我国载人登月火箭设想

我国载人登月火箭设想

我国载人登月火箭设想

我国载人登月火箭设想

不错。

中国运载火箭技术研究院党委书记梁小虹五日在此间披露，承担神舟八号飞船等中国载人航天工程二期发射任务的“长征二号F”改进型运载火箭、中国新一代运载火箭“长征五号”等，目前研制进展都“非常顺利”，同时，重型和巨型运载火箭的研制也均列入到该院发展规划之中。
这位权威航天专家指出，随着宇航事业的不断发展和开展深空探测的运载需求，中国未来也要研制起飞推力超过一千吨的重型运载火箭，以及起飞推力更大的巨型运载火箭，目前，重型、巨型火箭已列入中国运载火箭技术发展路线图。

中国运载火箭技术研究院党委书记兼副院长梁小虹4日透露，目前我国正在论证用于登月的重运载火箭。

重运载火箭指具有三千吨以上推力的火箭，目前的大运载火箭长征五号的推力仅为一千吨。

据介绍，长征五号火箭将具备1吨至25吨的有效载荷送入近地轨道、将2吨至14吨的有效载荷送入地球同步转移轨道的能力。但是，未来的重运载火箭的有效载荷目前还在论证当中，梁小虹说。

“发展重运载火箭是为了适应我们的发展，是未来发展的需要。对于大运载火箭完不成的任务，需要重运载火箭，”他说。

目前，由中国工程院牵头组织，正在对登月进行科学论证，其结论将提交国家做出决定，不过目前仍没有关于登月的时间表，载人航天工程总设计师王永志称。

太专业了，看不懂

美国载人登月火箭土星5号

苏联载人登月火箭N1

巨型火箭发展的浮沉史及其影响  
    巨型火箭是指起飞推力在1500吨级以上,近地球轨道载荷在40吨级以上的火箭.这种火箭的特点就是既可以兼任地球轨道重型载荷的发射任务,也可以执行月球轨道载人飞船的发射任务.到目前为止,人类巨型火箭发展史明显地跨越了三个时期.
        第一阶段,载人登月时期
    毫无疑问,这一时期是巨型火箭发展史上的第一个黄金时期.典型例子就是美国的土星五号与及苏联的N1.这些火箭的共同特点就是起飞推力都在3000吨级以上,而近地球轨道运载能力都在100吨以上.这一时期的巨型火箭之所以必须要制造得如此巨大,最关键的原因就是在阿波罗时代人类空间飞船对接技术还远远没有今天成熟,因此为了实现载人登月的目标无论是美国还是苏联都不由自主地采用了"一站式"载人登月模式,就是利用一枚巨型火箭将整个登月飞船综合体(包括环月轨道飞船与月球着陆飞船)一次性送入太空.这种设计思路是阿波罗计划取得成功的重要因素,两种飞船同时一次性发射,这不仅减少了对接风险,而且在阿波罗13号飞船综合体服务舱发生故障之后登月飞船竞然意外地成了救命的"备份"飞船,并最终将宇航员们成功地安全带回地球.
        但由于这一时期的巨型火箭实在过于庞大,不仅研制困难重重,苏联的N1火箭就最终也没有进行过任何一次成功的全程飞行试验;而且只使研制成功,如美国的土星五号,也非常难以养活,原因就在于运载能力过大,在地球轨道很难经常找到用武之地.最终都不得不彻底放弃.
         第二阶段,航天飞机计划带来的灾难性冲击时期(最低潮)
         由于发射费用昂贵,而且在近地轨道的使用数量也极为有限,美国最终放弃了土星系列火箭.但出于发射政府重型军事载荷(美国天基激光器)的目标,马丁-马丽埃塔公司在二十世纪七十年代提出了发展起飞推力2000吨级,近地轨道载荷达45吨级别的"野蛮人"火箭.这种火箭实际上就是大力神火箭的"四芯"版,因为马丁公司的想法就是要用四台大力神火箭的芯级发动机来制造"野蛮人"火箭的芯级(美国超级版的长征二号捆绑火箭),再根据发射任务的不同而决定固体燃料助推器的大小与使用数量,其近地轨道发射能力低至17吨,最高可达50吨,如果捆绑航天飞机级别的固体燃料助推器甚至可达到80多吨.而同时期苏联的质子火箭也有一种近地轨道发射质量达40吨的型号,其研制的目的也是为了发射重型军事卫星与及大吨位空间站组件.遗憾的是无论是美国还是苏联,这两种近地球轨道达40吨级以上的"小巨型"火箭的发展都受到了来自发展航天飞机项目竞争的沉重压力.由其是美国的"野蛮人"火箭,四台发动机的火箭第一级芯级都造好了,奈何美国空军已经移情航天飞机计划,最终也不得不半途而废;而习惯当跟屁虫的苏联见美国放弃了新巨型火箭计划也同样将质子火箭巨型化计划一刀砍了,也跟着美国的屁股去搞航天飞机!
