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佛山梁园平面图:航天大国的困境

时事参阅 发布时间:2018-12-04 阅读:

苏联在冷战时期是数一数二的航天强国。苏联解体后,俄罗斯继承了它的航天遗产,仍然是顶尖的航天强国。然而俄罗斯长期以来对航天工业投资不足,外加技術队伍的老化,现在航天工业疲态尽显。即使是俄罗斯最骄傲的运载火箭领域,现在老火箭即将退役、新火箭举棋不定,航天强国的根基正在动摇。

物美价廉已成往事

在苏联时代,作为大型火箭的“质子”进行了约200次发射,中型火箭“联盟”更是发射了约1200次,造运载火箭真是“造香肠”一般!这两种主力运载火箭的研制成本和试验费用都由苏联政府承担,而得益于苏联时代的大规模生产能力,火箭制造成本也相对低廉。因此在冷战结束后,俄罗斯的这两种运载火箭因为物美价廉,成为国际发射市场上的新宠。

20世纪90年代美国一次性火箭和复用的航天飞机都缺乏商业竞争力。欧洲的阿里安4和阿里安5火箭虽然相当成功,但俄罗斯运载火箭的性价比更高。在美俄友好的国际环境下,双方商业合作也相当顺利,1995年美国洛克希德公司、俄罗斯赫鲁尼切夫中心和能源集团联合成立了国际发射联盟(ILS),使用“质子”和“宇宙神”火箭参与国际商业发射竞争,对抗欧洲的阿里安宇航公司。ILS名义上说是美俄联合,但“宇宙神”火箭价格太高,争夺商业发射合同基本靠“质子”。“质子”虽然最大运力逊色于阿里安5火箭,“而且成功率并不算太高,几乎每10次发射就有1次失败,但因为价格优势大,竞争力还是很突出,拿到了大量订单。商业发射也回馈给俄罗斯航天企业大量利润,度过了青黄不接的艰难岁月。

2013年7月,“质子“火箭在发射导航卫星时失控坠毁,严重影响了这种老火箭的声誉。

“联盟”同样得到了商业发射市场的青睐,尤其是欧洲航天局在阿里安4中型运载火箭退役后,手里只有费尽九牛二虎之力研制出来的阿里安5大型运载火箭。但阿里安5火箭价格昂贵,用于发射中型卫星载荷费效比实在太差。欧洲航天局不得已转向东方,相中了俄罗斯“联盟”。

欧洲的阿里安5火箭日渐成熟,包揽了欧洲政府航天发射合同。

美国太空探索技术公司的崛起几乎夺走了质子火箭的全部国际商业发射合同,“重型猎鹰”的成功更让俄罗斯倍感竞争压力。

欧洲公司不仅付钱给俄罗斯,使用“联盟”发射卫星,阿里安宇航公司还买来“联盟”,在库鲁发射场建立了“联盟”的发射工位,独立运作“联盟”的发射任务。目前卖给阿里安公司的“联盟”,就已经在库鲁发射场进行了18次发射。未来还有“一网”公司下的21次商业发射订单。

但俄罗斯运载火箭商业发射的辉煌即将成为过去,航天专家和爱好者对这一幕都不感到意外。美国有渐进一次性运载火箭(EELV)计划下的宇宙神5和德尔塔4火箭,欧洲航天局有阿里安5火箭,日本有H-ⅡA火箭。中国新一代的长征五号、六号和七号火箭都已经投入使用。而俄罗斯却仍在用几十年前研发的“联盟”和“质子”扛大梁。随着时光的流逝,这两种老火箭的研制成本早已被摊薄到不值一提,但技术落后却导致制造成本不断上升。“联盟”发射报价已经增加到约6000万美元,“质子”就更贵了。老式火箭的成本优势早已时过境迁。

“安加拉”火箭家族有一个美好的发展蓝图,但至今只有A1和A5造出来了。

另一方面,西方火箭的技术革新带来成本降低。美国猎鹰九号火箭凭借技术先进性也做到了更低的成本,几乎抢光了“质子”的商业订单。欧洲航天局新一代的阿里安6号火箭将于2020年发射。它不仅设计上兼顾中型和大型构型,而且大大降低了发射成本。日本正在研制的H-Ⅲ火箭同样显著降低了发射成本,预定2020年左右发射。在西方新一代火箭的挤压下,俄罗斯的老火箭发射价格高、技术水平低、发射成功率低的劣势却日益明显,淡出商业发射市场是必然的结果。

