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松鼠的空天随笔

 
 
 

日志

 
 

航天事业-梦想与现实  

2010-11-10 21:58:43|  分类: Space |  标签: |举报 |字号 订阅

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       作为爱好者,毫无疑问我是希望看到宏伟的航天投资计划得到规划、批准与实施的,太多太多的宏伟计划出师未捷身先死,实在令我这个后世的围观者泪流满面。不过话说回来,航天投资尤其是载人航天的巨额投资真的有收益么,即使再狂热,对此我也不得不持否定态度。人类航天事业发展的滞后,其实更大程度上不是技术问题而是收益问题。把无尽的金钱射向苍穹,对任何正常国家来说都是不理智的行为。所以,泪流满面大概就是我辈航天爱好者的宿命了。
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 2010年2月10日拍摄的国际空间站
       写这篇文章,主要是三个因素的影响:一个是看到space网站对国际空间站的质疑,还有想写篇东西庆祝下自己生日,再就是生日的时候和黑骑士聊天,谈到一堆NASA早年发指变态的超级火箭计划。航空事业在莱特兄弟的飞行者一号起飞后,很快就飞入寻常百姓家,成为社会生活与工业的一部分,1957年人类发射了第一颗人造卫星随后很快加加林上天,那个时代人类同样是充满激情与梦想的,认为航天工业会重复这一历史,先让我们回顾一下吧:
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AeroJet的M-1氢氧发动机设计指标,对比说就是相同的比冲,10倍于我国YF-77大推力氢氧发动机的推力
       20世纪60年,美苏冷战时期的登月竞赛:Saturn5 VS N1广为人知,但是背后还有不少的故事。美国发展登月火箭上,进行了大量论证,不仅计划发展Saturn V,1959~1962年还纸面上做了恐怖的Nova火箭,初始设计中Nova第一级4台F-1发动机,不过随后第一级的F-1数量急剧增加达到8台(Saturn V是5台F-1),Nova C8设计的第一级为8台F-1,第二级8台J-2,第三级1台J-2。此后NASA火星计划的Nova系列还有更为恐怖的设计Nova 1B:第一级14台F-1A,LEO增加到300吨,稍大些的Nova 1C则是18台F-1A。看看如下对比图就清楚了:
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 NOVA火箭序列
       在SaturnV和Nova的发展过程中,NASA不仅正式发展了680吨级推力的F-1液氧煤油发动机,还发展了680吨推力的M-1液氢液氧发动机,以及260英寸/6.6米直径推力35391KN/3611吨的固体助推器AJ-260X,不过这还远不够,Nova系列还计划发展Nova MM 14A-1固体助推器,直径7.6米推力63596KN/6489吨,Nova还有推力大致相等的Nova GD-S固体助推器,直径8.3米推力64098KN/6540吨,这些设计在那个时代被认为是理所当然的,这是火星计划的必需品,不过在目光停留近20年航天运载工具的爱好者来说,则是骇人听闻的。
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GD的Nova火箭设计,Nova GD-E使用了Nova GD-S固体助推器,其LEO发射能力达到发指的458吨
毕竟这是一个3600/5000KN固推就可以自称大推力固体助推器,1200KN液体发动机就可以高喊大推力发动机的时代(特指中国),即使国际范围内,主要列强如美国、俄罗斯、欧洲的运载火箭也局限于20吨LEO的运载能力级别,中国和印度更是10吨以内的LEO发射能力。
      
