中国航天在全球太空竞赛中的最真实水平和位置【一】

认清差距、开启未来： 中国航天在全球太空竞赛中的最真实水平和位置【一】 大推力火箭之梦 【导语】：中国即将发射嫦娥二号卫星，进行第二次探月尝试。一 直以来，由于数据和角度的不同，国内外媒体对中国在全球太空竞 赛中的位置一直说法不一。本文系列意图通过这组在数据分析和横 向对比之上的策划，找到中国航天在世界的最真实水平和位置，认 清差距，并开启未来。 【前言】中国近年来在火箭发射次数上赶超了欧洲，并且“长征 2 号 F”火箭已经成为全球仅有的三种轨道载人运载器之一。中国的运 载火箭可靠性比较高，但在推力能够满足现有计划的情况下，中国 仍未制定任何研发大推力火箭的计划。这使得中国火箭的运载能力 从字面上来看与欧美火箭强国存在相当差距。而这一现状有望在海 南文昌发射基地建成之后改变。 。 目前中国“长征 2 号 F”火箭近地轨道荷载能力约 8 吨，而欧美大推 力火箭这一数据均超 20 吨。 中外主要运载火箭数据对比 以上数据说明: 从上图数据中可以看出，中国的运载火箭优点是可靠性 不错，发射纪录良好（但是没有经过大密度发射的考验）；缺点是运载 能力比较小中国暂未制定任何发展大推力火箭的计划。这使得中国 火箭推力与欧美火箭超过 20 吨级的相比，仍存在相当差距。综合实力： 运载火箭是当今人类航天科技和工业的核心技术和主要航天运载器， 是一国航天能力的重要标志。50 年前，美国和前苏联是世界上仅有的 两个拥有运载火箭的国家。20 年前，具有经常性火箭发射能力的只有 美国、前苏联、欧洲和中国。而今天，自行开展航天发射的国家已是那 时的几乎两倍。今后 5 年里，超过 15 个国家共计划开展 100 多项航天 任务。据预测，20082017 年间，全球共将生产一次性运载火箭 630 多枚。 从上世纪 60 年代至今的半个多世纪时间里，全球共进行了大约 4500 多次轨道发射，把 1 万余个卫星、飞船、实验设备、探测器、着 陆器和其它航天器送上各类飞行轨道、地外星球，涉及从地球轨道任务 到太阳系以外的任务等各类任务，其中约有 290 余项为载人航天任务。 截至 2009 年，已研制出航天运载火箭的国家有 13 个，即中国、法 国、印度、伊朗、以色列、意大利、日本、朝鲜、俄罗斯、韩国、乌克 兰、英国和美国。其中，意大利和英国已放弃了独立的运载计划，乌克 兰已暂停了其计划，朝鲜和韩国还正在期待实现成功的发射。这样正在 从事发射活动且能将有效载荷送入轨道的国家就只有 8 个。还有一些国 家已表达了发展本国运载能力的意愿，如巴西在过去 10 年里开展了一 些运载火箭研制工作。 综合看来，美国、俄罗斯在运载火箭技术上，略胜其它国家一筹， 目前世界上仅有的三种轨道载人运载器，就是分别来自美、俄的航天飞 机、“联盟号”火箭以及中国的“长征”2F 火箭，而中国、欧空局、日本 等国家也有较长的运载火箭发射历史，印度、韩国、巴西等国家正在积 极发展，以下我们对上述国家和联合体的运载火箭做一个简单的比较。 中国：近年发射次数赶超欧洲 经过几代航天人半个世纪的研发历程，中国的“长征”系列运载火箭 已逐步发展成多发射任务需求、四个系列十二个不同型号的大家族。有 最早研制成功，发射我国第一颗人造卫星“东方红 1”号的“长征 1”号火 箭；多次投入国内外发射市场、为 12 个国家成功发射了 42 颗卫星的 “长征 2 号”C、“长征 2”号捆和“长征 3” 号 A 系列火箭；已实现 3 次载 人航天、将 6 位中国航天员送入太空的“长征 2”号 F 火箭；以及正在研 制的新一代运载火箭“长征 5”号、“长征 6”号等。 中国近年来在发射次数上赶超了欧洲，主要是有国产有效载荷的需 求和有竞争力的国际商业发射定价模式作保障。 图中从左至右分别为： “长征 2”号丙（CZ-2C）、“长征 2”号丁（CZ-2D）、“长 征 2”号 E（CZ-2E ）、“ 长征 2”号 F（CZ-2F）“长征 3”号甲（CZ-3A）、“长征 3”号乙（CZ-3B）、“长征 3”号丙（CZ-3C）、“长征 4”号乙（CZ-4B） 目前，长征系列已经实现了从常温推进到低温推进、从串联到捆绑、 从一箭单星到一箭多星、从发射卫星到发射载人飞船的技术跨越，成为 了国际宇航市场上知名的高科技品牌。随着“鑫诺”6 号卫星的成功发射， 长征火箭完成了它的第 129 次完美飞行。从以前的几个月发射一次，到 如今的二十几天就要完成一次发射。