F1与J2发动机的轻率放弃是阿波罗时代不可原谅的重大错误.doc

F1与J2发动机的轻率放弃是阿波罗时代不可原谅的重大错误现在中国开始讨论载人登月工程。但载人登月火箭日后的“善后问题”人们关心的却不多。今天的中国显然不能够仅仅为单纯登月目标而研制火箭，更要从长远的实际应用基础上，从更大的使用范围空间上来规划载人登月火箭的具体构形。因此从这个角度去反思阿波罗时代土星系列火箭被抛弃的悲剧才更具现实意义。第一节，阿波罗登月工程结束后F1与J2发动机完全能够保留下来。 一， 土星1B的放弃完全没有必要。与质子，大力神4火箭。土星1B技术领先性更明显，也是典型的环保火箭，低碳火箭。参考同时代的质子火箭，与土星1B运力相差无几，但到今天已经发射了300多枚，持续使用2018甚至2020年才可能退役。摊派到每枚火箭身上的研制费用已经极低了。而当年如果土星1B不放弃，将会大大减少挑战者爆炸之后美国不得不“死改”大力神4火箭的困局，甚至根本不必要研制大力神四系列火箭。 更重要的还在于保留了土星1B，其所用的J2低温大型上面级发动机也一样保留了下来，这会为后世实施深空探测保留了最重要的核心基石。而不必要现在又多花几十亿美元重新研制J2X低温发动机。 二， 基于土星火箭的F1与J2发动机研制的典型中间运力火箭Jarvis火箭构想的放弃。 事实上这种基于F1与J2发动机的中间运力火箭只要研制成功，只使航天飞机照样飞行，但日后国际空间站的建设也一样会与今天极大不同。关键就在于Jarvis火箭的LEO运力有38吨，在发射重型空间站舱段平台上具有极大的优势。 同样，今天美国研制韦伯望远镜时也会容易得多。因为这种火箭使用R4D常温上面级时其GTO运力就已经达13吨，已经超过阿里安五火箭；如果改为使用半人马座低温上面级，GTO运力提升为17吨也不是什么难事。 更重要还在于Jarvis中间运力火箭的芯级直径有8米之大，整流罩直径也一样有8米之巨。这将非常有利于韦伯望远镜之类特殊构形空间飞行器的研制，只使不使用折叠镜片设计，韦伯望远镜的观测镜面直径也能够做到6米水平，这将能够大大降低韦伯望远镜的研制难度。 事实上Jarvis的研制构想也是提出于二十世纪八十年代，韦伯望远镜的预研构思也是从那个时代开始。如果Jarvis火箭能够同时上马研制，现在韦伯望远镜早已经可以发射升空了。 Jarvis这样的LEO运力只有38吨，GTO运力只有13吨的中间运力型完全是可以轻松养活的。仅仅是NASA的特殊构形深空探测器与NRO的巨型电子侦察卫星，就完全能够养Jarvis火箭。 与EELV，阿里安五相比，Jarvis的运力优势倒是其次，而其所具有的大直径优势才更具决定性。由其是发射那些N年才进行一次的“独苗”深空探测器优势更大。与EELV的 5米直径整流罩相比，Jarvis 的8米的整流罩直径已经能够做很多很多的事了。只使在继承土星五的发动机遗产上，Jarvis火箭同时使用上F1与J2发动机，也就是说只要Jarvis研制成功，并生存下来，就完全保住了土星五火箭的命脉。日后美国要重新构建土星五级别的火箭将易如反掌。 第二节，“通勤”型中间运力火箭的研制必须脱离载人登月工程从“战略高度”来独立建设。 参考土星1B与Jarvis火箭的放弃。美国人在处理土星五火箭的遗产问题上的态度是极为轻率与漫不经心的。如果阿波罗工程的规划者后期的工作作风能够稍微严谨点。象土星期1B火箭那样的现成版重型火箭的放弃将完全是不可想象的事情。因为同时的苏联质子火箭就摆在那里。同时期的苏联就能够养活质子火箭，美国为什么就不能够了？！ 而且那时期美国也一样有重型深空探测器要发射，如火星的维京探测器与今天还在飞行的旅行者探测器都是在二十世纪七十年代发射的。为什么有现成运载能力与可靠性更强的的土星1B火箭不使用而要转而使用大力神三系列火箭来发射？！与大力神三系列重型火箭相比，土星1B的优势是全方位的，只使与今天的EELV与阿里安五火箭相比，使用煤油与液氢发动机的土星1B在环保低碳方面也一样不落下风。 