火箭的群星闪耀时 ——世界主流液体运载火箭划代讨论
众所周知，某些国家会将主流空优战斗机划代来探索战机发展的客观规律。在目前普遍接受的五代划分法里，F22，F35，J20和T50同属于前沿第五代战机。因此许多人认为，同样印证一国航天工业水平的主流液体运载火箭也应该有一个统一的划代标准，用来评比和指导未来运载火箭的发展方向。遗憾的是，直到今天，我们也没有见到一个普遍接受标准的出台。在IAC2013会议上，航天科技一院曾发布了一篇有关于中国运载火箭划代研究的论文（IAC-13-E4.3.4），其中将长征系列运载火箭划分为四代。具体划分如下：
第一代 CZ-1 CZ-2
第二代 CZ-2C系列 CZ-4A CZ-2D CZ-2E CZ-3
第三代 CZ-2F CZ-3A系列 CZ-4B系列
第四代 CZ-5 CZ-6 CZ-7
在我看来，这样的划分是比较合理的，唯一美中不足的是，在同根生的老长征火箭之间划代，界限并不明显，也没有充分考虑到国际液体运载火箭的前沿方向，发展指导意义不足。在此，我谨以设计理念和技术水平来尝试将运载火箭划代，并选取几款典型液体运载火箭代入排序。该划代法中肯定还有一些不足之处，还请大家讨论指出。
第一代
朱诺 I（Juno I ）
朱诺 I是一款衍生自Jupiter-C探空火箭的美国早期四级运载火箭，全长21.2米，直径1.78米，起飞重量29.06吨，火箭一级采用液氧肼推进剂，LEO运载能力11千克，LEO运载系数0.037%。服役期间一共发射了6次，3次成功，成功率50%。
朱诺 I
1958年1月31日，朱诺 I运载火箭首次发射成功成功将美国第一颗人造卫星探索者1号送入一个远地点2550千米的大椭圆轨道，成为人类第一颗探测范艾伦带的卫星。
美国第一颗人造卫星探索者1号
长征一号
在介绍长征一号前请先回答一下这道题目，答错的可以取消关注本公众号了，本题出自上周刚刚结束的国家公务员统一考试
（(*^_^*)，答案在文末，逼你看完，哈哈哈）
长征一号是中国于1965年下半年开始在东风四号弹道导弹的基础上研制的一枚三级国产运载火箭（这属于透题了。。。），全长29.86米，直径2.25米，起飞重量81.57吨，火箭一级采用硝酸-27S/偏二甲肼推进剂，LEO运载能力300千克，LEO运载系数0.36%。服役期间，长征一号一共发射了2次，2次成功，成功率100%。
长征一号
1970年4月24日，长征一号运载火箭首次发射将中国第一颗人造地球卫星东方红一号成功送入一个远地点2384千米的大椭圆轨道，标志着中华人民共和国成为世界上继苏联、美国、法国和日本之后第五个能够独立发射人造卫星的国家，而且它的技术水平超过了前四个国家的第一颗卫星，质量更超过了前四个国家第一颗卫星的总和。
中国第一颗人造地球卫星东方红一号
银河三号
银河三号是朝鲜在大浦洞2洲际弹道导弹基础上优化而来的一枚三级运载火箭，全长28到30米，直径2.4米，起飞重量89到90吨，火箭一级由4台飞毛腿导弹发动机并联而成，采用红颜硝酸偏二甲肼推进剂，LEO运载能力和长征一号类似，LEO运载系数不明。到目前为止，银河系列运载火箭一共发射了4次，2次成功，成功率50%。
2012年4月13日，银河三号运载火箭成功将光明星三号B送入490×580千米的圆轨道，因违反安理会1718和1874号决议，遭到世界各国的强烈谴责。
银河三号
第二代
联盟系列火箭
联盟系列火箭衍生自苏联R-7弹道导弹，其较大推力的发动机和先进的捆绑助推器理念使其升级潜力无穷。因而，它成为了人类有史以来发射次数最多的运载火箭，截至目前，次数超过1859次（其中仅联盟U火箭就发射过近800次），成功次数超过1744次，成功率93.8%。其现代化改进版本直到现在仍在使用。在可重复使用火箭广泛使用之前，R-7系列不会退役，而它的高可靠性（嗯，很好，昨天联盟U刚出事儿，毁了一艘向国际空间站输送货物的进步货运飞船，有兴趣的可以看看我们的网站）和低成本得益于其设计理念中简单粗暴，成为一代传奇老将。
