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[原创]基于CBC构型研制载人登月级火箭已经成为全球性发展大趋势

基于CBC构型研制载人登月级火箭已经成为全球性发展大趋势

质子火箭4点2米直径的主芯级使用1台RD170煤油发动机,实质上就是原苏联“大型天顶”火箭的一个演化变种。在冷战时代(二十世纪80年代)原苏联就有研制“大型天顶火箭(主芯级直径5米左右,光杆火箭的GTO运力就接近10吨)”的设想,但最终却没有立项研制。而中国921载人火箭也可以视为“大型天顶火箭”的一种外国演化型号。只是俄罗斯人现在没有现成的5米直径主芯级火箭生产设施(而中国却有),因此俄罗斯人也就只能基于目前俄罗斯最大直径(4点2米)的质子火箭的主芯级箭体来研制“大型天顶火箭”。

同样,美国在主芯级直径达5米的火神火箭上马研制之前,洛马公司早期也明确提出了“宇宙神5火箭末来演进计划”。第一阶段就是要使用2台RD180煤油发动机并联研制主芯级直径达5点4米的“重型宇宙神5火箭”,捆绑上4枚直径达3点8米(使用单台RD180发动机研制)的RD180煤油助推器之后,其LEO运力就可提升到60吨以上。

事实上在太空探索公司的猎鹰9火箭研制成功之前,原苏联与美国就有不少机构与公司提出要研制主芯级直径达5米以上的煤油发动机主芯级重型火箭,但由于那时候中间运力型火箭(LEO运力35吨至80吨的重型火箭)发展概念还不吃香,最后通通都无疾而终。

如在冷战晚期(二十世纪八十年代),美国就有一间公司提出了要使用2台F1巨型煤油发动机并联研制一款主芯级直径达6米以上的重型火箭,其光杆构型的起飞推力就达1300吨以上(中国921载人火箭的光杆构型起飞推力为840吨),GTO运力(三级版本)也达11吨以上。但最后也由于种种原因没有了下文。

结果阴差阳错,历史就让马斯克先生的猎鹰9H火箭意外夺得了人类历史上第一款实用型中间运力型火箭的美名。

坦率而言,俄罗斯的联盟5火箭(主芯级直径4点2米)、美国ULA公司的火神火箭(主芯级直径5米)与中国的921载人火箭(主芯级直径5米)都是基于相同历史发展概念而研制的产物,即都能够通过捆绑助推器(包括CBC助推模块)的方式轻易演化出LEO运力达60、70吨,LTO运力达15、20吨的中间运力型火箭来。

加之今天通过NRHO月球空间站进行“集合与中转”的方式来实施载人登月工程概念的提出与全面扩散。结果这种直径为5米左右的烃类燃料主芯级火箭研制方案也开始在全球迅速流行起来。乃至欧洲空间局提出的“阿里安7”运载火箭研制设想也决定走上这一条技术演进发展路径。

未来阿里安7火箭的主芯级(直径也为5米区间)就计划要使用7台推力为100吨级的甲烷发动机来并联来研制,光杆构型的起飞推力就达700吨。起飞级如果使用3个CBC模块,合计起飞推力就为2100吨,LTO运力也能够“堆”到16、17吨的区间。