事实上只要当时的美国政府有决心，只使航天飞机工程上马，土星1B也完全能够象质子火箭那样发展成为一种“通勤”重型火箭甚至中间运力型火箭，捆绑大型助推器就行。因为土星1B的芯级直径有6米多，整流罩直径也可以做到6米多，而航天飞机的货舱直径只有4米多。这就决定了土星1B在发射“特殊构形”深空探测器与巨型电子侦察卫星上用处很大，很多航天飞机不便发射的“大体积东西”装入土星1B的6米整流罩却极为容易。 因此，土星1B与Jarvis火箭是典型的“态度性格决定命运”的例子。今天美国不得不再次投入巨资重复研制SLS火箭来发射星座载人飞船（或者改进德尔塔四H发射星座载人飞船的地球轨道版），原因就出于当年美国人极端轻视对阿波罗具体工程成果的持续继承发展。 而前苏联的质子火箭，联盟火箭与联盟飞船东改改，西改改，却一值持续使用到今天。由其是联盟火箭与联盟飞船，只使再持续使用上50年也没大问题，那只不过是一种“通勤空间的土”而已。而同时代的经典环保（那时没有低碳概念，但环保概念却是有的，质子与大力神三都是毒火箭，土星1B却是先进的煤油主芯级与低温上面级火箭）火箭土星1B，却仅仅使用了不足十次就轻率抛弃了。 如果土星1B能够象质子火箭那样持续生存下来，并持续发射上300多枚，衍生出N多构形，起码后世的人类深空探测器与载人飞船研制史将会发生巨大的改变。至少星座工程重启时美国就不必要研制战神一火箭了，而仅仅这一项也能够节省出30，40亿美元的巨大资金。只可惜世上没有后悔药。而这一切才是更值得今天同样在进行载人登月工程前期规划的中国人必须深入反思的。我们做好了如何“善后养活”中国人自己的载人登月火箭与发动机的一切预案了吗？！或者我们也是否意识到如何持续养活中国人自己的“土星1B与土星五火箭”的重要性了吗？！这一切可都是纳税人的血与汗。第三节，土星1B还有极大的改进潜力。土星1B主芯级可以使用一台F1来改进升级。更关键是土星1B可是完全成熟的现货，这可要比日后死改进大力神要好多了。与同时代的大力神三，质子火箭相比，土星1B的环保优势是极为明显的；而与晚期的质子改进型火箭与大力神四火箭相比，土星1B的运载能力也不落下风，整流罩直径优势更是明显。事实上土星五火箭放弃可以理解，但土星1B的放弃根本无法理解；也没有任何足够的理由。而Jarvis计划在中太平洋的海岛发射。这一火箭的最大亮点就是主芯级使用两台F1发动机，而第二级英文资料原文是使用1台J2发动机的，如果有误改为使用两台J2可以了。Jarvis的芯级直径有8米多，如果这个火箭研制成功，只使今天NASA的70吨版SLS火箭也可以不必要研制了，在Jarvis主芯级捆绑上航天飞机大型固体燃料助推器就可以达到LEO70的水平。 如果Jarvis在二十世纪八十年代研制成功，后来的卡西尼，韦伯望远镜甚至MSL都能够做得很大，研制成本也会低很多。Jarvis整流罩直径的巨大在发射深空探测器方面的优势是压倒性的。美国土星五火箭抛弃之后提出的中间运力型火箭研制构想有很多，但最终转化为具体工程现实的却没有一个。但中间运力型火箭美国却是完全能够养得起的，只要肯投入钱搞，搞出来了仅仅用于发射NASA与NRO的“特殊构形”深空探测器与间谍卫星，一年发射也能够持续在1，2次水平上。事实上当年美国还有一个“国家发射系统”的重型构想，但也同样没有下文。总而言之，航天飞机牵制了美国政府与NASA太多的精力。而且很多太空工程也是出于“迁就”航天飞机的运力而不得不削足适履甚至放弃。因此而死的还有一个“天空实验室B”的空间站工程。 第四节，必须从战略高度来研制中间运力型火箭。中间运力型火箭的缺乏对美国空间活动的打击还是非常大的，在大吨位空间站工程上就更是如此。Skylab 后继项目的崩溃也与土星五的放弃关系极大，如果人类的空间站项目一直按土星五+大吨位舱段平台的路子走，今天人类的空间站工程就要壮观辉煌多了。这也是我为什么一再强调要从“战略高度”研制中间运力型火箭的核心原因阿波罗时代空间站舱段平台普遍50，60吨级与今天的仅仅重20多吨差别极大。仅仅是天空实验室用于天文观察的望远镜庞大规模，我们就能够明白中间运力型火箭在科学探索上的巨大意义。