新火箭研制举步维艰

西方、中国以及印度都在研制新一代运载火箭,俄罗斯虽然没有固步自封但却是心有余而力不足。俄罗斯早在20世纪90年代就提出了能源-M、“安加拉”等一系列构想,最终决定研制模块化的“安加拉”运载火箭家族,想一举取代现役全部火箭,包括俄罗斯自行制造的“联盟”和“质子”、与乌克兰合作生产的“天顶”,以及“闪电”和“轰鸣”等小型运载火箭。

◎设计出色的“安加拉”

俄罗斯对“安加拉”火箭寄予厚望,从1992年开始招标,最早计划在2005年首飞。但梦里走了很多路,醒来还是在床上。随着20世纪90年代俄国经济萧条预算紧缺,导致航天工业人员流失和工业基础衰退,严重困扰着“安加拉”火箭的研制。1994年赫鲁尼切夫中心拿到研制合同,但直到1998年才完成基本设计。同年俄罗斯发生金融危机,“安加拉”火箭的研制刚刚开始就被搁置。直到2004年后俄罗斯经济的恢复,“安加拉”才开始加速研制。

2002年左右赫鲁尼切夫中心和韩国航空宇宙研究院合作,为韩国第一种火箭KSLV-1研制提供支持。实际上,KSLV-1火箭第一级几乎就是“安加拉”通用模块URM-1模块的试验品。URM-1使用单发RD-191液氧煤油发动机,可以作为火箭第一级芯级单独使用;也可以再捆绑两枚或四枚URM-1,构成重型火箭的第一级。第二级则使用装RD-0124A液氧煤油发动机的URM-2模块。这样就构成了“安加拉”1、“安加拉”A3和“安加拉”A5三种火箭。俄航天局还打算采用这两种模块构成更加丰富的型号,形成运力覆盖小型到大型火箭的“安加拉”家族。

KSLV火箭名義上属于韩国,实际上是韩国出钱完成了“安加拉”URM-1模块的研制。

“罗斯M”打算采用出口美国的RD-180发动机构建火箭家族,但因为缺钱而下马。

俄韩合作为赫鲁尼切夫中心带来了宝贵的资金。但俄方在“合作”中,不但不向韩国转让任何技术,甚至不允许韩国人观看URM-1的测试、燃料加注等射前准备工作。KSLV-1三射两败,第三次才把卫星送进了轨道。而三次飞行的费用全都是韩国承担的。实际上,韩国充当了“冤大头”和“小白鼠”,俄航天局却对URM-1进行了飞行验证、积累了经验。在此技术上,2004年,“安加拉”火箭完成详细设计并开始制造。

◎黯然下马的“罗斯M”

理论上“安加拉”火箭可以一统天下,取代苏联时代研制的各种火箭。但俄罗斯不仅继承了苏联航天的雄厚基础,也沿袭了山头林立的格局。

2008年俄罗斯航天局宣布“安加拉”火箭研制顺利,首次发射有望在2010年进行,但随后又向能源集团下属的俄进步设计局投资,研制“罗斯M”火箭。该火箭使用RD-180液氧煤油发动机,几乎就是俄罗斯版的宇宙神-5火箭家族。它的运载能力和“安加拉”火箭高度重合,但核心任务是发射载人飞船。财大气粗的美国当时正在同时推进宇宙神-5和德尔它-4两种大型火箭的研制。俄罗斯也打算同时研制两种新一代火箭。但这样的研制费却是其承受不起的。

2011年,时任航天局长波波夫金决定取消“罗斯M”火箭项目。他表示,即使航天局投入37%的年度预算投入研制,“罗斯M”火箭也不可能在2015年首飞。

“安加拉”1.2PP在2017年首飞成功。

“罗斯M”火箭的挑战落幕了,载人飞船将使用“安加拉”A5P火箭发射,但“安加拉”火箭的研制和试验进度却不尽人意。2013年第一枚“安加拉”1.2PP火箭才运往普列谢茨克发射场进行测试和合练。它只是无捆绑的小型火箭,首次发射还是一次亚轨道发射。其实这也不奇怪,苏联航天的辉煌属于苏联,而俄罗斯新型运载火箭研制时没几个老专家了,完全可以说是年轻人的第二次创业,进度不尽人意也在情理之中。

