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从特斯拉的猎鹰重型到俄罗斯的RD-180、中国的长征九号…… 新一轮大国航天竞赛开始了吗?

战略前沿技术2019-04-20 06:52:52

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本文转载自机工情报(ID:jg-info)

作者:机工智库研究员  金颖奇


近期,全球航天领域颇不宁静。2017年11月,据俄罗斯《消息报》称,俄联邦杜马批准了中俄在火箭和太空探索领域保护技术的协议,准备向中国供应RD-180火箭发动机;2月7日,美国spaceX公司的“猎鹰重型”火箭带着特斯拉跑车首发成功;紧接着,我国的运载火箭设计总师龙乐豪院士表示,长征九号目前只等正式立项,设计近地载荷是140吨,远超猎鹰和美国在研的SLS(最大130吨)。并且,以中国现有技术,立项后完全可以在10年之内研制成功。新时期的大国航天之战是要拉开序幕了吗?


猎鹰重型无法代表美国航天领域的真实实力


最近的SpaceX的猎鹰重型圈粉无数。首先,它必有可取之处,不然怎么能成功发射呢。但是,真的有媒体鼓吹的那么好吗?

先看看所谓的重型。媒体报道,猎鹰重型是自1967-1973年服役的美国土星五号(Saturn 5)以来(近地轨道运力高达140吨)最强的重型火箭。但龙乐豪院士表示,这台火箭算不上重火,因为近地轨道的有效载荷是63.8吨,不足100吨。

其次,再来看看其核心部件——发动机。运载火箭与飞机汽车一样,发动机是它的核心技术。猎鹰重型的发动机并不是新研发的,而是使用了推力不足100吨的梅林-1D”液氧煤油发动机。但其特别之处在于,猎鹰重型是三支猎鹰9(拥有9个发动机的一级火箭)捆绑在一起。所以猎鹰重型的第一级就有3x9=27发动机。吸取苏联N1火箭的教训,航天界有一个不成文的规则:火箭第一级加助推级的发动机总数不能太多,最好不超过10台。以中国长征系列火箭为例,长征2E/F、长征3B都是8台发动机,而长征5号则是10台,逼近安全上限了。目前世界各国研制的各型火箭大致都遵守这个潜规则,只有SpaceX的猎鹰重型火箭反其道而行之。此外,梱绑大量发动机也存在使火箭效率降低等问题。


马斯克自己也表示,“火箭发动机是目前SpaceX所面临的最大短板。”为了把更重的载荷送到更高更远的地方,火箭不仅需要最好的发动机,而且一枚多级火箭需要不同类型的发动机。要重起炉灶设计制造一枚新的超重型火箭本非易事,所以只能使用现成的梅林1D。从下表中可以看出,该款发动机在很多指标上其实并不尽如人意。

第三,看看所谓的民营企业。很多媒体都为一家民营企业能有此壮举而惊叹。但这种行为更像是美国军民融合的产物。航天工程在各国都是举国体制,技术外行很难理解技术的庞杂和繁冗。一家民营企业在毫无积累的情况下就能成功发射火箭,好像不太现实。所以,此次的发射应该是军民双方各取所需。SpaceX借机宣传了自己的公司,可以得到更多投资(据说猎鹰重型上天的好消息不久,特斯拉的年报就出来了,亏了不少);NASA可以将技术向企业转移,挣些外快同时降低自身成本。


以美国在航天领域的积淀,绝不是一个猎鹰重型可以代表的。但猎鹰重型无论从成本、回收利用还是运营模式,都是一种全新的体验,值得学习借鉴。


俄罗斯的RD-180又双叒叕打算卖给中国了


RD-180火箭发动机是20世纪90年代俄罗斯专门为出口美国,与洛克希德-马丁公司在RD-170火箭发动机基础上开发研制。惠普拥有其50%的知识产权。虽然RD-180的火箭发动机技术已有40年之久,但它仍为世界上性能最佳的发动机之一,服务记录近乎完美。


美国多年来一直从俄罗斯采购RD-180火箭发动机装备在阿特拉斯运载火箭上从事商业卫星,以及五角大楼的军用卫星发射。根据美国《华尔街日报》消息,美国在2025年之前不得不继续使用俄罗斯RD-180火箭发动机来发射本国火箭。尽管华盛顿想尽快放弃向俄购买火箭发动机,但研制和准备使用国产发动机需要的时间比预期更长。


俄罗斯也因为美国多年来不停购买这种发动机感到自豪。因为这是石油和天然气之外,俄罗斯目前可以拿得出手,甚至能打入美国市场的为数不多的尖端高科技产品。俄罗斯并不担心RD-180技术被美国学会,毕竟美国也有同级别的产品,只不过买俄罗斯现成的更便宜。美俄还签署导弹及其技术控制制度协约,就像一个小圈子,没有达到同等技术的国家无法被一视同仁。