未来中国的东方红五，东方红六重型通信卫星之类应用载荷全力“做大”，而载人登月火箭则努力“做小（与土星五相比）”。 一进一退目的就是要努力为中国的载人登月级火箭“找食”，以保持载人登月工程结束后的空白期也一样能够持续保证中国中间运力型火箭生产线的健康持续运转。走质子火箭的路从而成为一种“通勤”常备重型火箭。而不是象土星五火箭那样HIGH一把就死，造成极大的经济浪费。因此，研制LEO运力上限80吨的中间运力型火箭，采用月球轨道对接方案也能够轻松拿下中国的载人登月工程。这一方案无论从经济上，政治上还是技术上都无可指责。土星系列放弃悲剧的关键在于F1与J2都没有持续生存下来。现在NASA重启研制J2X，但尽管有阿波罗时代J2的技术基础，研制J2X却也要重新花费几十亿美元。而进口RD180也要花很多钱，如果F1持续生存下来，使用一台F1研制宇宙神五芯级也是可以的。、事实上美国的半人马座低温上面级的RL10发动机就持续使用与持续改进了几十年。发射量也超过100多次。如果土星1B不死，J2上面级从阿波罗时代一直不间断使用到今天，衍生升级版也会很多的，这样今天NASA也不必要重新研制J2X了，货架上也会有现成的J2发动机型号可以直接使用。这就可以节省很多的钱与时间。事实上当年美国政府决定中止F1与J2生产线的决策都是极为草率的，土星箭体生产线可以放弃，但发动机生产线却千万放弃不得。当年苏联就取用了另一种方式。能源崩溃后但RD170却生存下来，因为有天项火箭在使用。而保住了天项，能源的命脉就保住了。土星五，能源级别的火箭使用量是很少的，但发动机生产线却不能够停下来，如果F1，RD170与YF77之类发动机停产十几年再重开生产线，启动经费要以十亿美元计算，J2X就是例子。因此载人登月级火箭发动机在载人登月间隙时期如何生存真是一个必须谨慎思考与深入研究的问题。这也是我为什么力主中国载人登月火箭必须基于300多吨煤油发动机来研制的核心原因。那怕就是白花钱，当年美国也应该研制一款美国版天顶火箭，使用F1研制第一级，再使用J2研制第二级。明知浪费钱，但也要养着F1与J2生产线的命。因为从今天美国重启J2生产线要花费至少20亿美元计算。从土星1B1975最到一次飞行到今天2012年，时间也不过37年，20亿美元分摊37年一年也要5000万美元。如果一年至少维持一次“美国天顶火箭”的发射量，每枚只使价格为2亿美元，37年也不过70亿美元。但再减去今天重启生产线的20亿美元，也不过50亿美元而已。但却将F1与J2生产线一直维持到今天。这也值了。事实上日本的H2A与H2B一年发量也只有3，4枚。但也好歹也算吊着LE7A与LE5发动机的命。火箭工业是不能够走商业道路的，因为大型发动机研制是花费大头，象F1，J2，YF77烧钱无数，一旦停产，日后再重启生产线，损失极为严重。因此，无论如何国家财政都要补贴钱财来让火箭发动机生产线持续运转。就当包二奶，养情妇了事。但二奶也分三六九等，700，800多吨推力的F1与RD170是贵族小姐，包养费用高昂，小老板无力长期供养；但300多吨推力的煤油机只是小家碧玉，小老板却能够长期供养。因此未来中国要搞载人登月工程，就只能玩300多吨的煤油机了。反正玩包二奶与载人登月都是有钱人与大国的烧钱游戏，但烧钱也要讲求“性价比”的，过下瘾可以，但千万不能全力投入。否则被“套牢”就要“伤身”了。 第五节，火箭构形设计绝对不能够高度特化。安加拉，德尔塔四构形的单芯版不如“长二捆”，阿里安四之类的四芯版构形好用，运力扩展范围也小。而且对发动机推力要求也更高。比较长二捆，安加拉与德尔塔四构形。走长二捆，阿里安四构形方案，仅仅一种发动机就可以将火箭的运力做到非常宽阔的覆盖范围。对于中国这种发动机研制能力比较有限的国家非常合适。特化火箭构形是一种原始落后的火箭设计思想。质子的RD253运力高达150吨以上，远远强于长三乙的75吨发动机。但由于质子芯级构形高度特化，只使使用6台RD253研制主芯级，质子的GTO运力也不能强长三乙多少（质子GTO运力顶峰7吨；而长三乙却达5。