浅谈火箭运力区间覆盖规划的重要性.doc

浅谈火箭运力区间覆盖规划的重要性。第一节，长征二号捆绑式火箭是最好的火箭构形。最好的组合式模块化火箭方案就是芯级与助推级都尽可能使用同一种发动机，如长征三号B火箭那样。美国RS27煤油发动机推力90吨，比中国的YF20肼类发动机要好得多，而且早在1971年就已经问世。如果用于研制RS27版本的“美国长二，长二捆与长三捆火箭”，同欧洲的阿里安四火箭抢夺商业发射市场还是大有钱途的。后来波音公司也研制了德尔塔3火箭，只可惜出世得太晚了，阿里安四火箭已经座大，商业品牌也已经在世界确立，德尔塔3火箭无力再挑战了。大力神四系列火箭号全球“最贵”的火箭，其运载能力与质子相差不大，但却要3亿美元一枚，是质子火箭的两，三倍，能够在商业发射市场揽到活才是怪事。大力神四H火箭价格之所以这样昂贵就与其使用的UA1205，UA1207系列巨型固体助推器脱不了关系，否则的话又如何解释同样是使用肼类发动机的阿里安四与质子火箭市场价格却没有大力神四火箭那样贵得离谱与黑暗？！实际上洛马公司并不能从两芯版本却使用700吨级大固体助推器的大力神四H火箭生产上捞到多少好处，因为“大固推”是由阿连特（ATK）或者联合技术公司生产的，利润也是由ATK与联合技术公司赚去了。洛马只是组装集成商而已。因此才有二十世纪八十年代四芯版本大力神方案的提出，这个方案的本质就是洛马公司希望能够通过仅仅使用液体RL87（推力125吨）发动机就能够生产出重型大力神火箭，由此一举将ATK与联合技术公司踢出大力神火箭的所有生产环节，独吞一切生产利润。 这也是今天洛马的阿特拉斯五与波音公司的德尔塔四重型版本火箭都只使用“通用液体芯级助推器”而不再使用ATK或者联合技术公司的700吨级大固体助推器的核心原因。 理由就如今天的康佳，海信等电视机公司要建设自己独立的液晶显示模块生产线的道理是一样的，目的就是要独自生产上游核心部件，以求实现电视机生产利润的最大化。大力神四火箭的最终停产就在于洛马公司无法撑握占大力神四H火箭总成本份额巨大的700吨级固体助推器的生产。由于大力神四H火箭的上游产业链不受洛马公司控制，大力神四H火箭生产成本始终难以下降下来，最终结果就只能一刀砍了。不知印度生产大型固体助推器要多少钱，但美国无论是洛马还是波音现在都放弃了使用重型固体助推器，如果大力神四H火箭的重型大固推价格“足够便宜”，洛马与波音断然不会放弃现成的700吨级固体助推器不用而独立生产“通用芯级助推器模块”。中国，美国，欧洲与俄罗斯都生产过肼类发动机火箭，但价格如大力神四H火箭这样昂贵的还真是全球“独此一家”。未来火箭的生存之路就是要走系列化，模块化之路。大力神四火箭所用的700吨级固体助推器本身就已经相当程度上“特化”了。因此未来火箭最佳的发展思路就是如今天中国的长二捆火箭那样，主芯级与助推级都只使用同一种火箭发动机，力求简化火箭的动力组合，努力增加单一品种火箭发动机的年产量，即努力实现流水线化与大规模化量产，从而大大降低火箭与火箭发动机的单价。事实上美国的战神火箭之所以要搞得今天如此复杂，也与美国政府无法下定决心抛弃ATK公司生产的航天飞机级巨型固体助推器有极大关系。我在分析洛马与波音公司的原始巨型火箭构想时发现这两个空间巨头没有一个存在“必须要借助ATK公司的航天飞机级固体助推器”才能够生产巨型火箭的先决条件。也就是说只使美国没有航天飞机级固体助推器，洛马，波音也能够为美国政府载人重返月球工程提供巨型运载火箭。而且这样做在经济上也更为合算，因为这样能够减少维持一条巨型固体助推器生产线的运营成本，而普惠公司的RD180生产线与洛克达因公司的RS68发动机生产线只使没有战神火箭计划也同样能够依靠阿特拉斯五与德尔塔四火箭的生产而存在下去。但由于ATK是犹他州著名的大企业，航天飞机大固推一停产，如何维持ATK“大固推”生产工人们的生存又成了大问题，因此美国政府在研制巨型火箭时无论如何都必须为ATK预留一份蛋糕，否则ATK的势力必定会在国会“闹翻天”。这也是很无奈的事。运载火箭的未来发展之路可以概括的几句话，那就是要“全力扩大单一火箭的运力区间。即研制一个芯级，再通过捆绑不同数量助推器的方式覆盖掉尽可能多的载荷发射市场空间。努力增加芯级火箭与火箭发动机的年产量，尽量压缩其它杂牌火箭与火箭发动机的型号与产量”。力求实现主力火箭与火箭发动机生产运营经济边际效益的最大化。