联盟系列火箭
联盟的前身卫星号是一枚一级半运载火箭（超前的极简理念），全长30米，直径2.99米，起飞重量267吨，火箭起飞级由5台四室过氧化氢驱动的燃气发生器发动机（又是极简）并联而成，采用液氧煤油推进剂，LEO运载能力500千克（后期发动机增推后提升到1.3吨），LEO运载系数0.18%（0.48%）。服役期间，一共发射27次，成功18次，成功率66.6%。
卫星号运载火箭首次发射
1957年10月4日，卫星号运载火箭成功将斯普特尼克1号人造卫星送入远地点940千米的椭圆轨道，成为人类发射的第一颗人造地球卫星。
人类第一颗人造卫星普特尼克1号
长征二、三、四系列火箭
原型长征二号运载火箭衍生自中国东风五号两级洲际弹道导弹，全长32米，直径3.35米，起飞重量190吨，火箭一级采用四氧化二蛋（好吧，是“氮”）偏二甲肼推进剂，LEO运载能力2000千克，LEO运载系数1.05%。服役期间，发射1次，成功0次，成功率0%。
长征三号乙火箭是在长征三号甲和长征二号捆火箭的基础上研制的大型三级液体捆绑火箭，芯级基本上与长征三号甲火箭相同，助推器及其捆绑结构则基本与长征二号捆火箭相同，表现为在长征三号甲的第一级火箭周围捆绑了4个与长征二号捆相同的液体火箭助推器。火箭全长57米，直径3.35米，起飞重量458.97吨，火箭一级采用四氧化二氮偏二甲肼推进剂， GTO运载能力5500千克，GTO运载系数1.19%。截至目前，发射37次，成功35次，成功率94.5%。
探月工程中的长征三号甲系列火箭
长征二号于1974年11月5日在酒泉卫星发射中心进行了首次发射。由于由于俯仰速率陀螺信号导线暗伤、内部断裂，姿态控制系统收不到俯仰速率陀螺信号，火箭失去稳定，导致试验失败。1975年11月26日改进型长征二号甲火箭再度发射并成功将中国第一颗返回式卫星送入远地点479千米的近地轨道。
首次发射的长征二号
阿丽亚娜4号
阿丽亚娜4号属于一次性使用三级运载火箭，是阿丽亚娜系列运载火箭的第4款型号。由法国国家太空研究中心CNES设计、制造；发射服务商则是阿丽亚娜公司。服役期间，曾经占领了全世界50%的商业发射市场份额。火箭全长58.72米，直径3.8米，起飞重量470吨，火箭一级采用四氧化二蛋偏二甲肼推进剂，LEO运载能力7600千克，GTO运载能力4946千克，LEO运载系数1.6%，GTO运载系数1.0%。服役期间，发射116次，成功113次，成功率97.4%。
1988年6月15日，阿丽亚娜4号首次发射成功将3颗卫星送入GTO轨道。
阿丽亚娜4号
第三代
土星五号
土星五号属于三级重型运载火箭，火箭中的巨无霸（冯布劳恩博士的终极作品！没有之一！），一次发射能烧掉42亿美元的吞金巨兽。假如按运载能力来排名，它是名副其实的第一。这样的怪兽，只能是疯狂的冷战产物。土星五号全长110.6米，直径3.8米，起飞重量2970吨，火箭一级采用液氧煤油推进剂，LEO运载能力140吨，LTO运载能力48.6吨，LEO运载系数4.7%，LTO运载系数1.6%。服役期间，发射13次，成功13次，成功率100%。
1967年11月9日，土星五号成功将阿波罗4号无人飞船打入一个测试飞行亚轨道。
土星五号发射合集（最右侧的一发载荷是天空实验室，美国第一个载人空间站，迥异于左边的阿波罗登月系列发射）
德尔塔IV系列火箭