5吨，当然质子没有低温上面级也大大拖了GTO运力后脚），由于不能增减助推器数量，反而没有长三系列火箭调节运力那么灵活。发射欧洲SES的6吨多重型卫星与亚洲卫星公司的4吨通信卫星一样要使用6台RD253发动机。其实如果走长二捆构形，质子发射4吨级通信卫星使用4台RD253发动机足够了。RD253发动机价格也要100多万美元一台。特化构形火箭发射数量少时发动机运力的浪费问题无所谓。但象质子这样的历史上一共打了300多枚，估计还将要持续运营到2020年之后的重型火箭。统计起来经济损失就大了。事实上质子火箭历史上很多载荷的重量连长三丙火箭都能够发射。而某些越大越好的载荷，如空间站核心舱（如果质子运力可以大幅度扩展，和平号与国际空间站的核心舱做到30吨更好），由于质子无法捆绑助推器，想做大却无能为力。因此火箭芯级构形的设计一定要有足够的超前目光与长远规划，并留下足够的运力拓展余地。其实从长远来分析，俄罗斯选择能源M方案远比研制安加拉火箭要好。因为能源M方案什么也保住了RD0120低温发动机生产线，保住了能源火箭的另一核心精华。而RD170有天顶在，也死不了。如果认为RD171推力过大，捆绑两枚RD171助推器的能源M火箭LEO运力达37吨，GTO运力也远超10吨，在商业市场无力养育。那么转而使用质子的RD253发动机研制能源M的助推器也能够将能源M的GTO运力控制在5吨左右。等到日后重型通信卫星大发展，再捆绑RD171（或者RD180）研制的助推器来应对。总而言之，巨型火箭的“善后问题”非常难解决。但只要有心，土星五与能源火箭的J2，F1与RD0120，RD170都是能够长久生存下来的。能源M是最有可能成功的。因为阿里安五火箭就在走同一条路，只是阿里安五芯级用的是火神低温发动机。能源M使用RD171助推器太大的，考虑到二十世纪九十年代初期RD180还没有研制成功，而且RD180也还是很大，那么改为使用质子的RD253研制能源M的肋推器，捆绑4台也就是今天中国研制中的长五火箭基本型号的5，6吨GTO运力水平。这什么也要比日后研制久拖不决的安加拉火箭强多了。 第六节，土星五级别的载人登月火箭登月工程中止后难以“养活”的问题必须高度重视。本文主要的内容就是研究如何在“非载人登月任务时期”保住与持续养活载人登月级火箭的命脉。由其是发动机命脉。参考上面设想使用RD253有毒发动机来研制能源M火箭的助推器。这其实也是非常无奈的想法，GTO运力5，6吨的任务也要用上昂贵的大型低温发动机，非常浪费，但也的确能够保住RD0120的命。考虑到未来中国载人登月工程还存在多次“反复”的政治可能。今天用YF77来研制长五火箭也一样是非常无奈的想法。说白了就是要将YF77“寄养”在长五火箭身上，以求长久保住YF77的命。至于未来中国的300多吨煤油机（或者更大推力），在研制策略上也必须要从一开始就要做好日后有好长一段时间将要“寄养”在长五火箭这个“外婆”家里的一切预案。深入分析土星五彻底抛弃的悲剧，我们可以得到的结论就是巨型火箭的确比较难养。但为巨型火箭所研制的巨型发动机持续养活的办法也是有的。那就是要从载人登月中止之前就要为巨型火箭发动机主动找到“寄养”家庭。如果美国政府当年能够主动有“目的”来使用F1与J2来研制一款美国版的天顶火箭（事实上就是使用F1第一级的战神一火箭，可惜NASA的战神一方案迟到了三十多年，如果在阿波罗时代就提出就更完美了），一级仅仅使用一台F1发动机，二级也仅仅使用一台J2低温发动机。LEO运力15至20吨，配上半人马座上面级GTO运力达7，8吨，而配上常温上面级GTO则降低到3，4吨水平。再要大运力就捆绑助推器了事。那么后世的大力神四H与EELV都不必要再次研制了（浪费了100多亿美元）。这一款的“美国天顶”发射量从阿波罗时代未期积累到今天，40多年也一样会达到质子火箭的300枚左右。因为不计航天飞机发射次数，阿波罗之后美国仅仅大力神三，大力神四与EELV的发射也有200次以上了。而日后美国要再次实施载人登月工程就更容易多了。再使用F1与J2组装下，一款土星五级别的火箭立即拿来。