在未来五年，我国还将发射大约 100 颗卫星，这对于长征火箭来说，既是一个巨大的市场，同时也是进 入产业化时代的一个新挑战。 此次发射“嫦娥二号”奔赴月球的长征三号丙火箭（上图）由三级液 体火箭捆绑两个助推器组成，这种独特的“非全对称”火箭在“长征”系列 里是唯一的。其近地转移轨道运载能力为 3.8 吨，全箭起飞质量为 345 吨，全长 54.838 米，不仅比发射“嫦娥一号”卫星的长征三号甲运载火 箭高出了 2 米多，其运载能力也提高了 1.2 吨，能直接将“嫦娥二号”卫 星送入地月转移轨道，节省奔月时间。长征三号丙运载火箭现已正式投 入国际卫星商业发射服务市场。 新一代运载火箭长征五号发射模拟图 另外，长征五号是中国正在研制的新一代无毒无污染重型运载火箭 系列，运载能力与欧洲“阿丽亚娜”5 基本同级。它实行模块化设计，由 直径为 5 米、3.35 米和 2.25 米的三种模块构成，可以根据需要把不同 模块组装成不同推力的火箭，以执行不同的任务。 长征五号运载火箭将在海南文昌航天发射基地起飞，能把 1.8 吨至 14 吨的有效载荷送入地球同步转移轨道，可发射 20 吨级长期有人照料 的空间站、大型空间望远镜、返回式月球探测器、深空探测器、超重型 应用卫星等。 俄罗斯：发射次数绝对领先 尽管其航天工业的总体状况堪忧，但俄罗斯在总体发射次数上仍占 据着绝对领先地位。仅 2009 年，俄罗斯有 7 种不同的火箭进行了 29 次 发射，延续了其航天大国的悠久历史。 值得一提的是，“联盟号”和“联盟”2 火箭是 1957 年 10 月 4 日把世 界上首颗卫星“Sputnik”1 送入轨道的首枚轨道运载火箭 R-7 的后代。 算上“联盟号”的所有型号，该系列火箭已进行了 1735 次以上的发射， 使其成为世界上迄今使用最频繁的火箭。今天，“联盟号”火箭的主要任 务包括为国际空间站运送人员和货物。在航天飞机退役和美国新的载人 发射系统投入使用之间的时段里，“联盟号”预计将成为能向国际空间站 运送机组成员的唯一运载器。 “质子号”是俄现役运载火箭中最大的一种。它最早是作为一种用于 携带热核武器的洲际弹道导弹设计的，1965 年首次投入使用后，又承 担起了新的任务，并成为前苏联及现俄罗斯的主力重型运载火箭。近年 来，“质子号”一直在同时用于发射俄政府有效载荷和商业通信卫星。 “质子号”的增强型号“质子”M 配备了更高效的发动机，能从拜科努尔 航天发射场把世界上最大的通信卫星送入地球同步转移轨道。 美国：“战神”系列火箭接替航天飞机 美国宇航局（NASA ）在历史上曾经制造出过“土星”这样用于登月 计划的重型火箭。依靠军事销售，美国发射业仍然具有很强的竞争力， 但越来越多地受到来自印度、欧洲和中国的新发射选项的挑战。 与别国不同的是，美国拥有航天飞机作为航天运载器，NASA 原计 划在今年让航天飞机退役，并已开始研制两种新的运载器，以用于取代 航天飞机，虽然已得到政府研制经费的新型载人轨道运载器不下 5 种， 但这些运载器预计最早也要到 2014 年才能正式投入使用。 2009 年 10 月，美国对新型的战神 1 号（Ares I）火箭进行了测试 发射，战神 1 号火箭是自 1981 年的航天飞机计划以来 NASA 研发的 第一枚新设计的火箭。 战神系列运载火箭计划中包含“战神”1 号、“战神”4 号、“战神”5 号 运载火箭，是航天飞机除役后接替发射任务的火箭，“战神”1 号运载火 箭属载人性质，计划酬载“猎户座”飞船运送宇航员；其他两者为载 物 火箭计划酬载月球载人登陆器等设备。“战神”5 重型火箭是为支持飞往 月球等深空探测任务而提出的，预计首次试飞将会在 2018 年前后进行。 欧洲：商业运载火箭荷载纪录保持者 阿丽亚娜火箭（下图）是欧洲空间局自行研制的可抛式发射系统 （Expendable launch system），迄今已有 1-5 号五种基本型和多种改 进型火箭。作为欧洲联盟各国或其他国家发射卫星至太空中的媒介工具， 名称来自神话人物阿丽雅杜妮(以法语发音 )。该型火箭的发射场地位于 圭亚那太空中心，于 1979 年 12 月 24 日首次发射成功。1980 年时阿丽 亚娜航太公司（Arianespace SA）成立，接手阿丽亚娜计划中火箭建造、 操作与商业营运等方面的事务。 早期的“阿丽亚娜”运载火箭都有失败的记录(“阿丽亚娜”1、2、3 号 成功率较低) ，阿丽亚娜 4 号及 5 号运载火箭最为可靠。近年来，“阿丽 亚娜”系列运载火箭已经占据国际商业发射市场的半壁江山。