
世界上运力最强的火箭被称为重型火箭，一般来说需要近地轨道运力达到百吨级以上，除了早就退役的土星五号以外，目前主要有三款火箭有希望达到这样的标准，两款来自美国，一款来自中国，俄罗斯的重型火箭不知道能不能按计划生产。我们今天就对比一下，中国和美国的重型火箭。
一、运力比拼
中国的重型火箭，大家已经很熟悉了，就是还在规划中的长征九号，近地轨道运力达到150吨，地月转移轨道运力50吨。公布了多个设计版本，最终设计版是2022年公布的光杆版可回收方案。咱们在前面也都介绍过了。
美国的重型火箭分别是官方的SLS和私营公司SpaceX的超重火箭。超重火箭以后再单独说，今天主要比较一下SLS和长征九号。从运力上来说，SLS第一个版本近地轨道运力95吨，地月转移轨道运力27吨，第二个版本近地轨道运力105吨，地月转移轨道运力42吨，最终版本近地轨道运力130吨，地月转移轨道运力46吨。三个版本的运力水平均低于长征九号。而且三个版本都没有选择可回收方案。本来SLS使用航天飞机的固体助推器是可以回收的，液体火箭发动机也是可以多次使用的，但SLS并没有打算回收任何零部件，完全是一次性的。从这些参数来看，还是长征九号占据优势。但长征九号目前还是属于设计阶段，距离真正发射至少还要七八年，而SLS已经完成第一次飞行了，可以说SLS还是更实际一些。
二、设计理念
SLS更注重节省设计和生产成本，尽量使用现成的技术和零部件。美国最辉煌的航天成果莫过于航天飞机了，虽然价格昂贵，而且多次出故障和事故，但其先进程度说领先其他国家几十年都不夸张。航天飞机的发动机直到今天也是世界上最先进的发动机。由于航天飞机是可以重复使用的，它的很多设备尤其是发动机依然是可以正常使用的，放到博物馆里面实在有些浪费。SLS之所以设计成现在这样，就是为了很好地利用航天飞机计划保留下来的那些发动机，尤其是16台200吨级液氢液氧发动机，这些发动机足够SLS发射四次。
固体助推器也直接使用了航天飞机的方案，完全不用重新研发。正是使用了这些成熟的发动机，使得美国大大缩短了新火箭的研发周期和生产周期。后期把存货消耗完以后，再使用改进版的液体发动机和固体助推器，这也为新发动机的研发提供了一定的缓冲期。其中准备升级的发动机都是要在提高性能的前提下，尽量降低生产成本。当然，美国这么着急把这款火箭搞出来，也是被前总统特朗普的重返月球计划给逼出来的，本来想实现特朗普第二任期发射，结果特朗普没想到自己没有第二任期。
相对来说，中国的长征九号历史包袱要小一些，任务压力也不大，从设计方案的选择上更加从容自由一些，更注重新理念的应用。长征九号经过多次设计改版，最终选择了多发动机并联的可回收方案，这个方案的可行性已经被美国的SpaceX公司印证过了。选择这个方案的好处是，通过多发动机并联，可以实现动力冗余的效果。火箭上的关键零部件往往都有备份设置，也叫冗余方案，目的就是一旦一个零部件出现故障，备份可以及时弥补上。唯独动力系统很难实现冗余。
猎鹰九号火箭通过九台动力可调的液体发动机实现了动力冗余，开创了动力冗余走向实用的先河。当一台到三台发动机出现故障的时候，其他发动机提高推力水平，可以弥补故障发动机造成的动力损失，至少保证发射任务不会失败。长征九号火箭计划使用24台发动机并联，按照20%的动力冗余来算的话大概可以允许5台发动机同时出现故障，如果按30%的动力冗余来计算，就是可以允许7-8台发动机同时出现故障。这样的话，按照中国现有火箭发动机的故障率，几乎可以保障长征九号百分百不会因为发动机故障而发射失败。当然，还需要考虑可回收的方案，发动机多次重复使用故障率会大大提高，20-30%的动力冗余，可以有效提高发动机的使用次数。
三、简洁也是一种方案