作为德尔塔系列的一员，诞生于EELV（Evolved Expendable Launch Vehicle，渐进性一次性运载火箭，是由美国空军发起的一个军用载荷发射框架）框架下的它拥有现役最强的运载能力。其中，德尔塔IV重型火箭单次4亿美元的发射价格基本使其与商业发射市场无缘，成为了美国政府绝密发射任务的专属座驾。德尔塔IV重型属于二级半大型运载火箭，全长72米，直径5米，起飞重量733.4吨，火箭一级采用液氧液氢推进剂，LEO运载能力28.8吨，GTO运载能力14.22吨，LEO运载系数3.9%，GTO运载系数1.9%。截至目前，德尔塔IV系列火箭发射了33次，成功32次，成功率96.9%。
2004年12月21日，重型德尔塔IV首次发射因三CBC发动机的过早关机而未到达预定的分离速度，尽管上面级疯狂补救（不仅是入轨精度，这也是迭代制导的优势所在），但是载荷最终依旧没有进入预定的GSO轨道。
德尔塔IV重型火箭
长征五号
长征五号又称“大火箭”，是中国为了满足进一步航天发展需要，并弥补中外差距而在2006年立项研制的一次性大型低温液体捆绑式运载火箭，也是中国新一代运载火箭中芯级直径为5米的火箭系列。作为中国新一代运载火箭中最具起飞重量级的家伙，备受关注，被称作亚洲最强的运载火箭。而如此强悍的性能自然带来了发射费用的成倍增长（尤其是破天荒的使用了8台高压补燃煤油机），据坊间传闻 ，目前单次费用10亿人民币往上，但仍然远低于同运力级别运载火箭。长征五号全长约57米，直径5米，起飞重量879吨，火箭一级采用液氧液氢推进剂，LEO运载能力25吨级，GTO运载能力14吨级，LEO运载系数2.8%，GTO运载系数1.5%。截至目前，发射1次，成功1次，成功率100%。
2016年11月3日，长征五号运载火箭将实践十七号卫星发射升空，尽管火箭二级在第二次工作段中经历了推力不足的问题，使得分离时没有达到预定的速度要求，但是在远征二号上面级的奋力补救后，卫星准确进入了GSO轨道，发射取得了圆满成功。
长征五号首发成功
第四代
进入新世纪以来，商业航天开始蓬勃发展。此时，越来越多的传统发射商渴望染指目前竞争异常激烈的同步轨道商业发射市场，因此，大幅降低火箭的发射成本成为了当务之急。为达到单次发射低于1亿美元的竞争性价格目标，在保持分系统先进性发展小步快跑的同时，制造商们开始钻研优化液体发动机的设计与生产流程，甚至开始对昂贵的补燃发动机嗤之以鼻，并简化箭体结构设计（从这一代开始，三级以上的运载火箭被彻底淘汰），开发高度自动化的制造流水线及发射自检系统来减少人力开支。此外，商业部件开始进入零件采购列表，火箭制造商开始垂直整合，避免供应商之间相互扯皮。按照早期的看法，这代运载火箭的技术性进步不足以构成一代（应为三代半较为稳妥）。而从理念上看，随着各国人力成本的水涨船高，似乎在商业航天的春天里发展这样的一代技术成熟成本低廉的大能力运载火箭是不可避免的。更重要的事，作为最后一代完全不可重复使用火箭，应该要给它们立个墓碑。从这一代开始，我们将更多的使用单位发射成本而不是运载系数来评价一款运载火箭的先进性。
SLS（Space Launch System，太空发射系统）
作为经济低迷时代战神5号的替代，低配版的SLS二级半重型火箭计划在2010年正式上马。SLS充分的利用了后航天飞机时代的遗产，大量采用成熟技术的它，计划单次发射费用为5亿美元。火箭全长64.6米，直径8.4米，起飞重量2600吨，火箭一级采用液氧液氢推进剂，LEO运载能力130吨，LEO运载系数5%，计划LEO运输成本3846美元/千克。
SLS计划在2018年11月执行首次发射EM-1任务，将猎户座飞船发射至奔月轨道。
SLS（但是由于特朗普的上台，SLS的未来又充满了未知）
H3
