重型運載火箭是指近地軌道運載能力達到百噸級別的運載火箭，它囊括了50噸到150噸之間的能力。要發射大型人造衛星、飛船到近地軌道，亦或者是發射火星探測器、建立月球基地、推動深空探測，都需要使用到重型運載火箭。
二十世紀60年代以來，世界各國現役或在研的重型運載火箭主要有美國的土星-5號、航天飛機、美國星座計劃中的戰神-5火箭、首次飛行的太空發射系統(SLS)、SpaceX公司的獵鷹重型運載火箭(Falcon Heavy)以及藍色起源(Blue Origin)公司的新格林火箭(New Glenn)等，而前蘇聯/俄羅斯則主要發展了N-1運載火箭和能源號火箭及暴風雪航天飛機等。中國的長征九號的第一研制階段于2016年立項研制，計劃于2028年前后首飛。
目前，重型運載火箭芯級箭體直徑10米級，采用三級串聯構型，具備芯一級可重復使用能力，可大幅提升進入空間和開發利用空間資源的規模和能力。
歷史沿革
俄羅斯（蘇聯）
在二十世紀美蘇冷戰期間，俄羅斯曾設計過N-1重型運載火箭。該重型運載火箭采用串聯構型，參數為近地軌道運載能力約100噸，起飛質量3080噸。但是，由于動力系統復雜和采用發動機推力小等因素，試驗沒有獲得成功。因此，俄國不得最終放棄N-1重型運載火箭的實驗方案，轉而重新開發并設計能源號火箭。能源號火箭的主要參數是芯級直徑7.75米，有4臺真空推力發動機，其起飛推力約3616噸，近地軌道運載能力可以隨著助推器個數的增減達到105噸至200噸。俄羅斯正在研制近地運載能力約160噸的重型運載火箭，計劃將于2025年首飛。
美國
美國的土星-V運載火箭專為阿波羅登月計劃而研制、迄今為止最大的重型火箭。阿波羅計劃從1961年5月開始實施到1972年12月項目結束，除“阿波羅”13號外，其余6次載人登月飛行均獲得成功。美國為了保持世界航天領域的領先地位，于2004年提出了實現2020年前重返月球的“星座計劃”，并在第二年正式啟動了該計劃。星座計劃研制兩種運載火箭——阿瑞斯(也稱戰神)V貨物運載火箭和阿瑞斯I乘員運載火箭。阿瑞斯V的運載能力超過土星-V火箭，成為世界上最大的航天運載器，可用于發射建立月球基地的大量設備，甚至發射火星飛船。該火箭的特點是充分利用已有的、可靠性較高的動力系統，以降低火箭研制難度及生產成本。由于經費預算原因，美國國會在2010年初終止了“星座”計劃，但是其并沒有同時終止運載火箭——阿瑞斯V的研制項目，反而將加快了其研發進程。美國航空航天局2011財年的航天計劃預算授權法案在2010年7月得到了美國參議院通過，法案中規定:在2011年提前研制美重型運載火箭，并于2016年底前投入實際使用。
中國
隨著世界各航天強國紛紛推進了新型大運載火箭/重型運載火箭的研究，為提高中國航天科技實力，并便于未來中國載人登月計劃、探火/登火計劃和深空探測計劃的順利實施，中國也正在加緊研制自己的重型運載火箭——長征9號。2016年12月，中國公布了《2016中國的航天》白皮書，確認中國正在開展重型運載火箭關鍵技術攻關和方案深化論證，將主要突破重型運載火箭總體技術、大推力液氧煤油發動機技術和氫氧發動機等關鍵技術。長征-9號重型運載火箭初步的總體方案為長度100m左右，芯一級采用直徑10米級箭體結構，芯二級和芯三級直徑均為7.5m，確定芯級和助推級采用480噸級液氧煤油發動機，而二級采用220t級氫氣液氧發動機的方案。通過這兩型發動機，將使長征九號實現起飛質量約4137t、近地軌道運載能力140t以上，地月轉移軌道運載能力50t以上，滿足中國未來超重型航天器入軌、載人登月、火星探測及其他深空探測需求。2017年，220噸級高性能氫氧發動機完成多個組件方案詳細設計，進行了組件的研制試驗工作。2021年9月3日，220噸級補燃循環氫氧發動機成功進行了首次半系統試驗，試驗取得圓滿成功。2022年9月6日，25噸級閉式膨脹循環氫氧發動機首次整機熱試車圓滿成功，標志著中國成功研制出世界上推力最大的閉式膨脹循環液氧液氫火箭發動機。2022年11月5日，500噸級液氧煤油發動機首次整機試車圓滿成功。該型發動機設計推力500噸級，采用世界上最大的補燃循環發動機推力室。首次整機試車的成功，標志著該型發動機研制取得重大突破，全面提升了中國液態火箭發動機的研制水平。長征九號預計將于2028年前后首飛，相比規劃中2030年前后有所提前。