2012年9月17日,“联盟”2.1a火箭准备发射欧洲气象卫星MetOp-B。

2018年7月18日,“联盟”2.1b运载火箭成功发射了1颗EKS-2导弹预警卫星。

◎“联盟”火箭的改进

由于“联盟”火箭的可靠性高,俄罗斯还在继续改进它,发展了“联盟”2系列火箭。包括数字化改进的“联盟”2.1火箭和二级升级的“联盟”2.1b火箭,更有第一级改用NK-33液氧煤油发动机的无捆绑轻型“联盟”2.1v火箭。

“联盟”火箭的改进,挤压了“安加拉”火箭的生存空间,比如“联盟”2.1v就抢走了“安加拉”1.2小型火箭的饭碗。更搞笑的是,俄罗斯近两年又启动了“联盟”5火箭的研制,进步设计局也跑来分一杯羹。“联盟”5现在计划使用RD-171MV液氧煤油发动机做第一级,等于是俄罗斯全国产的“天顶”火箭。它被打算用于发射“联邦”号载人飞船。这样一来,本来就被搁置的“安加拉”A3火箭方案再无翻身之日。总而言之,俄罗斯原计划用模块化的“安加拉”火箭家族取代老式运载火箭的尝试,已经在现实面前支离破碎。

2014年12月23日,安加拉A5的首次亚轨道飞行取得了成功。

东方发射场是“安加拉”火箭的主场,但建设进度缓慢,丑闻丛生。

研发机构债务缠身

“安加拉”火箭现在只有“安加拉”1.2和“安加拉”A5两个型号,都在2014年进行了首次发射。这本应是俄罗斯新一代运载火箭投入使用的起点,但两次试验后就没了下文。俄罗斯航天还是在依靠“质子”、“联盟”等老火箭发射航天器。其中原因,既有俄国各个设计局之间的勾心斗角,也因为原定的东方发射场“安加拉”工位迟迟没有建成,赫鲁尼切夫中心本身的经营也大有问题。

“联盟”2.1V是“联盟”家族中的小型版,取消了捆绑火箭。

赫鲁尼切夫中心自1996年开始商业发射以来,“质子”进行了97次发射,占据了商业发射市场30%的份额。但赫鲁尼切夫中心的总经理是外行官僚,对解决技术问题毫无建树。工程师们提出研制中型和轻型“质子”的自救措施,由于资金不足先后搁浅并取消。士气低落的赫鲁尼切夫中心不仅不时出现“质子”发射失败的打击,制造的空间站舱段都屡屡出现问题。截至2014年底,赫鲁尼切夫中心债务总额高达17亿美元,即使俄航天局接手部分债务,但仍然不堪重负。赫鲁尼切夫中心2017年财务核算又亏损230亿卢布,2018年只好央求俄罗斯政府提供300亿卢布的财政补贴。这样内外交困的境况下,的确是顾不上“安加拉”火箭的生产线了。

2018年赫鲁尼切夫中心卖掉了位于莫斯科的大部分厂区,140公顷的土地估价约287亿卢布。“安加拉”火箭总装厂房虽然保住了,但大部分生产搬迁到鄂木斯克。这样折腾下来,“安加拉”替代“质子”的日子更要向后推迟了。俄罗斯航天部门已经表示,“质子”2026年才能彻底退役。

航天预算预而难算

看到“安加拉”的困境,肯定有人会问,不是还有“联盟”5火箭么?“联盟”5存在的意义,更多地是为了平衡各个利益集团。

俄罗斯新一代火箭更新换代举步维艰,其实绝非偶然。一个航天大国运载火箭的发展,总不能全靠外国人的商业订单。中国虽然被美国强行排斥在国际商业发射市场之外,但依靠庞大的国内需求,推动了新一代火箭长征五号、长征六号和长征七号等的陆续服役。如今中国还具备了全自主研制先进卫星的能力,可以把卫星和发射服务一起出口,不再受制于美国。俄罗斯新一代火箭的问题,还在于俄罗斯航天预算不断降低,让赫鲁尼切夫中心和进步设计局等核心公司都捉襟见肘。

