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[原创]安加拉火箭总体规划先天不足严重制约俄罗斯载人登月工程的实施

安加拉火箭总体规划先天不足严重制约俄罗斯载人登月工程的实施

目前研究了俄罗斯计划采用四发安加拉五火箭对接的载人登月方案,高凉陈君再一次为俄罗斯当年规划安加拉火箭的失误倍感惋惜。

第一节,一款大型火箭上马研制极为不容易必须打足50年的“提前量”。

就全球范围而言,无论美国,俄罗斯,还是欧洲与中国,一款大型火箭的研制资金投入起码要几十亿美元,如果同时还要研制新的火箭发动机,投入更要高达100亿美元以上(目前的美元汇率)。因此正常经济状况下一个大国每隔三四十年才有能力研发一款大型全新火箭(阿里安6火箭不是全新研制的,因为火神2发动机还是沿用阿里安5火箭的发动机,但研制总预算也要40亿美元),如欧洲与中国;但如果经济状况不佳,象俄罗斯那样,一款质子大型火箭“缝缝补补”,持续用上50多年也是没有办法的事。

俄罗斯安加拉火箭在总体规划时就存在重大失误,大大低估了未来俄罗斯经济可能面临的困难,“任性而为”,结果居然基于最低推力的RD191煤油发动机来研制安加拉火箭的主芯级;而且在芯级构形选择上也依旧“剑走偏锋”,仅仅采用一台RD191发动机来研制主芯级,芯级直径也只有2点9米。这极大地限制了安加拉火箭未来运载能力的提升。

安加拉采用200吨推力的RD191发动机研制2点9米直径主芯级的本意就是要“通吃”LEO2,3吨的小型载荷的发射市场。问题是俄罗斯现实中就并不缺少LEO2,3吨运载能力的小型火箭,象安加拉这种初始核心研制目标就是仅仅为了取代质子有毒燃料大型火箭的新型火箭研制计划,俄罗斯中央政府根本就不应该“迁就”赫鲁尼切夫航天中心的“全面市场垄断野心”。

即安加拉火箭的研制构想必须“就大不就小”,从一开始就必须基于大型的800吨推力的RD170(或者至少是400吨推力的RD180)发动机来研制主芯级,这样未来俄罗斯安加拉火箭的推力“可扩展性”就要比今天基于只有200吨推力的RD191发动机平台的构形要好太多了。

我们可以对比下以下的运力梯度模型,就可以知道如果当年俄罗斯基于RD170发动机来研制安加拉火箭的主芯级,今天俄罗斯人要重新上马实施载人登月工程是多么的容易与水到渠成。

RD170版本的安加拉火箭,主芯级直径5米(即大型版天顶火箭):

光棍芯级版本:

1*800=800吨起飞推力,LEO运力18吨左右,GTO运力8吨左右。

CBC构形版本:

1*800+2*800(2助推器)=2400吨起飞推力,LEO运力50吨左右,GTO运力25吨左右。

1*800+4*800(4助推器)=4000吨起飞推力,LEO运力85吨左右,GTO运力45吨左右。

一旦如此,拥有如此强大的现成运载火箭,今天的俄罗斯中央政府要搞载人登月工程,还不是手到擒来?!

事实上世界大国研制大型火箭就象农村一般人家建造楼房一样,一般农村人家一辈子是没有能力建造多少次楼房的,两三次就已经算顶天了。而世界大国研制大型火箭也一样,除了美国这个“高帅富”可以平均每二十年研制一款大型火箭(甚至一次就研制两款,如EELV火箭)外,其它的欧洲,俄罗斯与中国,能够每隔三四十年上马研制一款大型火箭已经算是非常幸福的事情了。因此这些世界大国在规划研制大型火箭时就必须事前打好足够的“提前量”,要知道自己的“能力斤两”,不想幻想学习美国“高帅富”的样子任性而为,随心所欲,必须脚踏实地,做好一款大型火箭足够用上“五十年”的心理准备。

如果俄罗斯中央政府有这样的“自知之明”,当年就断然不会选择“劣中之劣”的基于200吨推力的RD191发动机的现在版本安加拉火箭方案了。那怕基于400吨推力的RD180发动机平台来研制一款“俄罗斯版宇宙神5”火箭,结果也要比今天好得多。

基于RD180发动机研制安加拉火箭方案,直径3点9米,即直接采用天顶火箭的箭体:

光棍芯级版本:

1*400=400吨起飞推力,LEO运力9吨左右,GTO运力4吨左右(因为俄罗斯没有强大的“半人马座”低温上面级火箭)。

CBC版本:

1*400+2*400(2助推器)=1200吨起飞推力,LEO运力29吨左右,GTO运力12吨左右;

1*400+4*400(4助推器)=2000吨起飞推力,LEO运力50吨左右,GTO运力23吨左右;