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航天飞机当年的设计指标,居然是1045万美元的单次发射费用,截止1990年研发与数百次发射只需要160亿美元
        如果说20世纪60年代的进展在于强大的运力,那么到70年代重心转移到可复用使用降低成本上来。尽管技术上已经具备研制更大火箭的能力,但是高昂的研制和发射费用让人望而生畏:回顾20世纪60年代开始,美国的阿波罗登月计划实现了载人登月飞行和人类对月球的实地考察,历史11年7个月,耗资253.5亿美元,其中土星系列运载火箭和发动机的研制费为87.94亿美元,土星5号发射及其地面设施研制非为18.1亿美元,两项之和占总研制费得49.7%,比阿波罗飞船言之费用69.39亿美元约高出20%,阿波罗计划的耗资之大,与土星五号运载火箭专门为阿波罗计划言之有关。美国登月后美苏航天竞赛告一段落,NASA预算被大幅度削减,研发人员也大量裁减,美国人民在胜利的狂热后开始普遍质疑代价高昂的航天计划作用几何,美国人发射了Skylab/天空实验室进行了空间站的初步研究,随后进入7年的载人航天空窗期。NASA转向了复用运载工具大幅度降低发射费用的研究,最初计划中航天飞机至少复用100次,可以每周发射一次,发射费用控制在1000万美元,每千克的发射费用降低一个数量级。如果设计中的廉价可复用发射工具成功,那么航天工业将成为有利可图的领域,毫不夸张的说:建设太空城市,把希尔顿酒店建到月球去。那个时代编织的梦想是廉价可复用的运载工具,大型空间站和太空城,月球殖民地。不过预算压缩的代价还是表现出来:NASA被迫在航天飞机和空间站中二选一作为随后一个时期的主要目标,而且NASA无力独自进行航天飞机的开发不得不和USAF联手,他们的需求实际上是冲突的,为此的折中令工程师们费劲了心思,而且埋下来安全性不佳的祸根。1981年航天飞机首次发射,美国甚至停止了一次性火箭(Expendable Launch Vehicle)的开发,使用航天飞机执行航天发射任务。不过现实是残酷的,发射费用没有显著下降,发射频率也很低,更出现了挑战者号的事故,此后USAF分道扬镳开发Titan IV火箭进行发射,到90年代更是投资推进了EELV(Evolved Expendable Launch Vehicle)的研制。毫无疑问,航天飞机为代表的可复用发射工具廉价的梦想破灭了。
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NASP从未进入太空,它的原型验证机X30摆在地上,无声的述说一代人的失败
       80年代开始的潮流是空天飞机,水平起飞水平降落。德国人推出超燃冲压发动机加速到6马赫左右火箭发动机接替直至入轨的Sanger II概念,美国人巨资开发更为高级的超燃冲压-火箭发动机双模式的X-30 NASP,英国人提出Hotol的概念,日本人也有Hope空天飞机的设想,苏联人在紧追美国推出Energia-Buran之后,也进行了空天飞机的概念研究。航天飞机虽然没能达到预期目标,但是完成了开发。空天飞机则更为不幸,由于技术障碍,它们集体陨落,试图通过发展空天飞机廉价入轨的梦想自然也就无疾而终了。直至今日,超燃冲压仍然是遥不可及的技术,各国预期的突破时间点,都放到2030年以后了。90年代随着冷战结束,防务和航天预算又一次大举削减。90年代的两个话题是自由号-阿尔法空间站和通信卫星,80年代开始的自由号空间站在俄罗斯加入后终于开始实质性的建设,不过预计费用极为高昂,而实际建设维持费用更超出了大家的预测。空间站的建设也给给航天飞机挽回了些颜面,大型桁架架构只能通过航天飞机携带布设。通信卫星的话题在于大家普遍预测会有一次通信卫星需求的大爆发,需要发射更多的通信卫星,需要更好的运载火箭。这种需求将使航天工业走上依靠商业利润良性发展的轨道,好吧,大家放弃了大跃进的幻想,只求有利可图,发射规模足够大让航天工业独立生存而已。不过很遗憾,当年在ITU抢注轨道频率的各个国家都失望了,这种预测可怜的失败了,航天工业仍然是依靠政府预算存在的吸血鬼。
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2008年测试中的Falcon9火箭,2010年6月首次发射成功
