高密度航天发射中国落后俄美数十年

shunis 收藏 10 1155

8月18日,中国用长征2C火箭发射实践十一号04卫星失败,卫星未进入预定轨道。美国有媒体称中国一周来安排航天发射次数过多,这次失败也与这个原因有关。且不论具体原因如何,但这背后的确反映出中国还并未具备真正的高密度航天发射能力,与美俄这两个航天强国仍然差距甚远。


中国实践十一04星发射失败


8月18日似乎和中国航天有着不解之缘,对这个日期,曾经有人用“七上八下”无奈的来自嘲。继1996年8月18日长征三号发射中星七号失利后,2011年8月18日长征二号丙火箭发射实践十一04星失败。2011年中国航天按计划全年要进行21次高密度发射,8月 18日的发射虽然是一周内的第3次发射,但只是全年的第9次发射,这次失败肯定会影响原定的高密度发射。对此美国航天网站nasaspaceflight发表文章表示关注,认为发射失利是因为一周内三次航天发射超过了中国的实际工程能力。虽然nasaspaceflight并不是NASA的官方或下属机构,但作为国际主流的航天报道网站,其专业水平还是不错的,因此报道受到了广泛的关注,翻译后在国内也激起了不小的反响。


美媒认为中国短期内发射次数过多


结合nasaspaceflight论坛发射前的讨论,可以说这篇标题为《中国长征2号丙发射失败说明一周3次发射过多》[详见:《 China’s third launch in a week proves too much as Long March 2C fails 》]其实是有些酸的。在发射之前,相关网友讨论中国密集的发射计划时曾经多少有些无奈的说:疯了,6天内3次发射!中国疯了,但他们有足够的任务和载荷去做这些疯狂的举动,而不是像美国…当初看到这些言论时,作为中国人无疑是高兴于我们的进步趋势的,但随后实践十一号04星的发射失败为我们都泼了一盆冷水。


这已经不是中国航天第一次高密度航天发射被打断了,2009年同样号称要进行高密度航天发射,但被印尼Palapa-D卫星发射失败所打断,最终2009年只进行了6次发射。虽然2010年的发射相当顺利,圆满完成了15发火箭的成功发射,但以目前的形势看2011年的发射计划肯定要因为分析清查故障和整改等因素大幅度更改。尽管有充足的任务和载荷,但高密度发射对中国航天来说仍然是一个很大的挑战。从中国航天近年和未来的任务看,每年需要发射的卫星数量还在持续增加,即使每年高密度发射计划成功,未来也要面临更高密度的发射,而今年没能实现预期的发射次数,任务延后的发射任务就更多了。即使不考虑其他因素,单以完成航天系统的既定任务看,具备高密度发射能力也是中国航天必须攻克的难关。过去十多年的发展中,中国航天的发射能力已经从每年3~5次逐渐增加到10次左右,按计划将在十一五和十二五期间进一步增加到年均稳定在20余次的水平,这样的高密度发射能力超出了航天系统现有的能力,需要进行一定的变革适应未来不断增长的发射需求。


前苏联最高发射记录为接近110次/年


谈到航天高密度发射,航天爱好者一定首先想到美苏冷战的疯狂岁月。在冷战不计代价的年代里,为了进行航天竞赛和满足双方军事暴涨的需求,美苏都发展出其他航天国家现在看来也望尘莫及的发射能力。在还没有第三个太空发射能力的国家之前的1967年,美苏就创造了年发射139次的记录。美国历史发射最高记录接近80次,随后苏联发射数量超过美国,到了20世纪80年代更是展现每年100次发射,最高发射记录接近110次的强大发射能力。


美苏历年发射次数总和为约3700次


在冷战的岁月里美苏还进行了大量的亚轨道试验,其中绝大多数为陆基洲际导弹和潜射导弹发射试验,仅以陆基洲际弹道导弹试验为例美国在范登堡空军基地苏联在普列谢茨克都进行了数以百计的发射试验,轨道和亚轨道发射合并统计,美国范登堡基地自1958年首次发射以来累计进行了1700余次发射,俄罗斯普列谢茨克基地子1959年首次发射以来进行了约2000次发射,年均发射次数都超过了30次。他们的总记录令其他国家望而兴叹,在可见的未来也不会有超越者,平均发射次数对其他国家来说仍然是可望而不可及的目标。


冷战后美国高密度发射能力并未下降


美苏航天发射场都具备数量众多的发射工位,为实现高密度发射做好了充分的准备,2008年美国航天飞机在肯尼迪航天发射中心LC-39A和LC-39B发射工位上同时屹立的图片我们并不陌生。美国在冷战时期同一天内发射也非罕见,即使美国航天发射数量一直在下降,但高密度发射能力并没有受到根本影响,他们不仅有20世纪80年代航天飞机在一个月内密集发射的记录(亚特兰蒂斯和挑战者号航天飞机分别于1985年10月3日和30日成功发射),即使在最近也有2010年4月22日同一个小时内在范登堡基地和卡纳维拉尔角基地分别发射HTV-2A和X-37B/OTV-1的记录。