很显然,如果安加拉火箭当年采用了基于RD180发动机的方案,今天的俄罗斯中央政府要上马搞载人重返月球工程,也是能够“有所作为”的,毕竟LEO运力50吨的中间运力型火箭已经能够在月球载人飞行上玩出很多的“花样”了。而目前版本的安加拉火箭,其最大型号的安加拉5火箭的LEO运力才不过28吨而已,因此在规划俄罗斯的载人月球飞行时,无论什么样“绞尽脑汁”,始终“心有余而力不足”,感觉“极其勉强”。

这不得不说是俄罗斯人的一大悲哀。

第二节,不是“高帅富”就不要幻想着“牛(兰博坚尼)”,马(法拉利),鞋(保时捷)”轮换着开。

纵观俄罗斯安加拉火箭规划流程所存在的重大失误,核心原因就是俄罗斯中央政府彻底迷失了自身定位,不能认识到自己经济已经极度衰弱的现实处境。以为自己还是曾经的苏联帝国“高帅富”,还能够象往日那样“牛,马,鞋”轮换着开。“一不高兴”就能够立即推倒重来,结果却被现实狠狠地抽了一耳光。

安加拉火箭研制工程结束后,俄罗斯国家新重型火箭研制方案一个接一个地出台,结果又一个接一个地走向破灭。从“安加拉100”到“罗斯”火箭,诸如此类的设想最后全都没有了下文。

没有钱,一切都注定是浮云;而一款土星五级别的重型火箭整个研制周期,投资100亿美元都算是少的。

结果今天俄罗斯人想搞载人重返月球,“转来转去”,最后还是不得不回到安加拉5火箭的既有火箭平台上面来。

问题是由于安加拉5火箭运力先天不足,目前只有区区的LEO运力28吨,未来无论什么改进,能够上升到LEO运力40吨就已经算顶天了。而LEO运力40吨,玩玩载人环月飞行尚可,但要想发射月面着陆飞船可就极其勉强了。

可是当前的俄罗斯中央政府又没有钱投入研制新重型火箭,因此在可以预见的未来(20年内),人类这一轮载人重返登陆月球注定是没有俄罗斯人什么事了。100亿美元对于美国人而言不过是“毛毛雨”而已,但对于今天的俄罗斯人而言却注定是一座无法翻越的大山。

第三节,安加拉火箭“一失足成千古恨”,火箭运力规划重于泰山。

就象前苏联的设计师切洛梅没法想到其设计的质子火箭能够一直使用五十多年一样,大型火箭由于研制投资很大,除非有特定的任务目标要求(如载人登月),一般国家都是不会轻易随便上马的,“缝缝补补又三年”基本就是当前大型火箭的使用“常态”。就拿美国人的EELV火箭来说,如果不是受政治因素冲击,使用俄罗斯RD180发动机的宇宙神5火箭必然还会持续使用上20多年,原因就是研制新大型火箭需要巨大的资金投资,加上年发射量又很少(阿里安五,宇宙神5,德尔塔4火箭每年发射量都不足10枚),相关宇航企业“随便”上马新大型火箭研制项目亏本的风险极大,根本就没有研制的足够经济推动力。也乐于“缝缝补补又三年”,得过且过了事。

因此世界大国中央政府在规划设计大型火箭的研制工程时,就必须主动做足“使用50年”的长远考虑,不能“任性而为”,毕竟研制大型火箭是真正的“国家大事”而不是儿戏。

但俄罗斯政府在规划研制安加拉火箭时偏偏就在此一方面上出现重大失误,没能够预见到未来实施载人登月工程的长远需求。结果选择了推力最差的RD191发动机来构建安加拉火箭的动力平台。而更致命的错误还在于主芯级直径大小的选择上,安加拉火箭2点9米的芯级直径是全球新一代火箭中最小的,这极大地限制了安加拉火箭未来运力的“可扩展余地”。那怕当年俄罗斯直接选择使用天顶火箭的3点9米芯级直径,也绝对比今天的2点9米直径要好太多。生产运载火箭与生产轿车一样,日后加长容易但要加宽可就要难得多了。

因此俄罗斯中央政府当年在规划审查安加拉火箭构形方案时最重大的失误就是没有能预见到俄罗斯日后会经济全面衰落,会“没钱”。还以为未来俄罗斯国家要搞载人登月之类大空间工程时依旧会同时立项上马研制一款新巨型火箭,因此认为安加拉火箭能够做好“通杀”LEO2吨至25吨运力区间的发射任务就可以了。最后却铸成历史大错,结果旧的安加拉火箭无力大幅度扩展运力区间,新的巨型火箭也没有钱研制,只能眼白白地看着今天美国载人进入深空与载人重返月球,而俄罗斯人却无力再同步跟进了。