原理與飛行過程
基本原理
重型運載火箭屬于火箭的類型之一。火箭是靠火箭發動機向前推進的。火箭發動機點火以后，推進劑（液體的或固體的燃料加氧化劑）在發動機燃燒室里燃燒，產生大量高壓氣體；高壓氣體從發動機噴管高速噴出，對火箭產生反作用力，使火箭沿氣體噴射的反方向前進。火箭推進原理依據的是牛頓第三運動定律：作用力和反作用力大小相等，方向相反。一個扎緊的充滿空氣的氣球一旦松開，空氣就從氣球內往外噴，氣球則沿反方向飛出，其道理是一樣的。
飛行過程
重型運載火箭（以無助推器火箭為例）從起飛到進入最終軌道一般要經過以下幾個階段。
大氣層內飛行段：火箭從發射臺，在離開地面以后的十幾秒鐘內一直保持垂直飛行。火箭要在大氣層內跨過音速，為減小和減輕結構重量。
等角速度程序飛行段：第二級火箭的飛行已經在稠密的大氣層以外，火箭按照最小能量的飛行程序，即以等角速度作低頭飛行。達到停泊軌道高度和相應的軌道速度時，火箭即進入停泊軌道滑行。對于低軌道的航天器，火箭這時就已完成運送任務，航天器便與火箭分離。
過渡軌道階段：對于高軌道或行星際任務，末級火箭在進入停泊軌道以后還要再次工作，使航天器加速到過渡軌道速度或逃逸速度，然后航天器與火箭分離。
結構組成
箭體結構
箭體結構是火箭各個受力和支承結構件的總稱。其功能是安裝連接有效載荷、儀器設備、推進系統和儲存推進劑承受地面操和飛行中的各種載荷維持良好的外形以保證火箭的完整。
液體推進劑火箭結構包括：有效載荷整流罩、推進劑貯箱、儀器艙、箱間段、級間段、發動機支承結構、儀器支架、導管、活門和尾段、尾翼等。
有效載荷整流罩的作用是在大氣層內飛行時保護有效載荷免受氣動載荷及熱流的影響，并使火箭維持良好的氣動外形。飛出大氣層后整流罩即被拋棄以減輕重量。推進劑貯箱占據箭體結構的絕大部分，它除儲存推進劑外還是火箭的承力結構。級間段是多級火箭的級間連接部件級間熱分離時它使上面級發動機的噴流能順暢排出。
推進系統
固體運載在使用性能等方面比液體推進劑具有優勢，但液體推進劑性能高、廉價、環保，更符合重型運載火箭的需求。作為重型火箭下面級發動機的推進劑，液態氧甲烷和液氧煤油推進劑組合各有優劣。
控制系統
故障檢測和隔離系統
實時對可能發生故障的部位(敏感器、伺服機構等)進行檢測，檢測出故障后，將故障位置及相關信息傳給飛行控制律設計系統，并采取相應措施對故障進行隔離。
可重構飛行控制律設計系統
維持正常情況下的飛行性能，故障發生后，根據FDI檢測出的故障信息對控制器進行重新設計，改變控制結構。
自主式維修診斷技術系統
根據故障信息，分析其產生的原因，對于可在線修復的故障，進行自主修復。
飛行測量及安全系統
飛行測量及安全系統的功能是測量火箭飛行過程中各種關鍵參數、并判斷其是否安全飛行。飛行測量包括遙測及外測。
遙測
“遙測”系統的作用是對火箭飛行中各系統的工作參數及環境參數進行測量，通過遠距離無線電傳輸和回收裝置送回地面，為評定火箭各分系統工作狀態、分析故障、鑒定和改進火箭性能提供依據。遙測系統的箭上設備主要有傳感器、變換器、中間裝置和無線電發射設備，將測得的物理量轉變為電信號，用無線電多路通信方式向地面傳輸，由地面接收站將信號進行解調、變換和處理；或用磁記錄器記錄速變參數，進行軟回收或硬回收。
外測
“外測”是外彈道測量的簡稱，即利用光、電波等的特性對火箭進行跟蹤并測量其飛行運動參數。外測系統的主要設備在地面，如各種雷達及光學設備，而箭上設備僅是應答機、天線和光學合作目標等。近年來發展了利用全球定位系統GPS對火箭進行定位測量，使箭上設備更為簡化，精度也更為提高。外測的目的有兩個：一是為評定飛行性能及制導精度分析提供數據；二是為飛行安全、故障分析和處理服務。