早在2013年11月,俄國《生意人报》就报道,《2006-2015年俄联邦航天计划》的预算已经欠拨125亿卢布,影响到东方发射场的建设。俄联邦《2014-2016年预算草案》中,航天活动预算拨款还将持续减少。2014年降低2.4%,2015年降低3%。

俄罗斯在国际航展上主推的几个火箭型号,除了左一的“安加拉”5,其他都是“联盟”。

当时的预算案中画了一个大饼:2016年航天预算将增加23.5%,以保证格洛纳斯卫星导航系统的建设。有专家认为,这个预算草案是建立在GDP按照预期增长的乐观基础上。一旦经济没有达到预期增长率,必然导致航天预算的匮缺。专家的乌鸦嘴不幸言中,2013年经济增长乏力,2014年俄罗斯吞并克里米亚导致西方经济制裁,导致卢布贬值、经济衰退。直到最近,俄国经济才缓过一口气,有了正增长。 《2016-2025年俄罗斯联邦航天计划》草拟的时候,俄航天局曾试图申请十年期3.4万亿卢布的预算。但2014年经济衰退开始,到了2015年4月申请的预算跌到约2万亿卢布(当时汇率约320亿美元)。2015年底,这个数字又被砍了一刀,削减到1.4万亿卢布。2016年1月俄罗斯航天集团公司(原航天局)正式公布了这个消息,并在3月份得到俄罗斯联邦政府批准。十年预算只相当于美国航宇局一年的预算,这对雄心勃勃的俄罗斯航天工业实在是惨不忍睹。

NASA曾经打算在航天飞机助推器基础上研制“战神”火箭

“能源”火箭是苏联航天工业的绝唱,后无来者。

《2016-2025年俄罗斯联邦航天计划》中提出三个重点发展方向:新型“联盟”和“安加拉”火箭投入使用,并开展重型火箭研制;实施深空探测计划,开展火星和月球探测项目;继续研制新型载人飞船,支持和实施载人航天项目。

俄航天以每年大约1400亿卢布的预算,支持这些项目实在勉为其难,相关计划不得不瘦身和推迟。比如重型火箭发射飞船进行绕月飞行的时间,已经从2025年推迟到2025-2030年择机实施。首次载人月球飞行的时间从2030年推迟到2035年。未来10年预计发射的航天器数量也缩水了约20%。

俄罗斯航天爱好者在“能源”火箭基础上设想的未来超重型火箭

然而砍预算的厄运还没有终结。2017年俄罗斯媒体报道,2017-2019年三年的航天预算又被砍掉588亿卢布,约折合10亿美元。2018年俄媒体报道了更糟糕的消息:2019-2021年俄罗斯航天局预算分别再削减170亿、520亿和750亿卢布。如果不是卢布汇率回升,以美元计价的俄航天经费都要和印度不相上下了。由于预算不足,俄很多航天项目又要被迫调整。深空探测器、东方发射场的二期和三期建设工程以及航天新技术的研发都受到了严重的影响。

由于航天预算砍了又砍,俄罗斯能用于新一代火箭研制和替换上的钱实在不多,这也是“安加拉”火箭虽然试验发射成功,但一直没有替换老火箭的根本原因。2019年“安加拉”火箭将在普列谢茨克发射场开始商业发射,东方发射场要从2021年开始发射。至于“联盟”5火箭的研制和发射,那就是更遥远的事情了,甚至不排除俄再拿出一个纸面火箭取代“联盟”5。

重型火箭遥不可及

虽然新一代火箭的研制举步维艰, 但俄罗斯从来不缺乏纸面计划,最近他们又在积极讨论重型火箭了。

美国航宇局为了重返月球,曾经打算研制“战神”系列重型火箭。俄罗斯也不甘落后,提出了不少纸面重型火箭方案。美国航宇局后来取消了“战神”,但2011年在国会压力下继续研制重型火箭,这就是计划2020年首飞的空间运载系统。俄罗斯各个设计局也在竞相发布重型火箭方案,它们基本都以“能源”重型火箭留下的RD-170/171液氧煤油发动机和RD-0120液氧液氢发动机为基础,但也有使用液氧甲烷发动机的方案。