其中，阿 丽亚娜 5 号运载火箭可运送大型载荷。阿丽亚娜 5 号 ECA 型运载火箭 于 2007 年 5 月 4 日创下了商业载荷的新纪录，发射了两枚总重 9.4 公 吨的卫星。 另外，为了满足小型卫星、科学任务与对地观测任务，欧空局还在 研制能将 1.5 吨有效载荷送入低极地轨道（300 千米-500 千米）“织女 星”运载火箭。 日本：低轨道发射能力两倍于中国 日本目前现役的运载火箭主要是 H2 火箭，是在 H1 型火箭的基础 上，依靠自身的技术力量研制成功的。H2 型自研制之初就故障、事故 连连。从 1994 年第一次成功发射到 1997 年，一共成功发射了 5 次。然 而，每次发射耗费 190 亿日圆（约 13 亿人民币），比起国际竞争者如 阿丽亚娜火箭算十分昂贵。后来，新一代 H-IIA 火箭开始研制，以降 低发射费用。 近年来，日本在提高运载火箭的可靠性方面做了很大的努力，取得 了一系列的成果，例如 2007 年成功的使用 H2A 火箭发射了日本的探 月卫星“辉夜姬”，2009 年 H2A 成功的实现 1 箭 8 星的发射。 此外，日本的新型火箭 H2B 于 2009 年将日本的首架无人太空补给 机空间站转运飞船（HTV）发射升空，标志着日本运载火箭技术的最 新成就。H2B 低轨道发射能力达到 19 吨，而地球同步转移轨道发射能 力达 8 吨。与此相比，中国同步轨道发射能力最强的“长征 3 号乙”仅能 达到 5.5 吨的能力，发射“神舟七号”的“长征 2 号 F”低轨道发射能力为 8.4 吨。 印度：仍未成功运用氢氧发动技术 印度目前拥有的运载火箭主要由“地球同步卫星运载火箭” （GSLV）和“极地卫星运载火箭”（PSLV ）两种。 地球同步卫星运载火箭（GSLV）的低温液态引擎由俄罗斯提供， GSLV 使用四支 L40 液态推进火箭可将 5000 千克的载荷送到近地轨道； 使用俄罗斯 KVD-1 低温末端节引擎可将 2200 千克的载荷送到地球同 步轨道。2010 年 4 月 15 日，印度搭载了最新氢氧发动机的 GSLV-D3 火箭发射失败，使印度想成为世界第 6 个拥有将重型卫星送入地球静止 轨道的低温液氢液氧发动机技术的国家的希望破灭。截至目前为止，只 有美国、俄罗斯、法国、日本和中国拥有这种技术。 极轨卫星运载火箭（PSLV）标准型为 4 节式火箭并有 6 枚助推火 箭，目前已有将 1，600 千克的卫星送至 622 公里高的太阳同步轨道之 能力，可让印度的遥控通讯检测卫星到达极地轨道，实际上的商业用途 技术是从俄罗斯取得，也可以发射小卫星到地球同步轨道 国际商业发射市场：中国仅占 4%份额 世界主要的大国均独自或者合作拥有火箭商业发射的能力，而无力 自行开展航天发射的国家正在通过与航天大国合作来涉足航天领域，这 就形成了商业发射的巨大市场。目前，俄罗斯在全球商业发射市场上占 据领先地位。2009 年，俄罗斯进行了 10 次商业发射，市场份额为 42%。同时，美国火箭占据了 17%，欧洲占据了该市场的 21%，而中 国进行了 1 次商业发射，占市场的 4%。日本和印度在商业发射市场上 的日渐活跃。以色列过去 10 年里进行了 4 次军事卫星发射，仍保有提 供商业发射服务的能力。韩国“罗老”号运载火箭连续两次发射失败，仍 在努力之中。 面对不断增长的空间资源开发需求以及日益增长的商业发射市场竞 争环境，各航天大国在不断改进现有火箭的同时，大力研制新一代的商 用运载火箭。目前美国推出了“德尔它”4 和“宇宙神”5 两个新型运载火 箭系列；欧洲新研制了“阿丽亚娜”5 运载火箭；日本推出了 H-2；俄罗 斯正在研制“安加拉”系列火箭。 更值得关注的是，美国私人发射服务商开始介入到商业发射服务中， 例如太空探索公司“猎鹰”9 火箭发射价格是 5000 万美元，与发射价格 为 9000 万到 1 亿美元的俄罗斯“质子号”火箭运载能力近似。这表明这 些新型火箭在发射服务行业的出现可能将带来新的商业发射机遇，并增 强美国发射业的竞争力。 结语 目前国际上运载火箭的发展，已经进入了一个多元时代。美、俄依 靠雄厚的历史积淀，仍然占据着明显的领先优势，尤其是美国在放弃了 航天飞机之后，出于商业发展和深空探测的需求，厚积薄发的重回了运 载火箭发展之路，例如战神系列火箭的起点定位就是将来重返月球的任 务需求。而另一边厢，欧空局在稳稳的占据国际商业发射的半壁江山的 同时，不断发展完善“阿丽亚娜”火箭系列。 而中国则从民用