        时至今日,美国航天界人士一提起马丁公司当年的新巨型火箭计划莫不心情沉重.由其是挑战者航天飞机爆炸,美国政府不得不重拾原来放弃了的大力神火箭作为重型军事卫星的核心发射工具之后.原因就在于马丁公司当年的"野蛮人"火箭在研制技术上并不存在任何阻碍,无论是芯级发动机还是固体燃料助推器都是取自于大力神火箭的现成产品,甚至航天飞机的1000吨巨型固体燃料助推器也可以很好地与其相捆绑(与两台发动机为芯级的大力神火箭相捆绑就很难,因为大力神火箭的长径比已经高达20).一旦马丁公司当年的"野蛮人"火箭研制成功,那么就绝对不会有今天欧洲的阿里安火箭与及俄罗斯的质子火箭在国际商业发射市场如此称王称霸;美国的大力神火箭之所以被后来的阿里安与及质子砍于马下,就是因为美国研制航天飞机之后荒费了一次性运载火箭生产,让欧洲阿里安火箭夺得发展空间,甚至后来居上;而挑战者爆炸之后美国重开大力神火箭生产线不仅费时费力也相当费钱(重开生产线的费用高达30亿美元,这必须计入火箭成本),这使大力神火箭在国际发射市场的竞争相当有限.更严重的后果还在于二十世纪七十年代美国放弃了"野蛮人"火箭之后,人类再想重返月球的愿望一下子立即变得更为遥远与渺茫起来.航天飞机不仅只能限制于近地轨道飞行,而且近地轨道载荷最高也只有30吨,而且货舱的直径也只有4米左右;只使后来重开生产线的大力神火箭近地轨道载荷最高也只能达到21吨,这一切与阿波罗时代的土星火箭相比,实在差得太远.
       事实上二十世纪七十年代美国新巨型火箭流产与缺失所产生的深远影响远远不止阻碍了人类重返月球这么简单,其影响在空间站,重型卫星与及行星际深空探测器诸方面同样明显.
       空间站方面
    如果马丁公司起飞推力2000吨级的新火箭研制成功,那么无论航天飞机研究成功与否,人类空间站的主流方向都会向美国用土星五号火箭发的"粗壮型"天空实验室模式靠拢.今天国际空间站之所以搞得如此结构复杂,舱段众多,就是因为航天飞机与质子火箭的近地轨道运载能力都不强所至;而今天国际空间站之所耗资巨大,就是因为众多纤细零碎的美国舱段必须要重新设计建造而不能继承套用以前天空实验室的设计制造经验以节省经费.但如果美国拥有了起飞推力2000吨级的"小巨型火箭",那么一切都会彻底改变,只要将天空实验室进行下现代化改装,再用"野蛮人"火箭将各舱段发射上近地轨道对接组装即大功告成,既方便简单,又快捷便宜.每一代空间站之间的技术也可以更好地进行继承,更重要的好处还于彻底实现了载人登月飞船舱段与近地空间站舱段的"技术共享,平台共享与建造生产一体化",这将能够使未来人类重返月球在技术上更为容易,在经济上更为低廉.
       重型卫星与深空探测器方面