安全系統
安全系統的作用是火箭在飛行中若出現故障、飛行彈道超出允許范圍而危及地面安全時，將火箭炸毀。箭上自毀系統由敏感裝置、計算裝置及爆炸裝置組成，根據姿態故障或接收地面安控炸毀信號，自動或人工發出爆炸指令，進行自毀。
箭上附加系統
一些比較獨立的、又不可缺少的箭上小系統統稱為附加系統。如瞄準系統、垂直度調整系統、推進劑加注與液位測量系統和空調系統等。
瞄準系統用來確定位于發射點的火箭的初始方位，控制火箭對準發射方向。垂直度調整系統用來調整火箭豎立狀態下的垂直度；推進劑加注與液位測量系統用來對火箭進行推進劑及氣源的加注，進行液面測量及溫度監測。而空調系統則對火箭各艙段、有效載荷整流罩等進行保溫及溫度、濕度調節。
技術指標
運載能力
重型運載火箭是運載火箭的一種。重型運載火箭的運載能力是根據有效載荷的質量（重量）、目標軌道及發射場的地理位置所確定的。在運載能力的設計中進行火箭型式選擇及軌道分析，以期得到最節省能量的最優軌道，將最大的有效載荷質量送到所需要的軌道上去。
入軌精度
不同用途的有效載荷有不同的入軌精度要求。重型運載火箭與有效載荷分離時刻的入軌精度按下列6個軌道要素給出：長半軸Δα、橢圓偏心率Δe（或近地點高角ΔHp）、軌道傾角Δi、升交點赤徑ΔΩ、近地點幅角Δω、軌道周期ΔT。這些要素的精度是由入軌點的位置偏差、速度偏差和發射時間偏差所決定的，它取決于重型運載火箭的制導精度及發射時刻的偏差。
入軌姿態精度
入軌姿態精度指有效載荷分離后有效載荷的姿態角偏差及角速度。入軌點的初始姿態及角速度精度由火箭姿態控制系統所確定。
有效載荷整流罩凈空間
可供有效載荷整流罩內安裝有效載荷的空間稱為凈空間，凈空間的規定明確了有效載荷的外包絡不能超過所規定的凈空間。規定凈空間必須考慮靜態的各種對接框的機械加工誤差及動態（飛行時）的各種熱、力載荷引起的變形。
在重型運載火箭提供發射服務時，有效載荷結構的局部可以有允許超出凈空間的規定，但必須通過雙方協調，經重型運載火箭研制方分析、協調，并在接口控制文件中加以確認方可。
有效載荷接口
有效載荷接口包括機械接口和電氣接口。機械接口是指有效載荷與火箭對接的尺寸和連接、分離方式。國際上通用的機械接口有937、1194、1497等，它是指對接的名義尺寸，單位為mm。這些接口在國際上較為常用，但還沒有達到國際標準化的程度。電氣接口是指有效載荷需要重型運載火箭提供的電信號特性及相互間電氣連接的協調關系，如接插件的型號、接點數和電特性等。
環境條件
環境包括：過載、沖擊、振動、噪聲、熱和電磁兼容等。
有效載荷應能承受重型運載火箭在發射準備期間及火箭飛行期間產生的上述環境。有效載荷所能承受的環境也是重型運載火箭設計的依據之一。在提供發射服務時應明確上述環境指標，以便使有效載荷方能判斷是否能適應這些環境指標。
可靠性
可靠性是指火箭在規定的條件下和規定的時間內，完成規定任務的概率。可靠性包括飛行可靠性及發射可靠性。
飛行可靠性：重型運載火箭完成發射點火后，在規定的環境條件下，按規定的飛行程序及要求，將有效載荷送入預定軌道的能力。
發射可靠性：火箭運載系統在規定的貯存期內，在規定的地面環境條件下，按規定的要求完成發射準備及點火任務的能力。
目前，國際上成熟的重型運載火箭的可靠性水平：飛行可靠性0.95以上；發射可靠性0.9以上；載人運載器的飛行可靠性已達到0.98～0.99以上。
相關技術
設計技術
POGO 抑制技術
液體火箭的縱向耦合振動( POGO) 是指液體火箭的結構縱向振動與推進系統的液體脈動互相作用而產生的一種自激振動。
動特性獲取技術
運載火箭結構動力學特性( 簡稱動特性) 是火箭姿控系統穩定性分析、結構動載荷計算、星箭載荷耦合分析以及 POGO 穩定性分析的基礎和依據。
制造技術
輕合金材料技術
隨著鋁合金材料的不斷進步，變形鋁合金材料已從第一、第二代發展到第四代，其顯著特點是強度高、耐腐蝕性強。第四代超強、高韌鋁合金材料具有高比強度和高比模量的特點，能夠更好的滿足結構輕質化設計需求。