因此,末来人类除了目前的猎鹰9H火箭,还有下面一系列基于相同的CBC构型概念而研制的中间运力型火箭会相继诞生出现。

1,美国。

ULA公司的火神火箭,主芯级直径5米,光杆主芯级起飞推力500吨,3个CBC模块的构型合计起飞推力1500吨。LTO运力为13吨左右。

2,中国。

921载人火箭,主芯级直径5米,光杆主芯级起飞推力840吨,3个CBC模块的构型合计起飞推力2520吨,LTO运力25吨左右。

3,俄罗斯。

联盟5火箭,主芯级直径4点2米,光杆主芯级起飞推力800吨,3个CBC模块的构型合计起飞推力2400吨,LTO运力13吨左右(不使用氢氧发动机上面级版本)。

4,欧洲。

阿里安7火箭,主芯级直径5点4米左右,光杆主芯级起飞推力700吨,3个CBC模块的构型合计起飞推力2100吨,LTO运力16吨左右。

其实,现在内心最纠结的国家恰恰好是日本,他们现在还在研制之中的LE9氢氧发动机明显是点错了科技树(岛国工业企业特有的“加拉帕弋斯进化综合症”再次在日本航天企业上出现)。而欧洲人现在尽管也研制了阿里安6火箭(这一款火箭实际上就是低成本版的阿里安五号火箭),但主芯级发动机却还是使用阿里安五火箭原来的火神2氢氧发动机,并且在研制下一代阿里安7火箭时主动选择了烃类燃料的甲烷发动机方案。因此,在中间运力型火箭呈爆炸性大发展的NRHO月球空间站时代,日本政府突然间发现自己的火箭发展思路却己经完全掉队与过时。

坦率而言,到底采取那一条技术演进路径来研制自己LTO运力达12至20吨区间的中间运力型火箭,己经成为未来20年里JAXA的头号决策课题。

注意,上文说的是“火神火箭与未来的阿里安7火箭都有搞CBC构型的潜力”,但是否会真正上马研制,现在谁也无法保证。

而且根据美国德尔塔4H火箭的表现,日本的H3火箭要搞CBC构型也可以,但价格就末必通解便宜。与之相反,使用烃类燃料的火箭搞CBC构型的确可以大规模降低重型火箭的研制成本。美国太空探索公司的猎鹰9H火箭就是最佳的成功例子(那怕不能够重复使用也依旧如此)。

因此,ULA公司末来到底研制不研制使用3个CBC模块的重型版火神火箭,只取决于美国政府未来是否会让商业载人飞船来取代昂贵的猎户座载人飞船来执行NRHO月球空间站的人员运输业务。如果NASA末来也决定向波音公司的星际线飞船与太空探索公司的龙式飞船“转移分包”NRHO月球空间站的人员运输业务。ULA公司自然就有足够的动力去研制CBC构型的重型版火神火箭。

同样,末来猎户座飞船也存在“国有民营”的可能,即NASA由于预算投资缩减的压力,将来也可以让ULA公司使用5个CBC模块(起飞推力合计2500吨)组合来研制一款LTO运力达25吨以上的重型版火神火箭,用于取代SLS火箭来执行猎户座载人飞船的发射任务。考虑到目前光杆版火神火箭的市场价格只有1亿美元每枚的水平,未来使用3个CBC模块的重型火神火箭的市场价格最多就为3亿美元(己经要比德尔塔4H火箭3点7亿美元的单价便宜很多了),使用5个CBC模块的重型火神火箭的市场价格最多就为5亿美元(己经要比SLS火箭8亿美元的单价低得多了)的现实。如果未来美国政府预算面临缩减的巨大压力之时(如下一轮经济危机来临),在空间领域SLS火箭无疑是最先受到停产压力的头号航天项目(由其是一旦太空探索公司的BFR巨型可重复使用火箭研制成功之后就更是如此)。

同样,那怕在SLS火箭停产之后,如果美国政府末来决心要保住洛克达因公司的RS25氢氧发动机生产线不倒闭,也还可以投资20、30亿美元让洛克达因公司基于RS25氢氧发动机的平台,再转而研制出一款真空推力高达250吨以上的上面级火箭专用巨型氢氧发动机来就了事。

有推力高达250吨的巨型RS25上面级氢氧发动机在手,未来200年时间里美国政府那怕要研制出能够实施载人登陆木卫二的超级火箭(LEO运力达1000吨以上)都完全足够了

无论是中国的YF77、美国的RS25、日本的LE9、俄罗斯的RD0120还是欧洲的火神2氢氧发动机,用于研制巨型低温上面级火箭的高性能专用发动机才是未来唯一可行的长久出路。因此,人类氢氧发动机只能够全面退守上面级火箭使用领域的命运已成定局。

陈天(高凉陈君)

2019/2/26

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