高密度发射带动美苏火箭工业整体提高


美苏进行高密度航天发射,在早期都曾遭到发射失败的打击,但经过从火箭设计制造到检测维护的各方面努力,最终实现了前所未有的发射能力,并为后来火箭技术的通用化、系列化、组合模块化的奠定了基础,最终带动了运载火箭工业整体水平的提高。可以说美苏没有冷战时期高密度发射的需求和为此实现的质量与管理的进步,他们的航天发射技术与能力也不会在冷战结束20年后仍然傲视群雄。


中国航天年发射次数已达全球第3


中国航天在火箭大规模生产和发射上已经取得了显著的进步,发射规模上稳居俄罗斯和美国之后,超过了欧洲航天局和日本宇宙开发机构,更不要说年发射次数一直只有2-3次的印度航天。在生产数量上,2010年参加两会的全国政协委员、中国运载火箭研究院党委书记兼副院长梁小红介绍,2009年就实现了组批生产30发火箭,可以说生产基本实现了产业化和流水线作业。他在接受采访时还着重指出,中国从航天大国到航天强国转变的一个重要标志就是实现了火箭生产的产业化。

虽然过去已经取得了明显的进步,但中国航天再发射能力上距离美俄仍有较大差距,表现在发射次数仍远远小于俄罗斯,而在火箭技术上落后于美俄。从2009年和2011年的发射计划的反复看,中国航天很难说具备了足够的高密度发射能力。不过这种情况并不让人感到意外,中国航天的运载火箭技术基础都脱胎于东风五号洲际导弹,东风五号洲际导弹的正式研制始于是1965年中央专委批准的”八年四弹”规划,研制的年代距今已经很久远了。


东风5早期发射失败的记录


当时不仅面临技术能力不足,只能先解决有无的问题,后来还受到政治运动的干扰,所谓“生于乱世,先天不足”。在研制过程中本身就面临众多问题,第一发导弹的总装测试就花费了100多天,转运到发射阵地后又经过了100多天的技术阵地测试,即使如此1971年9月10日这发东风五号导弹的发射仍然出现计算机软件故障导致发动机提前关机的问题,由于使用低伸弹道发射射程反而远了约500千米。

东风五号第二发遥测弹的试验也并未成功,第一次发射出现第一次1、3号发动机未能点火的故障好在及时中止发射,第二次发射控制系统断电导弹导弹自毁的彻底失败。东风五号01批生产的6发导弹,除2发用于弹道导弹测试外,其余4发用于发射返回式卫星。第一次卫星发射仍然失败,不过后三次取得了成功。多年后为了承接国际商业航天发射业务,对外介绍时将第一次失败的火箭编号为长征二号,后三发虽然同一批次但编号为长征二号丙,这种文字游戏造就了长征二号丙这个金牌火箭的声誉,但回顾历史长征二号火箭早期设计和制造上的质量问题是无法回避的。


设计问题造成长征系列火箭的保障性缺陷


今天的长征二号丙、长征二号丁、长征三号和长征四号系列火箭,尽管数十年时间里做了大量的细节改进,但一二级火箭的基本设计仍和东风五号大同小异,这也是长征二号丙火箭发射失败,却可能影响整个长征系列火箭使用的根本原因。由于火箭系出同源,设计上并没有多少可靠性的考虑,更不要说维护性和保障性的考虑,因此直到今天中国运载火箭的可靠性维修性和保障性(RMS)是相当落后的。


RMS的水平取决于设计,频繁的维修和检测并不能提高RMS,只能通过碰运气接近设计决定的RMS极限。很多人都抱怨中国航天发射维护检测上的人海战术和疲劳作业,其实这除了官僚体制的问题,更多是弥补火箭设计的RMS水平不高的无奈之举。但人力有时尽,通过大量人员的反复检测可以应付早期每年2~3发火箭的发射密度,也勉强可以应付今天10发左右的发射密度,再想更上一层楼,就要困难的多,这也是尽管航天领导反复抓一线工作人员很努力很疲劳,但仍不时出现发射失败影响发射计划的根本原因。


美俄年航天发射次数正在下降


如果对比苏美的航天发射史看,高密度发射在今天似乎并非必备。随着卫星功能和寿命的增长,还有冷战结束军事航天任务的大幅度削减,世界航天年发射次数一直在下降。曾经达到年发射100次以上的苏联,他的继承者俄罗斯去年只有30余次发射,更不要说美国去年发射次数更是降低到和中国持平的15次。