2013年5月，日本正式开始了下一代二级运载火箭H3的研制工作。H3系列设计上汲取了EELV的模块化组合理念，能依据发射任务的不同调节火箭构型，此外，H3更大的目标是将目前日本的火箭报价降低到5000到7000万美元每次，并将年发射数量提高到10到20次，使其能在国际商业发射市场中具备竞争力。为达到这个目标，三菱重工也是下了一番功夫的，最主要的是将火箭一级的补燃氢氧机换成了独特的开式膨胀氢氧机LE-9，使其发动机零件数比上一代LE-7A减少20%。另外，H3采纳了小型火箭“艾普斯龙(Epsilon)”的自检设计思路，将发射所需人员由以往的100至150人压缩至30人左右，以降低发射成本。H3全长全长63米，直径5.2米，起飞重量574吨，火箭一级采用液氧液氢推进剂，最大构型LEO运载能力20吨，最大构型GTO运载能力约8吨（GTO1500>6.5吨），计划LEO运输成本3500美元/千克，计划GTO运输成本10000美元/千克。
H3运载火箭计划于2020年前后首飞。
H3系列火箭依照任务不同采用模块化搭配
阿丽亚娜-6
面对商业发射市场里SpaceX的疯狂搅水，重新整合后的ASL加快了阿丽亚娜5下一代运载火箭的开发，并明确了目标——在运载能力大于F9的同时，单星发射价格要降至7000万美元以下。很长时间里，阿丽亚娜5缺乏灵活性而昂贵的双星发射模式广受诟病，和H3一样，阿丽亚娜6选择了能调节助推数量的模块化方案。为降低生产成本，阿丽亚娜6在设计上延续了上一代开式氢氧机加固推模式的同时，取消了上面级共底的结构，带来的结果是，尽管新型膨胀上面级发动机的比冲提高了20s，但是整体运载能力不升反降。阿丽亚娜6全长63米，直径5.4米，起飞重量860吨，火箭一级采用液氧液氢推进剂，最大构型LEO运载能力约22吨，最大构型GTO运载能力约10.5吨，计划LEO运输成本6363美元/千克，计划GTO运输成本13333美元/千克。
阿丽亚娜6运载火箭计划于2020年前后首飞。
阿丽亚娜6
第五代
为大规模廉价航天运输而专门设计的部分可重复使用运载火箭。
航天飞机
航天飞机既能像运载火箭那样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，还能像滑翔机那样在大气层中滑翔着陆。航天飞机为人类自由进出太空提供了很好的工具，是航天史上的一个重要里程。作为一款部分复用的低成本设计发射系统，单次最低发射费用约为4.5亿美元。2011年7月8日，最后一架航天飞机亚特兰大号执行完最后一次STS-135任务后，宣布退役，代表着航天飞机时代的暂时终结。美国航天飞机全长56.1米，直径8.7米，起飞重量2030吨，火箭一级采用液氧液氢推进剂，LEO运载能力约27.5吨，GTO运载能力约3.81吨，LEO运输成本1818美元/千克，GTO运输成本13 123美元/千克。
1981年4月12日，哥伦比亚号航天飞机载人执行了首次发射任务，进入了一个270公里的圆轨道。服役期间，航天飞机执行了133次任务，成功131次（其中一次是返回时失事，不是严格意义的发射失败），成功率98.4%。
航天飞机的首次发射
（值得注意的是，航天飞机首射就是载人任务，风险相当之大）
猎鹰-9号
猎鹰9号（Falcon 9）火箭是美国SpaceX公司研制的二级部分可回收式大型运载火箭，其一级火箭能在发射后重复使用10次，从而能使单次发射报价从6100万美元降低到约5000万美元。猎鹰9号（不可回收版本）全长70米，直径3.7米，起飞重量549吨，火箭一级采用液氧煤油推进剂，LEO运载能力约22.8吨，GTO运载能力约8.3吨，LEO运输成本267美元/千克，GTO运输成本734美元/千克。截至目前，猎鹰9号火箭发射了28次（Amos-6射前测试事故因为未点火发射未算入），成功26次，成功率92.8%。
2010年6月四日，猎鹰9号首次发射将一枚测试龙飞船送入了一个250千米的低轨道。
猎鹰9号的首次发射
火神/ACES