说白了就是要“抓大放少（注意是放少而不是小）”中国长二F火箭主芯级与助推器一共使用8台发动机也不存在安生系数低的问题，也一样用于发射神舟载人飞船。NASA当年为应对阿波罗工程所开发的土星一号火箭，主芯级就用8台发动机，也一样很安全。目前世界上发射频繁最高的联盟火箭芯级与助推级就同时使用了5台发动机，当年执世界商业发射市场牛耳的阿里安四火箭主芯级与助推级所用的发动机数量也不少。当然火箭发动机数量过多也不好，如苏联的N1火箭那样，但以人类目前的技术水平，火箭主芯级与助推级同时使用12台发动机也一样能够保证火箭拥有足够的安全系数。因此NASA认为阿特拉斯五与德尔塔四火箭用于发射星座载人飞船推力不足与安全系数不够是安全站不住脚的。洛马与波音公司完全可以开发四芯版的阿特拉斯五与德尔塔四火箭，这样LEO运载能力将能一举突破30吨，持续升级改进的空间也更为广阔。这可要比今天NASA捧着ATK的那一根航天飞机级固体助推器“死啃，死钻牛角尖”要轻松经济得多了。第二节，二十世纪航天界最大的教训就是火箭发动机研制太多太滥而火箭运力覆盖区间却极为狭窄。二十世纪人类空间事业最重要的教训就是空间载具平台与火箭发动机研制得太多，太滥了。从土星，N1到能源，航天飞机，研制了就抛弃，抛弃了又重新研制新的。结果平白浪费了无数金钱与人力，物力。自阿波罗时代起，如果在这些方面上浪费的钱财能够实实在在地用于月球基地的建设与运行维持；人类在月球长驻生活探险的历史岁月最少也已经过去了三十多年，这可是白白损失了一代人的历史时光！其道理就如同我要建设房子，为了拉沙子，石子，我买了一台东风货车，但老爸说东风不省油结果抛弃了东风又买了一台三菱货车；但二叔又说三菱娇贵难养，最终又抛弃三菱货车买了台解放卡车。可事实上无论是买东风，三菱还是解放卡车为的都仅仅是拉我家建房子用的沙子与石子而已；但今天现实结果却是我家在买车过程中所花掉的钱甚至要比实现投入到建设房子的钱还要多得多！这个故事实际上就是人类在二十世纪空间事业上所走过的弯路的最好总结；教训之深刻“闻者足戒”！就目前的火箭工业现状来分析，慎重选型”实际上已经关系到全球火箭工业的生死存亡。整个二十世纪人类研制了很多火箭，但实际上唱主角的却仅仅是大力神，德尔塔，宇宙神，质子，联盟，阿里安四与长二这六大火箭系列而已。因此我在前面的评论中就强调指出，一款成功的火箭首要的条件就是必须要拥有运力区间高度可扩展性的“主芯级”。阿里安四与长征二号火箭的发动机并不出色，但由于采用四芯级设计方案，在运力区间的扩大上具有先天优势，结果在人类火箭工业史上大放异彩，占有重要的一席之地。火箭工业与其它的机械工业都存在相同的生存法则，同样要讲求“好用更便宜，平平实实”就是真的道理。在中国捷达，桑塔纳已经好长一段时间不是时尚车形了，但在市场中一样大卖特卖。何解？！就是好用更便宜，技术成熟，配件维修随处都有；购车，用车，养车的成本都低，反正买车都为了使用。好用不好用顾客自己最明白。真正的大路货，想不好卖都不行。火箭工业也一样，除非是使用有毒燃料的火箭必须顺历史潮流升级外，其它的只要不影响正常使用，进行改进又不能够大幅度降低运营生产成本的，就无须再进行太多不必要的重大改进变动了；改进方向关键就是要做到越来越有利于模块化，规模化与生产线流水化大生产。以全力扩大年产量以追求最大的运营边际效益。而要扩大火箭的年产量，就必须要在尽量不改变火箭主芯级的前提下，通过捆绑不同数量的“模块化助推器”努力扩大火箭运力覆盖区间，从而承接到更多的空间发射市场订单。这一点也是阿里安四与长征二号系列火箭大获成功的最重要原因。美国大力神四H火箭的停产落幕，除了重型固体助推器成本不菲的原因外，芯级推不大但所使用的固推却太大。固体助推器太大本身就是一种“特化”，众多处于LEO6吨至15吨区间的载荷任务大力神四H火箭无力接受。而LEO30吨以上的发射需求，大力神四H火箭由于芯级直径限制，又无法捆绑4枚700吨级助推器来承接。结果大大限制了大力神火箭的模块化组合潜力也是重要原因。但洛马公司如果当年成功研制“四芯版本”的大力神重型火箭，大力神运力区间的扩展余地可就要广阔得多了。而且大力神火箭所用的AEROJET公司的RL87肼类发动机顺应历史潮流，也可在今天改为使用美国版本推力150吨的NK33煤油发动机。