总结,俄罗斯安加拉火箭研制规划失误对中国人未来研制长九火箭的启示。

不是高帅富就不要想着“牛,马,鞋”跑车轮换着开。未来中国研制长九火箭时必须打好足够的提前量,即必须考虑好有足够的运力扩展性与运营经济性。由于重型火箭三四十年才能等到一次立项上马研制的机会,因此一决定研制就必须考虑持续使用上至少50年时间。

高凉陈君反复研究总结俄罗斯人研制安加拉火箭的失误教训,认为未来中国研制长九火箭时必须回避的陷阱有下面几点。

一,必须将运营经济性放于首要位置。

目前版本安加拉火箭的最重大问题就是运营经济性不佳。原本基于RD191发动机研制2点9米直径主芯级的目标就是要“通吃”LEO2,3吨的近地轨道载荷发射市场。那知今天这一市场远远没有想象中的大,而且联盟,猎鹰9与维加火箭采用“一箭多星”的方式也完全能够覆盖掉这一市场,但发射的报价却更低,因为联盟火箭更为成熟。

但在“时敏性”更强,收益更丰厚的GTO运力5至7吨左右的“单星”商业通讯卫星发射区间,安加拉火箭却没有对应的运力型号,安加拉3火箭不知为何不研制生产了。

事实上安加拉火箭当年(1990至1997年之间)在规划研制时市场调查就做得很失败,其核心关注的方向是LEO运力2,3吨的“非主流政府载荷市场”而不是GTO运力3,4吨的“主流商业通讯卫星发射市场”。以至结果选择了推力只有200吨级的RD191来研制主芯级(无论从那一个角度而言,采用单台400吨推力的RD180来研制安加拉火箭主芯级都要比RD191更为合适当年与今天的俄罗斯),造成了日后向上运力扩展余地的“先天不足”。

因此未来中国在规划研制长九火箭时必须首先将商业运营核心目标区间选择好,即长九火箭也必须参与主流商业通讯卫星市场的发射竞争,并将长九火箭主芯级直径定位于至少7米以上,而单台煤油发动机推力定位于至少300吨以上。

即长九火箭主芯级4台300吨煤油发动机并联,合计起飞推力1200吨以上,再配上煤油第二级与远征常温上面级,尽管运载系数惨不忍睹,但胜在商业价格便宜,GTO运载能力也有11吨左右,单星可以发射8,9吨级的重型通讯卫星,“一箭双星”则可以同时发射2枚4,5吨级的商业通讯卫星。

一句话,未来长九火箭首先想法子长久“活得下来”再说。至于小型LEO任务的发射市场则完全抛弃掉,任由长7与长6去瓜分了事。未来长九火箭的初始基本型号从一开始规划就必须定位于专注大型GTO任务载荷的发射。

二,必须高度关注运力区间的可扩展性。

安加拉火箭最大的失败就是运力扩展余地太小,而长九火箭从一开始规划时就必须同时想到日后要承担实施中国载人登月工程的可能性。因此一开始就选择主芯级直径至少7米(或者以上)的方案,这样日后走CBC构形方案,3个CBC模块就可以轻易“拼凑”出起飞推力达3600吨,LEO运力达80吨的重型火箭来。如此中国人未来要“玩玩”载人登月工程也能够得心应手,信心十足了。

三,切莫落入“发动机党”的钓鱼陷阱。

安加拉火箭构形之所以沦落为今天的这般“熊样”,与俄罗斯航天业的“发动党”干扰影响极大。为了多上马研制一款RD191发动机以至最后“搞残”一款本来前途大好的新火箭,这一教训极其深刻。

人类的化学能火箭发动机技术已经注定搞不出什么新“花样”了。象拥有RD180与RD170巨型煤油发动机的俄罗斯,在未来100年内不研制大型新火箭发动机也没有任何问题了。

中国也一样如此,未来要“经济地”搞载人登月工程,再研制一款300至400吨级的新煤油发动机就可以了,至于要搞大型低温上面级火箭,就拿YF77氢氧发动机改进下就了事。由其在国家经济下行周期中,要及时上马载人登月工程,必须本着“节约当头”的思想来进行方案的规划设计与论证,否则中国的载人登月工程要立项上马还不知要拖到牛年马月。

就象今天的俄罗斯那样,要搞载人登月工程能够依赖的火箭平台就只有安加拉五火箭了,如果当初在规划研制安加拉火箭时就预留充足的“运力扩展余地”,那么今天俄罗斯人要拿出载人登月级火箭就可以立即水到渠成了。

只可惜历史没有如果,最后就只能让俄罗斯人在这一波全球载人登月浪潮中再次被远远抛下一边了。而这一悲剧今天的中国人必须高度重视之。

陈天(高凉陈君)

2015-9-3

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