SLS火箭从设计上，更注重简洁、易操作和易升级。所谓的简洁就是用最少的发动机实现最大的运力。我们都知道，一枚火箭的发动机越多，操控越困难，出现故障的概率越大。美国当年的土星五号第一级只用五台发动机就实现了世界最强的运力，其运力水平直到今天仍然难以被超越。而苏联的N1火箭，因为第一级使用30台发动机并联，操控难度大大增加，最终因为多次严重故障而被放弃了。
从这个角度来说，SLS第一级只用4台发动机并联，外加两个固体助推器，一共六台发动机同时工作，从简洁度上来说是仅次于土星五号的。单从发动机台数上来说，SLS甚至远远低于运力小很多的长征五号，长征五号起飞时一共有10台发动机同时工作。而长征九号使用24台发动机，而且是全部并联到同一个火箭筒内部的，这对于中国的火箭设计来说是个巨大的挑战。
毕竟中国以前所有的火箭，同一个火箭筒里最多也就两台发动机并联，还没有超过三台发动机的情况。可不要小瞧这个变化，多发动机并联对于火箭的操控系统来说是个巨大的挑战。一个芯片要同时协调24台发动机，根据火箭的飞行状态和发动机的实际状况，实时调控所有发动机的运行，相对于调控一到两台发动机来说，其难度的增加程度不言而喻。长征五号虽然有十台发动机，但助推器往往都是有独立操控单元的，也就是相当于还是每个芯片只需要操控两台发动机就行了，难度小多了。
且不说美国的航天芯片技术更领先一些，就算同等水平，SLS的芯一级只有四台发动机并联，而中国的长征九号则需要24台并联，其操控难度差异还是很大的。有人可能会说了，那人家SpaceX不是可以控制更多的发动机吗？确实。但需要说一下的是，一方面SpaceX已经有了猎鹰九号非常成熟的发射经验了，操控技术更加成熟，另一方面SpaceX敢用民用的芯片来操控火箭，而中国和美国官方只会使用航天级芯片来操控火箭。航天级芯片的计算性能远远比不上民用芯片。
四、两国重型火箭的未来用途
SLS火箭的升级方向是发动机改进。现在的方案是用现成的火箭发动机，全部都是成熟的火箭发动机。后面的步骤，是把每台发动机在现有的基础上进行升级改造，提升性能降低成本。至少从设计上能省不少的钱。
长征九号的升级方向是，可重复使用，绿色环保。首先使用250吨级的液氧煤油发动机，逐步升级成可重复使用发动机，进一步还可以替换成液氧甲烷发动机。长征九号的设计成本不一定比SLS低，但将来的使用成本一定会比SLS低，一方面是通过可重复使用来降低成本，通过改用液氧甲烷发动机进一步提高可重复使用次数，另一方面燃料成本也远远低于SLS。
两款火箭，都是重型火箭，会是活跃在下一个十年的主要火箭。但是任务设计上还是有所不同的。长征九号目前没有载人计划，也就是短期内没有载人版本。主要的任务还是运货，除了往月球轨道运送货物以外，最大的用途应该就是建设空间太阳能发电站了，这个发电站计划可以让长征九号有足够多的任务不至于闲置。
而美国的SLS，主要用途还是载人探测月球和载人探测火星，甚至还有超大型空间望远镜发射以及星际探测器的发射。尤其值得关注的是星际探测，以前发射的旅行者1号和旅行者2号探测器，用了几十年的时间才飞到太阳系边缘，未来很有可能发射速度更快的星际探测器，让人类能更快了解太阳系以外的空间环境。而要想让飞行器更快，就需要火箭的运力够高，能够给飞行器提供足够强的助力，显然重型火箭是最佳的选择。从应用来说，中国的重型火箭是太空新基建的运载工具，兼顾空间探测，而美国的重型火箭则以空间探测为主。
对比了半天，想起了三体小说中提到的那些未来科技。虽然大家都在热衷于化学火箭的研发和运力提升，但未来的发展方向应该是核动力和无工质航天器，不知道那样的航天器什么时候才能实现。
好了，就简单对比这么多吧。大家觉得长征九号和SLS哪一个更强更靠谱呢，请在评论区发表您的观点。
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