中国目前航天发射任务繁重


不过中国航天面临的的形势截然相反,未来将会有越来越多的民用和军用航天发射任务,不论是资源、海洋、风云和北斗系列,还是遥感和实践系列需要发射的卫星数量的都在增加。随着嫦娥一号的发射成功深空探测等科学研究任务启动,又增加了月球、火星和小行星探测以及空间天文学任务的发射任务,还有重中之重的载人航天任务。虽然就单个任务如载人航天来说,目前的发射能力即使应对2020年前后空间站的维持也没有问题,但众多航天项目的总计就远远超出了现有发射能力,这种形式要求中国航天必须具备高密度发射能力。从提高航天产业的技术水平和竞争力上说,由于缺少对外技术交流,中国很难像欧洲和日本那样直接获得美苏先进可靠的运载火箭技术,或许只能在高密度发射的需求与压力下,促进航天系统各方面的进步,从总体设计、质量管理和维护检测等方面提高中国运载火箭的技术水平。



高密度航天发射中国落后俄美数十年

18日17时28分,中国用“长征二号丙”运载火箭发射“实践十一号04星”。火箭飞行过程中发生故障,卫星未能进入预定轨道。

高密度航天发射中国落后俄美数十年

冷战时期,美苏两个超级大国都展现了各自惊人的高密度航天发射能力,其中苏联创造了年发射接近110次的纪录。

高密度航天发射中国落后俄美数十年

2008年美国航天飞机在肯尼迪航天发射中心LC-39A和LC-39B发射工位上同时屹立。

高密度航天发射中国落后俄美数十年

中国长征系列火箭技术其实脱胎于东风5号洲际导弹。图为DF-5在1984年庆祝建国第35周年阅兵式上进行公开展示的情景。长征2F在设计上作出诸多探索


高密度发射本身要求运载火箭具有更高的可靠性,而可靠性的决定因素是设计,在这方面中国载人航天的长征二号F火箭已经做了很多有益的探索。长征二号F火箭是中国按照高可靠性和高安全性原则设计的第一种运载火箭,从而成为中国可靠性指标最高的火箭。长征二号F火箭设计中广泛使用了冗余设计和裕度设计,针对中国工业水平不高元器件质量较差的的问题,进一步提高了元器件质量等级要求和筛选标准,箭体结构设计上提高了剩余强度系数,所使用的发动机也加入了提高可靠性的设计。此外还用了钝感火工品降低火工品误爆的可能性,从而大幅度提高安全性,在提高维护性上还研制了更有效的故障检测系统。经过一系列设计上的改进,长征二号F火箭可靠性指标从0.91提高到0.97,保证了中国载人航天历次发射的成功。发射天宫一号的长征二号F火箭进一步改进设计提高可靠性,编号为长征二号F/G。借鉴长征二号F火箭的设计对原有长征火箭进行升级,是提高可靠性适应高密度发射的上佳选择。


呼唤高密度发射的航天生产链


苏联和美国最初的运载火箭都派生自洲际导弹,虽然他们的工业基础好得多,设计上也更精良,但早期的可靠性和维护性也并不出色。他们在生产和发射过程中积累了丰富的经验,通过改进和简化火箭设计提高可靠性,使用标准化生产提高元器件的质量与可靠性,在现代管理体制下进行工业化生产和检测,从而完成了运载火箭从实验室产品到流水线工业品的转变,不仅实现了更高的可靠性,也满足了高密度发射任务的需求。以联盟火箭为例,它不仅是迄今为止发射数量最多的火箭,发射次数达到了1800多次,曾创造连续133次发射成功的记录。不过对老式火箭进行改进毕竟受到原始设计的制约,美国运载火箭可靠性和可维护性得到本质的提高,还是要到后来全新设计的渐进一次性运载火箭(EELV)。




虽然落后美苏数十年,但中国近年来实现了火箭的批量化生产,并进行质量与管理体制的改革,适应运载火箭大规模生产和高密度发射的需求,尤其是通过质量管理体制改革,通过严格的质量控制和持续改进提高产品可靠性。但要改变过去低频率发射时代把火箭当作试验品,依靠人力反复检测的老办法,目前看来根本的方法还是要提升火箭设计水平,提高可靠性维修性和保障性(RMS)。


相比载人航天工程在实际收益上的不确定性,具备高密度航天发射能力后,就能在短时间内发射各类所急需的航天器,能带来的收益却是显而易见的。不过目前来看,高密度航天发射对中国无疑是一个高高的坎,能否跨越这个坎,也决定着中国能否成为比肩美俄的航天强国。


作者:松鼠

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