就是这款发动机,俄罗斯已经计划卖给中国多次了,可每次都是无疾而终。


2015年10月:俄罗斯方面宣称:中国购RD180发动机必须接受俄方条件,别无选择。


2016年4月,俄罗斯变卦:不向中国出口运载火箭发动机。


2016年6月:俄罗斯将售华RD180发动机,以解中国的迫切需要。


2016年8月,中国500吨级重型液氧煤油发动机首次涡轮泵测试取得圆满成功。


2017年11月,俄罗斯准备向中国供应RD-180火箭发动机,但并未打算向中国方面转交RD-180火箭发动机技术。


……


多年来,我国都对俄罗斯大推力RD-180火箭发动机感兴趣,但俄方一直拒绝出售。直至乌克兰危机后,俄美闹僵,俄方才答应出售。然而在2016年4月,俄方又突然以中国不是“导弹及其技术控制制度”(MissileTechnology Control Regime-MTCR)成员国为由,宣布拒绝对我国出口RD-180火箭发动机。难道俄方到2016年才知道我国不是MTCR成员的吗?同时,MTCR是一种控制规则,而不是共同禁止,成员方可自行审批,即“由各成员方政府自行判断有关转让是否会被用于运载大规模杀伤性武器,并据此决定是否批准某一项出口”。俄罗斯如果真想出口,完全可以“自行判断”,中国进口RD-180仅仅用于载人航天和深空探测等和平项目,而不是作为弹道导弹动力,不属于“运载大规模杀伤性武器”。因此,这种拒售理由,完全是无稽之谈。

火箭发动机是比较难做逆向工程的,除了设计层面外,其对于材料制备、精密制造、处理工艺等技术层面的要求也非常高,而这些层面也并非逆向工程可以实现迅速提升。害怕中国的“逆向工程”是其他国家不愿向中国出售火箭发动机的主要原因。


而当中国重型火箭发动机研制获得突破的时候,俄罗斯却表示愿意向中国出口RD-180发动机。每当中国的某高科技产品自主研制取得突破后,原来不愿意卖给中国的就会“找上门来”表示愿意出售了,原来价格恨不得高到天上的,现在也愿意降价了……


国之重器只能靠自己!必须靠自己!


19世纪60年代,美国研制成功的F1液氧煤油发动机推力达690吨(用于迄今最大的运载火箭“土星5号”);1988年,俄罗斯研制成功了高压补燃液氧—煤油发动机RD170,真空推力达806吨;直到1990年,中国才从前苏联引进了2台RD-120高压补燃液氧煤油发动机进行原理研究。型号发动机YF-100通过国家正式立项进入工程研制,已经是2000年的事。2015年,装备长征六号首飞的YF-100,其海平面和真空推力差不多是RD-180的1/3。RD-180是名副其实的重型液体火箭发动机,而YF-100还不在这个级别上。

目前,中国正处于航天发射的密集阶段,预计在2020年之后,中国将打造自己的空间站,以及未来的探月工程和火星探测工程等,这均需要大推力的火箭发动机。因此一款性能成熟稳定的火箭发动机对于中国运载火箭和航天发射来说至关重要。中国有意购买国外产品和技术,但国外害怕中国科技发展壮大,担心中国的“逆向工程”能力,或明确表示对中国禁售,或支吾犹豫,多次“毁约”……中国要发展,只能靠自己,且必须靠自己!自主研发迫在眉睫!


中国航天科技集团公司一院总体部主任设计师秦旭东表示,我国重型火箭先期关键技术攻关、方案深化论证工作于2016年6月正式批复立项,主要的攻关内容为“一总三大”:一总即重型火箭的总体技术和方案优化;三大即10米级大直径箭体结构的设计、制造和试验,480吨大推力的液氧煤油发动机,220吨大推力的氢氧发动机。


目前,上述两种大推力发动机攻关进展顺利。480吨级液氧煤油发动机已经完成了首次发生器-涡轮泵联试,试验达到了预期目的,通过试验验证了发动机系统和组件方案的可行性,标志着480吨液氧煤油发动机研制关键技术攻关取得突破性进展。而220吨级高性能氢氧发动机也已完成了多个组件方案详细设计,进行了组件的研制试验工作。


届时,这两款发动机将用于近地轨道运载能力超过100吨的长征九号重型运载火箭,预计2030年首飞。这才是中国真正可以和RD-180、美国F1媲美的重型液体火箭。


长征九号重型火箭推力为3000吨,近地轨道运载能力可以达到140吨,地月转接轨道运载能力至少50吨,高于美国土星5号运载火箭运力,这样的运载能力完全可以进行载人登月,甚至多根火箭共同发射以后,可以执行火星登陆计划,因此长征九号将可能被用于中国的载人登月任务。

 

小结


我国的航天领域相比于其他高精尖领域,是与美国差距最小的领域。这一点,连好莱坞的编剧都知道。在电影《2012》里面,中国造的诺亚方舟救了美国人;《地心引力》里面中国的空间站拯救了美国人;《火星救援》里面,中国的火箭救了美国人。


如果能买到国外的最先进设备,中国当然愿意购买!毕竟站在巨人的肩膀上能站得高、望得远……但中国在登高望远的同时,绝不能放弃“埋头苦干”,自主研发中国自己的重型火箭!加油,中国航天!

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