    由于得益于电子技术与及精密仪器工业的突飞猛进,现代卫星的使用寿命要比早期岁月提高了好几倍甚至几十倍.这在商业通讯卫星方面表现得极为明显,早期通讯卫星的寿命不过三四年,而今天普遍在十五年以上,各种军事侦察卫星也如此.这就带来了一个重大问题,由于卫星仪器使用寿命大幅度延长,这使制造重型长寿命卫星成为可能;而在空间工业成长的早期岁月由于星上仪器质量技术的落后,卫星转发器寿命不过三四年,卫星制造得越大实际上就越浪费,因此早期的商业通讯卫星质量(军事卫星也如此)普遍不大但发射密度却很大.但随着电子技术与及精密仪器工业的进步,卫星仪器设备寿命越来越长,这促进了卫星的大型化,而且不少卫星的设备仪器还没有失效卫星所载用于维持轨道的燃料却已经用完,因此卫星用于轨道维持的星载燃料也越来越多,卫星的体积也越来越大,质量也越来越重.这在低轨道军事侦察卫星方面表现得最为明显,因为低轨道卫星的速度衰减更快,用于日常轨道维持的燃料需求也更大,今天光学'雷达侦察卫星的使用寿命已经主要取决于星载燃料的质量.如美国重达十几吨的锁眼侦察卫星星载燃料的重量就占了总质量的一半以上,只使拥有如此重量的燃料,还是不足以维持卫星整个使用寿命周期的所需,而侦察卫星最昂贵'最具价值的部分又是卫星任务仪器载荷而不是卫星燃料,以至美国政府不得不研究卫星的"太空加油"技术.
          到此为止,巨型火箭的重要性与优越性就表现得淋漓尽致.如果当年美国政府不放弃"野蛮人"火箭,凭借着其低轨道高达40多吨的发射能力,美国政府的军事侦察卫星仅仅靠增加卫星燃料一项就足以使其飞行工作寿命再延长一倍甚至更长时间.能够装载更多的燃料对于深空探测器而言就更为重要与明显.NASA著名的伽俐略木星探测器就是主要因为燃料所剩无几(当然陀螺仪也坏了)而被迫最终放弃的,而今天已经在太空中运行了十年,研制价格高达16亿美元的卡西尼探测器估计也会因为燃料耗尽的原因而被迫最终放弃,这实在太可惜了.如果美国不是因为运载火箭发射能力的限制,卡西尼飞船的燃料质量完全可以由现在的3000多公斤提高到6000多公斤甚至10000公斤,这样如果飞船仪器不出问题就足够卡西尼飞船在土星轨道上持续飞上十多年甚至二十多年;如果觉得没必要飞行那么长时间也可以凭持着维持轨道燃料的充足,尽量降低飞行高度飞掠土星与及其各卫星的表面,以获取更为详细清晰的照片与探测资料.同样道理,巨型火箭对于深空探测器实现太阳系内部的"快速抵达"的目标也非常有帮助.最明显的例子就是NASA的"新地平线"号冥王星探测器,尽管阿特拉斯五型火箭强劲,使探测器到达月球轨道所用的时间缩短到一天,但如果美国在二十世纪七十年代研制成功"野蛮人"火箭,以其2000吨级的起飞推力,再配上扩大版的半人马座上面级火箭,用其发射新地平线号探测器速度完全可以再提高一倍以上,这样完全可以在更短的时间内到达冥王星,之后迅速赶超二十世纪七十年代发射的旅行者探测器从而领先深入更为遥远的宇宙空间.以目前人类的技术,如果拥有起飞推力在2000吨级的巨型火箭,要将几百公斤的探测器加速到每秒60至70公里的速度并不存在困难,这对于人类进行深空探测将具有革命性的意义,因为像旅行者探测器那样用了30多年才飞出太阳系对人类的寿命而言实在还是太慢了,而且如果探测器的速度足够高,燃料足够多,可以采取"表面飞掠"的方式更近距离地对无大气层天体进行近距离探测.如嫦娥一号探测器由于燃料只有1320公斤,为了满足在轨一年的飞行任务不得不在100多公里的轨道高度上进行环月飞行,但如果燃料有3000公斤以上,只使将飞行高度降低到几十公里也可维持同样时间的环月飞行任务;这样只使用同样的CCD相机也将会得到更为清晰详细的照片与探测数据.同样的事件也可以发生于NASA的新地平线深空探测器上,二十世纪七十年代的旅行者探测器以那时的技术就可以实现从海王星南极表面8900公里的高度掠过,而今天的新地平线探测器如果速度足够高甚至可以直接从冥王星表面几十公里的高度高速掠过,如此所获得的数据资料将会比从几千公里的高度掠过将要好得多.
       第三阶段,重返月球巨型火箭复兴时期