尽管还没有最终确定，但是可以肯定的是，ULA的下一代火神火箭作为目前世界上可靠性最高的阿特拉斯5（又叫宇宙神5，音译和意译的区别）火箭的后继者，将开创性的使用商业公司蓝色起源的富氧补燃BE-4液氧甲烷发动机并开始尝试火箭发动机和上面级重复使用。面对劲敌SpaceX（马斯克基本上是商业发射界的全民公敌）的咄咄逼人，ULA的新总裁Tory Bruno（光头哥）声称，在部分沿用阿特拉斯5成熟技术的情况下，将使用先进技术并优化生产工艺和发射准备流程，使得火神火箭的单次发射报价仅为阿特拉斯5（政府报价1.64亿美元）的一半（从近日公开的RocketBuilder.com的网站报价来看，阿特拉斯5的降价也是卓有成效的，目前的商业最低报价为1.09亿美元）。火神火箭除了有一次性版本的降价措施外，还有一级发动机回收和ACES上面级重复使用的规划，倘若这些部分复用措施能完全实施，也将能革命性的降低火箭的发射报价，同时推动ULA殖民月球计划的实施。火神/ACES（完全不回收版本）全长约70米，直径5.4米，火箭一级采用液氧甲烷推进剂，LEO运载能力约36吨，GTO运载能力约18吨，GSO运载能力约10吨，LEO运输成本6500美元/千克，GTO运输成本11 666美元/千克。
火神/ACES
火神/Centaur计划于2019年首飞，火神/ACES将于2022年前后首飞。
火神火箭计划采用充气热盾再入方案回收一级发动机
ACES上面级能改装成可重复使用的XEUS摆渡车，供地月运输需要
第六代
最后，展望一下未来。假如太空技术的发展如你我所愿的话，这一代的运载火箭将是人类有史以来的第一代完全可重复使用发射系统，而且概念设计上会脱离目前严格意义上的火箭形态。目前看来，使用吸气式发动机的一级或两级入轨完全可重复使用飞行器将是最有前途的方案之一。届时，普通人也能很方便的进入太空，人类将拉开了星际殖民的序幕。
云霄塔
云霄塔“云霄塔”是英国的一个单级入轨空天飞机概念。这种太空飞机可以从普通飞机跑道起飞，将实现以5倍音速速度携带24位乘客抵达太空，并能重复使用200次。该太空飞机是由英国“发动机反应”工程公司建造的，它摒弃采用传统的外置发动机，靠两个内置新型发动机驱动，飞行速度五倍于音速。发动机运转后，会吸收空气，然后把它降温、压缩，与氢一起燃烧，产生推力，让航天飞机上升到距地面约3万米的大气层外。接着，液态氢和少量液态氧燃料产生的力量会帮助飞机进入太空中的预定轨道。云霄塔全长约83米，翼展26.8米，起飞重量325吨，火箭采用液氢液氧推进剂，LEO运载能力约17吨，LEO运输成本700美元/千克。
云霄塔空天飞机计划于2025年首飞。
使用吸气式发动机的云霄塔空天飞机
ITS（Interplanetary Transport System，行星际运输系统，暂名）
殖民火星，让人类成为一个多行星的物种——这是2002年埃隆马斯克建立的太空探索技术公司（SpaceX）一向的愿景。在IAC2016会议上，马斯克正式公布了这个42台发动机的火箭怪兽。ITS一级采用和F9一样的垂直回收多次使用模式，二级为飞船设计，能在轨加注燃料后直接奔向火星并在其表面着陆，其后，通过使用ISRU（In situ resource utilization，原位资源利用）技术在火箭制备液氧和甲烷的火箭燃料后，还能够完成返回地球的使命。对此，马斯克的雄心是火箭单次发射费用为6200万美元，第一级推进器重复使用1000次，太空加油飞船重复使用100次，至于要往返火星地球的飞船，也计划达到12次的重复使用能力，以此大幅度降低殖民火星的成本。ITS全长约122米，直径12米，起飞起飞重量10500吨，火箭一级采用液氧甲烷推进剂，LEO运载能力约550吨， LEO运输成本112美元/千克，计划单人单程火星票价为20万美元（载100人）。
ITS发射
ITS计划于2025年前后首飞。
火星殖民飞船
在外行星上着陆的ITS
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