大直徑結構制造技術
大型結構制造可行性，直接影響到總體技術方案的可行性。工藝技術的穩定性直接關系到結構設計相關系數的選取，進而影響到技術方案中技術指標的實現。
試驗技術
動力系統試驗
動力系統試驗是運載火箭研制必不可少的環節之一，是考核全箭或火箭子級方案正確性、工作協調性和可靠性最為重要的試驗，也是在發射前檢驗火箭在發射場各項工作的關鍵環節，是最接近飛行狀態的試驗。
飛行驗證試驗
土星系列運載火箭專為阿波羅載人登月計劃而研制，先后研制的型號有土星 I、土星 IB 和土星V 等 3 種火箭。土星 I 火箭( 研制型) ，是執行阿波羅計劃的第一個型號，用于阿波羅計劃的早期地球軌道飛行試驗和發射飛馬座宇宙塵探測衛星。土星 1B( 改進型) 用于不載人或載人阿波羅飛船地球軌道飛行試驗、土星 V 和飛船程序及部件或者系統的試驗、發射天空實驗室。美國最終用于正式執行阿波羅計劃為土星 V 火箭，其先后研制的土星 I、土星 IB 兩種中間構型的火箭，并使用這兩型火箭對土星 V 火箭的關鍵系統進行了大量飛行考核，為保證土星 V 火箭首飛成功奠定了基礎。從某種層面上，美國研制的土星 I 和土星 IB，以及利用這兩型火箭開展的飛行試驗是更高層次上的飛行驗證試驗。
主要型號
未來發展
重型運載火箭由傳統串聯向捆綁助推器構型發展以提高適應性。“阿波羅”計劃后的重型運載火箭，如航天飛機、“能源號”火箭、“戰神”5火箭、美國新一代重型運載火箭SLS，都采用了捆綁助推器的構型。這種構型的重型運載火箭具有很好的任務適應性，同時也降低了對箭體直徑和發動機推力的要求。因此，國際上新研制的重型運載火箭，多任務適應能力好是一個突出特點。
重型運載火箭動力系統選擇大推力發動機，充分發揮液體、固體發動機的優勢，實現最佳動力組合。動力系統是火箭的核心部分，是設計火箭時首先要解決的問題。國外重型運載火箭大都使用大推力發動機，有效地減少了發動機數量，降低了火箭總體的復雜度，有利于提高可靠性。液體發動機是重型火箭芯級和上面級發動機的首選；固體發動機使用在助推器上可有效地降低運載火箭的規模。
充分利用成熟技術是各國發展重型運載火箭的有效途徑。采用成熟技術和通用組件有利于減小研制難度和風險，降低研制和發射成本，是未來發展的需要。根據本國國情、技術優勢和基礎，關注繼承性和經濟性，充分利用成熟技術，最大限度地利用現有資源，可降低研制風險和研制成本。
采取漸進式發展策略。美國航空航天局公布的新一代SLS研制方案，采取了極其務實的漸進式三階段發展策略，符合“由易漸難”的型號研制規律，可降低火箭的研制難度和風險，同時利用初始構型可以實現多項空間探索技術的先期驗證，還可作為國際空間站商業乘員運輸系統的備份運輸工具。美國在過去“阿波羅”計劃中研制“土星”系列運載火箭時也采取了類似的發展思路。
參考資料 >
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支撐重型火箭研制!25噸級氫氧發動機成功完成全系統試車.澎湃新聞.2023-02-16
我國最大推力液體火箭發動機首次整機試車圓滿成功.中國政府網.2023-02-16
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火箭的原理.中國航天科技集團有限公司.2023-11-13
巨大的土星火箭.nasachina.2024-02-05
宏亮瞻局|N-1火箭首射50周年:蘇聯如何輸掉登月競賽①.澎湃新聞.2024-02-05
1981年4月12日:首次航天飛機任務發射.nasachina.2024-02-05
國外重型運載火箭的艙段結構概述.漢斯.2024-02-05
創造奇跡的“獵鷹重型”火箭.國家航天局.2024-02-05
SLS首飛成功!重返月球的“阿爾忒彌斯”計劃拉開帷幕.澎湃新聞.2024-02-05
SpaceX星艦二飛雖敗猶榮，兩個亮點引人關注.澎湃新聞.2024-02-05