    航天飞机计划对各国的巨型火箭计划带来了重大的伤害,而巨型火箭的缺失又严重阻碍伤害了全球空间事业的发展.这种伤害程度随着空间技术的高速发展就越发显现得清晰无误.1986年,美国挑战者号航天飞机爆炸,美国空军就此与航天飞机计划分道扬镳,而欧洲的使神航天飞机计划'日本的希望航天飞机计划与及俄罗斯的暴风雪计划也一个接一个地消声匿迹,而中国在发展载人空间计划时干脆就不考虑航天飞机,这样全球就只有美国的NASA一家在独撑航天飞机的大旗.最终由于哥伦比亚事故,美国总统换个NASA局长上台连航天飞机也一并砍了.平心而论,航天飞机计划对人类空间工业,由其是大型火箭发动机工业的成熟产生了重大的推动作用;但是航天飞机的先天不足也是极为明显.首先,它们是飞不远的产物.由于月球没有大气,火星没有跑道,航天飞机在星际空间飞行方面无能为力.其次,由于航天飞机货舱的体积空间与及近地轨道运载能力是固定的,因此它们面对越来越大'越来越重的卫星与空间探测器载荷的发射力不从心,著名的卡西尼飞船就不采用航天飞机发射,原因就是其雷达天线不是一般的大,飞船整体又很长(有两层楼高),再加上上面级火箭后航天飞机的货舱根本就装不下(但大力神4系列整流罩的长度可达25米甚至更长).第三,航天飞机的发射费用不仅没有比火箭降低多少,挑战者事故之后由于改进与及实行更为严密的飞行检验反提了不少;而火箭则刚好相反,由于空间推进技术日益高度成熟与及重要部件实现模块化'系列化乃到流水线生产,生产成本比阿波罗时代降低不少,可靠性却大为提高.
          当美国空军的EELV计划取得突破性进展之后,NASA航天飞机在近地轨道所具的运载能力优势不复存在,而在载人方面安全与经济性又比不飞船,行将就木只不过是时间问题.随着航天飞机这个重要对手消失,巨型火箭的春天就已降临.NASA的阿瑞斯火箭计划,由其是阿瑞斯五型火箭计划实际上不过是超级版的EELV计划,只不过增多了第一级发动机与及重新设计了上面级而已.其难度远远没有阿波罗时代研制土星五火箭那么大,而且美国还有400吨级高度成熟的俄罗斯RD180液氧煤油发动机可供选择.事实上如果在二十世纪八十年代,美国政府如苏联的能源号那样在航天飞机的助推器与及氢氧发动机的基础上发展出一种巨型火箭,那么人类重返月球的时间恐怕就要提早二十年都不止,只使不重新实行载人登月活动,用这种东西发射采用阿波罗技术的改进型"天空实验室"式空间站也要比今天几乎要重新研制的"纤细"型国际空间站要好太多.原因就在于天空实验室式的空间室能够与载人登月飞船实现主要舱段(如服务舱'指令舱)"共用平台乃至实现共线生产";而现在间际空间站的曙光服务舱是俄罗斯研制的,美国要重返月球到头来还得设计制造全新的载人登月飞船服务舱.仅仅是这个核心舱段就足以拖延美国重返月球时间长达5年以上,而且这个东西有着复杂的动力推进系统,如果美国不是自土星五号火箭之后荒废研制巨型火箭与及空间站这么久,加之其又拥有长时间研制重型低轨道侦察卫星的经验(猎户座飞船的服务舱就是改进于重型侦察卫星的推进舱,但载人登月飞船的服务舱更大更重,阿波罗飞船的服务舱就重达25吨,俄罗斯为国际空间站研制的曙光服务舱也重达20吨;而美国政府侦察卫星总重不过十几吨,推进舱最重不过十吨,而中国神舟飞船的推进舱甚至只有四吨左右),要重新研制载人登月飞船的服务舱与及月面着陆舱(这个东西也有着复杂的推进动力系统)实在是小菜一碟,但现在恐怕就要艰难得多,毕竟手生了很多(俄罗斯一直研制飞船与空间站,经验相当丰富),而且这个东西又是一切飞船与及空间站工程的核心舱段,没有经过充分足够的试验谁也不敢随便进行实际飞行,这也是波音公司当年之所以将这块肥肉转让给俄罗斯的核心根源.