航天飞机也无法发射重达30吨以上，直径大于4米的载荷到LEO，而利用航天飞机发射到外星轨道的东西最重的也只是伽俐略，麦哲伦之类的东西，还没有利用大力神四H发射的卡西尼重。事实上从阿波罗时代到今天，美国从来不缺乏巨型火箭发动机，但却一直缺乏一款现成的LEO50，60吨，GTO20，30吨的现成“通勤火箭”。这才是土星系列火箭抛弃后美国最大的悲剧。对于那些独苗外星探测器，一次计划耗资以10亿美元计算，能够做大的好处不必多说。MSL就要比机遇，勇气要大得多。 第七节，最典型的中间运力型火箭构想方案。“光棍”主芯级模块的LEO运力就达20吨，GTO运力就达10吨，这样的GTO运力水平在商业通信卫星市场大有可为。而芯级捆绑不同数量的助推器之后，LEO运力可以迅速扩展到60多吨，GTO运力也扩展到25吨以上。这就是我设想的最佳中间运力型火箭研制思路。毕竟LEO吨60多吨的中间运力火箭除了发射空间站模块，巨型外星探测器与载人环月飞船之外很难在目前的商业通信卫星市场找到生存空间了。 问题就是如此一种火箭在目前的全球却还是一片空白。迟迟没有一个国家主动去“填平”这一运力区间。因此我始终认为这是人类自阿波罗时代以来最大的悲剧。如果土星1B不抛弃，捆绑上大力神的UA1205大固推，运力很容易就达到LEO30，40吨级别。而土星五不抛弃，芯级由五台F1改为使用4台F1发动机，第二级也改为使用4台或者3台J2低温发动机，也一样能够将LEO运力压缩到50吨左右，GTO运力压缩到20吨左右。这样人类的一款“通勤型”中间运力火箭就能够从阿波罗时代一直持续到今天。这将会对人类的空间站工程与外星探测器研制产生极为重大的影响。人类都是有懒性的，土星1B与土星五抛弃之后，尽管美国政府也提出一系列中间运力火箭设想，但由于这样那样的原因，最终都只停留于纸面上。原因就在于土星五的生产线停产之后，大直径箭体生产一中止，机床工具与产业工人一旦转为其它用途，再想重新生产那些两三年才有一枚生产任务的土星五火箭，企业主们就再也没有接单的兴趣；结果土星五的生产线一解体，美国直到今天都没有再生产出一枚直径在6米以上的火箭来。事实上如果你今天叫俄罗斯人再次生产一台RD0120低温发动机，俄罗斯人也没有能力了，而要重启生产线，没有20，30亿美元搞不下来。因为重启RD0120发动机，俄罗斯相关企业从接订单开始就要开始重建设生产线甚至重建厂房。如此这般，样样都要花钱；而且二十年过去了，某些特殊金属材料与特殊形状态的零部件由于RD0120停产，也许相关企业也接着停产了，机床模具也烂掉了，甚至全俄罗斯都没有企业生产了；而改用新材料，新机床生产又要重新试验（J2X就是如此，要重新试车）。因此，土星五之类火箭与F1，J2火箭发动机重启生产线的难度远远超过人们想象之外；当年美国抛弃土星系列实在是太轻率了。队伍一旦散了，再想重新集合，难度可想而知。而土星五级别的载人登月火箭更难养，因此在运力设计上一定要谨慎论证，以保证日后只使不进行载人登月其“芯级模块”火箭也能发射上两三枚一年。事实上这一切更值得今天的中国吸取教训（象日本的H2A火箭，一年仅产两三枚，日本不敢停产，但也能死撑下去；但如果是土星五级别的LEO100多吨运力，日本也无力死撑了）。总结，未来中国研制载人登月火箭绝对不能够过度迷信技术权威。正因为龙乐豪院士是中国火箭技术领域的真正权威，高凉陈君才更担心他力主研制200吨氢氧发动机与600多吨煤油机组合的载人登月火箭构想最终会将中国的载人登月工程带到沟里去。而未来中国的载人登月工程注定是一项“政治工程，面子工程与政绩工程”，而政治工程，面子工程与政绩工程的最大特点就是“可上可不上，上马下马全凭核心领导一句话”。前苏联的N1载人登月工程为什么要保密那么久？！就是因为搞砸，搞黄了，让政治领导人面上无光，因此一直保密到苏联解体为止。反过来，如果前苏联的载人登月工程搞成功了，那么前苏联政府对其公开宣扬的力度绝对不在加加林首飞太空之下。因此，载人登月工程的设计政治方针与巨浪2之类研制工程是绝对不一样，巨浪2是