21世纪的新风尚是太空旅游,早在1996年X-Prize设立,美籍伊朗裔企业家安萨里提供了1000万美元的赞助,提出第一个用自制的飞行器将3名乘客送到100公里高度的太空,安全返回地球,并能够在两周内使用同一架飞行器重复上述载人飞行的公司或组织最终获得这笔奖金。X-Prize带动了私人航天的潮流,最终2004年Rutan(鲁坦)的Space Ship One成功完成飞行得到了X-Prize,此后Rutan和英国富豪Richard Branson(理查德·布兰森)合作建立维珍银河公司,开展Space Ship Two的研制,2010年SST进行了首次试飞。更令人感兴趣的是PayPal 创始人之一Elon Musk后来开办的SpaceX公司,SpaceX公司开发了Falcon系列火箭并进行了发射,这是人类历史上首次私人资金而不是政府投资进行的航天发射,尤其是Falcon9火箭的LEO运力甚至高于我国所有的运载火箭,这实在令人汗颜。在空间站领域,Bigelow公司开发了Genesis I /II系列充气式试验舱和BA系列充气式空间段舱室,和波音公司合作准备2014~2015发射正式的空间站。Bigelow公司的BA-330伸缩式充气太空舱可以提供330立方米的增压空间,而质量比常规空间站舱段小得多。Bigelow还在开发更大的BA-2100舱段,BA-2100的增压空间几乎是多国建设十多年的国际空间站的3倍。航空工业的巨头波音也开始介入太空旅游市场,推出了CST-100系列飞船。不过话说回来,技术早已不是问题,盈利才是关键。目前美国的这些小型航天公司,角逐的首要目标仍然是NASA的CCDev(商业载人)和COTS(商业货运)合同,能否在自由市场上赚钱以致成为产业,还是未知数,至少笔者认为在发射技术没有突破的情况下,商业载人航天前景并不乐观。
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 Bigelow和Boeing联合研制的空间站,Bigelow提供充气可伸展式太空舱BA-330,波音提供CST-100飞船
       林林总总写了这么多,其实我的看法并不难猜测。对于后进国家如印度,中国,甚至是技术比较先进的日本和欧洲,技术仍然是航天领域的大难题,但是对于冷战期间疯狂投入技术积累极为深厚的美国和俄罗斯而言,航天发射和空间站等早已不是单纯技术问题,而是预算问题或者说回报问题。我们有太多的梦想,可是航天投入的回报实在太少了,没有国家经得起这种无底洞的投资。对于航天事业来说,如果无法实现独立造血,回报可以支持投资,那么在很长时间里,航天肯定还是一种大国显示自己强大国家实力的舞台,而非有利可图的商场。这也意味着,航天将仍是政府投资垄断的产业,在半死不活中苟延残喘。我的看法也很简单,既然这仅仅是显示软实力的舞台,那么并没有非要大举投入的理由。如果是为了填补自己的技术空白而加大投资尚有可原,但并没有重复建设的必要。所以,在我看来美国人的重返月球是再奢侈不过的劳民伤财行为,国际空间站其实也一样,他们的目标本该是火星或是小行星。对于中国而言,投资开发空间站和登月火箭是必要的,但是务必控制好规模,保持存在即可,防止航天工业成为沉重的财政负担。
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数年前AIAA文件中的太空旅馆,不过这些精致设计的希望都随着NASA转向深空化为泡影
       宏伟的航天规划和巨额的投资符合我个人的白日梦,可惜我知道那并不现实。不过现在的中国,很多人动辄大航天时代,曰我们已经错过了大航海时代,怎能再错过大航天时代云云,实在令人啼笑皆非。大航海时代先驱者葡萄牙和西班牙发展很糟糕。大仲马的“非洲之界,始于比利牛斯”并不是成见,而是赤裸裸的现实。大航海时代真正获利的荷兰和英国人,他们开拓殖民的成就在于成功的商业模式和稳定充裕的利润,实现了正向的滚动循环。而欧洲人真正发展壮大具备压倒性优势,则是拜工业革命所赐。大航天时代的空想,更大的问题在于技术障碍,今天的人类维持3人轮值的国际空间站(以后会增加到6人),耗尽了参与国家的航天预算。这种技术档次,对比航海技术,远远不如远征特洛伊时代的希腊人,即使再向前推进千年,可装载3~6人进行短期航行移民的船只,在文明地带也并不罕见。哦,即使以迈锡尼远征特洛伊算起,到大航海时代也有2500年历史呢,即使如今技术进步速度远超古代,这个大航天时代,也还是太遥远的话题。我们今日发展航天技术,更谈不上为大航天时代打基础,正如我们今日使用的电脑并不是20世纪50年代中国独立发展起来,而是美国PC机浪潮的余波,至少数百年甚至千年后,大航天时代我们航天技术的来源,更大的可能不是本土独立发源的,而是引进外国技术的产物。不过这并不是什么丢人的事情,开创大航海时代的欧洲人,指南针也不是自己的发明。其实比起玄之又玄的大航天时代幻想,我们更应该看到中国在航天工业商业化的落后,而且很讽刺的这恰恰是很多人不愿意面对的体制问题,比如臭名昭著的129号令,比如自己人也哭笑不得的保密条例。技术上一时的落后并不可怕,但是硬性扼杀了一个产业自己造血发展的可能,即使国家再重视投资,最多也只能保证技术差距不被进一步拉大,这就是中国航天现在的形势。如果有一天国家经济停滞或衰退,不得不减少投资,20世纪80~90年代的悲剧肯定又要重演,这令人不得不担忧不已。
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