但大力神火箭的箭体直径却不必要进行大改变，如今天中国计划利用YF100煤油发动机改进长二F火箭一样。如此大力神火箭的生产线与上下游部件供应商们的利益也都能够得到最大程度的维持，由其是ATK的UA1207大固推生产线也能够长久维持运转。而大力神火箭的生产成本也会进一步下降，对美国政府机构而言这也未尝不是一大好处。第三节，其实只要研制战神四一款火箭就足以支持美国载人重返月球工程（后来改为SLS火箭）NASA今天在战神一与战神五火箭上所面临的“方案一改再改”困局的根源就在于星座工程初始规划上所存在的重大失误。如果当初NASA采用月球轨道对接方案，美国政府直接上马研制一款“四芯版本”战神火箭就足够应付发射地球版本星座飞船，月球版本星座载人飞船与及金牛座月面着陆飞船乃至未来月面无人着陆补给飞船的所有发射需求了。要研制4芯版本战神火箭，在技术上根本就是易如反掌的事，因为阿里安四与长二捆火箭就是世界上采用四芯版本方案研制成功的现实火箭。NASA依样画葫芦，使用RS68“照抄”中国欧洲的成功例子，研制一款RS68版的8米芯级直径“超级长二捆”火箭，又有何难哉？！NASA往战神一这种高度“特化”火箭方案的“牛角尖”里死钻又何苦呢？！大不了一刀砍了，退一步海阔天空（最后奥巴马总统果然砍了战神一火箭，搞了4芯版的SLS巨型火箭）。4芯版本的战神方案第一级芯级4台RS68发动机，直径8米：330*4=1320吨330*4+330*2(德尔塔四通用芯级助推器）=1980吨330*4+330*4=2640吨330*4+330*6=3300吨330*4+1200（航天飞机级大固推）*2=3720吨330*4+1200*4=6120吨330*4+1200*6=8520吨四芯版本的战神火箭如此多的运力组合区间，完全能够应对美国政府未来50年内对月球与火星任务的所有空间发射要求。而且由于能够与宇宙神五，德尔塔四火箭形成更好的运力空白区间覆盖，于美国政府无论是军事载荷发射还是外星载人飞行探测任务都极有好处，而且也更具经济运营性。在此我可以预言，他日美国政府如果决心改组星座工程规划方案，目前的战神一与战神五方案极有可能就收缩为单一的四芯版本战神方案，因为这一方案所具有的经济性与战略回旋空间实在太多与太明显了。第四节，星座工程火箭规划失败浪费大量钱财。NASA已经为整个星座工程投入了70多亿美元经费，其中真金白银投入到战神1火箭的研制经费至少也有20亿美元，而且还远远没有尽头之日，因为战神一火箭的影子现在还不存在。可是当年美国政府搞EELV工程，整个工程研制经费投入也不过20多亿而已。因此过高的研制经费投入（估计单纯战神一火箭的研制经费都要40亿美元，当年欧洲搞阿里安五火箭就花了70亿美元，而中国搞长五系列火箭，网络传说是至少50亿美元 ，实际多少无从知）。日后研制费用如果分摊到每枚战神一火箭身上的绝对值就极为恐怖了。如果从2010年开始，未来20年能够发射200枚（平均每年发射10枚）战神一火箭，平均分摊到每枚火箭身上的研制经费也达到2000多万美元之巨。但美国政府如果是基于EELV火箭平台开发星座运载火箭，无论是RD180还是RS68，由于洛马还是波音都已经存在现成的改进升级方案，而且四芯火箭中国，欧洲都有成功开发的历史，研制技术风险极低，因此所需要的经费投入将能够大为降低。还有美国空军的空间载荷也可以发射，火箭总需求量更大，这样平均分摊到每枚四芯版本战神火箭的研制经费将更为低下。而且更多通用芯级液体助推器的生产，也可以更好地提高德尔塔四火箭生产线的运营经济性。生产线经常能够保持“满负荷运传”，将能大幅度提高相关公司的经济边际效益。但由于NASA执着要搞战神一，美国空军却坚持要继续改进升级EELV，那么日后美国将在20-30吨运力区间同时存在三种相互呈竞争关系的火箭。如此僧多粥少，大家都吃不饱，实际徒增美国国家的经济负担而已。总结研制中间运力型与巨型火箭这种超级工程，研制经费投入得太多，太大，而产量需求又远远跟不上，最终就绝对是经济预算的大灾难。日本的H2系列火箭就是最好的例子，一年2，3枚的产量，100年也不过两三百枚的总产量。相关企业的生产线开工极度不足，发射中心的工作人员也闲得发慌，经济边际效益其实极底。美国目前星座计划的风险就主要存在于一次载人月球飞行就要同时发射一枚战神一火箭与一枚战神五火箭，而时间间隔限制也极为严格。目前美国航天飞机发射可以做到两架航天飞机同时上发射