“能源”火箭时代研制的RD-171重型液氧煤油发动机至今仍难以超越

2013年俄罗斯赫鲁尼切夫中心提出了“叶尼塞”5重型火箭方案,芯级使用3台RD-0120发动机,捆绑的4个助推器各使用1台RD-171M发动机,近地轨道运力可达125吨。能源集团提出了“能源5K”方案,芯级1台RD-171M发动机,4个助推器各1台RD-171M发动机,第二级使用液氧煤油的RD-191V发动机。其特点在于全液氧煤油推进剂,不过近地轨道运力只有79吨。进步设计局提出了STK火箭方案,芯级是4台RD-0164液氧甲烷发动机,捆绑2枚/4枚/6枚助推器调节运力,每枚助推器使用2台RD-0164发动机。俄航天局则在“暴风雪”号航天飞机飞行25周年纪念仪式上宣布,将制定路线图,用超重型火箭执行飞向月球、小行星和火星的載人飞行任务,以及建立月球有人居住基地。俄航天局还表示,俄重型火箭将使用类似美国SLS的分阶段升级方式,第一阶段近地轨道运力80吨级,第二阶段运力升级到150吨。

“联盟”5将取代现有的“联盟”火箭各型号,成为载人发射的主力。

愿望是美好的,前途是光明的,但现实是残酷的。2014年8月15日俄罗斯Lenta网站报道,俄罗斯航天局为重型火箭研制申请了2146亿卢布的预算。但航天预算反复缩水让这一切成了镜中花水中月。俄航天局一度提议取消普列谢茨克和和东方发射场的备份“安加拉”发射工位,集中资金用于研制重型火箭。但重型火箭的研制需要花费巨资,俄罗斯航天局曾预测,完成研制需要7000亿卢布。取消两个备用工位,省出来的钱也不够用。2015年3月俄重型火箭研制被迫无限期推迟。

官方囊中羞涩时,赫鲁尼切夫中心提出了“安加拉”A5V火箭方案。它第一级发动机增推10%左右,上面级换用液氧液氢发动机,编号中的字母V来自俄语Vodorod(氢)这个单词。“安加拉”A5V火箭近地轨道运力提高到35-38吨,同步转移轨道运力可达12吨以上。一次载人登月任务需要4次“安加拉”A5V火箭发射。但它研制费用只需要370亿卢布,属于俄罗斯承担得起的选择。然而,对比威武雄壮的美国SLS火箭,“安加拉”A5V火箭性能差得太多,俄罗斯政界也有很多人不满意,甚至认为这是要扼杀俄罗斯的重型火箭研制能力。

运往普列谢茨克发射场途中的“安加拉”5,东方发射场的延误让它难以按计划飞行。

“安加拉”A5的URM-1模块正在厂房中接受测试

出于政治需要,2017年俄罗斯又一次启动重型火箭的研制,能源集团的“能源”5V方案胜出。“能源”5V火箭芯一级和助推器使用RD-171MV液氧煤油发动机,第二级使用RD-150液氧液氢发动机,第三级使用RD-58MF液氧煤油发动机或是RD-0146液氧液氢发动机。俄航天集团公司估算,“能源”5V火箭研制和发射等基础设施建设需要约1.5万亿卢布投资,这还是“能源”5V和“联盟”5火箭共享设计,芯一级和助推器使用4.1米直径和RD-171MV发动机的结果。

在航天预算极其有限的条件下,俄罗斯仍然要用“安加拉”火箭进行换代,研制新的“联盟”5火箭和“联邦”号飞船,还要研制重型火箭,这实在让人眼花缭乱。然而,纸面项目可以自由提出,没钱还是搞不出型号的。2018年8月塔斯社报道,重型火箭研制将花费约250亿美元!这相当于把至少10年的航天预算全用于研制重型火箭和配套地面设施。2028年俄罗斯重型火箭发射升空这个想法,实现起来那可是“相当的困难”。