        毫无疑问,由于美国在EELV与及超级版EELV"阿瑞斯"火箭计划方面进展神速,这不仅在全球火箭工业层面更在政治层面上掀起了巨大的波澜.原因就在于NASA的阿瑞斯火箭计划已经不再是阿波罗时代土星五号那种让外界望尘莫及的产物.由其是对于欧洲与日本而言,如果他们也如同美国那样用其现在已经撑握的大型氢氧发动机为芯级,再捆绑上大型固体燃料助推器,欧洲空间局不出十年就可以上研制出137*5+600*2=1885吨甚至137*5+600*4=3085吨级别的巨型火箭来,而日本也可以在十年之内搞出110*5+300*2=1150吨或者110*5+300*4=1750吨级别的巨型火箭来.同样美国的阿瑞斯五火箭之所以将芯级定位于334*5=1670吨级之个空间也是自有深意的;原因就在于这个级别的火箭近地空间的运载能力可达50吨,这为美国将来发展阿波罗时代天空实验室版本与猎户座飞船"共舱段平台'共线生产"的新空间站计划遇留余地空间(当然还有那神密的天基定向能武器),而月球轨道能力也达20多吨,这就使美国有能力直接将20多吨的猎户座飞船送入环月轨道,再在月球上空与来自地球的货运飞船对接之后进行月面登陆;而阿瑞斯一型火箭则主要用于猎户座飞船的近地轨道飞行发射,毕竟在近地轨道用1670吨级的火箭发射猎户座飞船实在有点浪费.而阿瑞斯五型火箭再捆绑上4枚1000吨级的固体燃料助推器其起飞推力将达5670吨级,而捆绑上6枚的话起飞推力将达7670吨级,这可与阿波罗时代NASA同时提出的"新星"巨型运载火箭相差不远,而且在技术上并没有任何阻碍,毕竟今天无论是RS68氢氧发动机还是航天飞机的固体燃料助推器都要比阿波罗时代的土星五号火箭的F1液氧煤油发动机要成熟得多与可靠得多.而俄罗斯,其只要重启能源号火箭计划,巨型火箭的拥有对他们而言实在易如反掌.
    相反,作为人类空间事业五巨头之一的中国,无论长征五号火箭什么改进法,由于发动机推力的限制,其最大起飞推力也只有1000吨左右,近地轨道运载能力勉强达到30吨而月球轨道能力则只有14吨左右;载人环月飞行任务可以承担得起,但载人登陆月面任务没有希望.但就今天的欧洲\日本\俄罗斯与及美国而言,在实施载人登陆月球方面他们不存在巨型火箭方面的任何阻碍,尤其是日本欧洲,航天载人工程对于他们根本就不是不能克服的难题,加之现在空间商业发射市场又一缩再缩,作为全球商业发射领袖的阿里安公司2007年的发射次数甚至不过5次,而日本更只有3次.因此这两者的火箭工业为了寻找新的发射生存空间迟早会鼓动本国政府上马载人航天工程,而本国政府也决不可能任由花费巨资千辛万苦才建立起来的火箭工业就此崩溃饿死,因此也会坚决推进本国的空间载人工程的上马;而一旦突破了载人航天工程,载人登月工程对于欧洲与日本而言就是一片坦途.
       因此,今天的中国在对巨型火箭的研制重要性上一定要有足够的认识与紧迫感,由其是对大型液氧煤油火箭发动机的瓶颈问题,只使现在立即上马研制360吨级别的液氧煤油发动机(我之所以力主中国要研制360吨级别的液氧煤油发动机,主要是出于中国火箭必须面临的铁路隧道瓶颈的考虑,而俄罗斯的RD180煤油发动机的推力就在400吨左右,但其直径却只有3米,用单台这种火箭发动机研制的火箭芯级就不会受到铁路隧道运输瓶颈的限制,非常合适中国众多的内陆发射场使用.因此我认为RD180就是中国未来大型液氧煤油火箭发动机的蓝本),没有十年时间也决没有研制成功的可能(参照现在的120吨级发动机的研制,近十年来国家国力蒸蒸日上,钱可无限透支,人力物力也供应足,可从1997年开始研制到现在还在不停地试车,难度可见也不是一般的大).因此如果现时国家还不上马360吨级液氧煤油发动机,再拖上三五年,八九年,恐怕日后中国1500吨级起飞推力的巨型火型只使到了2025也未必搞得出来.至于要实现真正的载人登月工程,时间就恐怕要到2040年左右了,这在政治上将比较被动.更为重要的后果还会拖累中国大型空间站计划,因为历史将会证明,载人登月飞船与近地球轨道空间站采用"共用舱段平台'共线生产制造"才是成本与技术均最佳化的正确方向.而这一切又万万离不开1500吨起飞推力级别以上的巨型火箭.