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楼主: 高凉陈君
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[原创] 二十一世纪中国研制载人登月级火箭最佳的技术路径

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 楼主| 高凉陈君 发表于 2018-11-5 23:40 | 显示全部楼层
第三节  实施中国的载人绕月工程是中国空间技术体系可持续发展的关键一环
      
从二十世纪九十年代开始上马921载人航天工程到今天,时间又已经过去了差不多二十年。如果一个年轻人从神舟飞船一上马就开始参与研制计划,再干不了几年就可以退休,再不上马新的大型空间工程人才断代事件也同样要再次出现。即使研制了小型空间站,但由于空间站只需要一个大型推进舱,如果这一空档期没有大型侦察卫星上马(15吨级别以上的侦察卫星估计在未来10年时间内都没有上马可能,原因在于与之相配套的大型光学系统与雷达天线系统研制更艰难),这一大型推进舱生产线又要停工好几年直至下一个空间站推进舱建造任务的下达;但美国洛马公司即使在猎户座飞船研制任务下达之前,每年基本都有一到两个大型空间推进系统的研制任务。原因除了重型间谍卫星之外,美国NASA的重型空间探测器订单也是一大来源,伽俐略与卡西尼等大型星际探测飞船的推进系统都是来源于马丁.马丽埃塔公司。

        因此生产线闲着也是闲着。即使仅仅为了促进就业与维持大型推进舱生产线的持续运转,上马研制扩大版的神舟飞船也是值得的。即使不立即实施载人绕月飞行,先用于地球轨道的飞行与测试也是物有所值;也好为日后真正的载人绕月飞船研制打下坚实的基础。而且北斗导航定位卫星星座也用不了几年就可以布网完成,如没有新的大型工程项目上马,到时不仅连卫星生产线,甚至连火箭生产线也得半死不活,毕竟今天中国空间飞行器的生产效率已经与二十世纪不可同日而言。

        发展神舟飞船的绕月飞行版还有另外一层意义,那就是作为地月空间往返运输工具用于未来中国的月球空间站工程。老实说,自从人类第一颗人造卫星发射以来,到今天人类向地球轨道空间所发射的各种各样的卫星已经有几千颗之多;即使是地球空间站,自苏联二十世纪七十年代的礼炮空间站发射以来,人类持续在近地空间生活的时间也快40年时间了。可以说地球近地空间单纯从科学技术探索的角度而言已经无多少秘密可探了。而军事侦察任务、气象预测任务与商业通讯任务等等利用专业业务卫星执行效果更好、更便宜也更灵活方便。

       因此中国未来在近地球轨道要搞空间站也将会是中小型的试验性空间站,至于用于工业化生产的工业空间站,只怕如同NASA设想中的月球基地那样在整个21世纪都只能是有投入而无多大产出的科研探索课题而不是可行的商业发展项目。因此中国未来与其在近地球空间维持一个和平号级别的大型空间站倒不如在月球轨道与地球轨道上各建设一个小型空间站在科学探索方面来得更有意义与实在。而且实现的可行性要远远比实施月面登陆还要简单得多,只要将中国未来近地小型空间站再在月球轨道上“克隆”一个就完事。原因就在于如果中国能够将重达十几吨的载人绕月飞船送入月球轨道,那么中国也同样有能力将十几吨重的小型空间站推进舱与轨道舱分别送入月球轨道来对接组装中国的月球空间站 。

        很显然,宇航员生活于月球轨道空间站的感觉与地球空间站会有很大的不同,毕竟这可是真真正正的外星轨道生活。但风险却要比月球表面基地要小得多,一有故障可以立即登上神舟飞船返回地球;但如果是月球表面基地却还要乘飞船再重返月球轨道与返回飞船对接之后才能够返回地球。

        建立月球轨道空间站还可以成为载人登月飞船发生故障后的临时避难所与救生中心,如果再发生阿波罗13号飞船那样的事故,由于有月球空间站的飞船与救生系统可以凭持,所面临的风险也要轻微得多。毕竟日后人类到底会在月球轨道与月球表面闹出多大的事故今天谁也无法设想,多一份安全备份日后就多一份挽回生命的保障。而且这一小型月球空间站的建设在经济上也不会有多么的昂贵,在技术上也不会要求多么的先进,因为与地球空间站不会有质的差别。但却可以为日后人类的月球载人飞行留下更大的回旋余地空间,而且这一模式也同样可以移植于火星、木卫二、土卫六乃至更为遥远的行星际载人飞行探测事业。非常值得中国率先尝试。

本文写于2008年1月,来自于《高凉陈君文集精选》第594页,本文早期在互联网转载量很大,现在还能够搜索到,本文也是完全基于中间运力型火箭来构建中国的载人登月工程的,其中就提到要建设中国的月球空间站的设想。  

具体灵感来自于阿波罗时代美国NASA计划的载人金星环绕飞行。所以实施载人绕月工程一直就在高凉陈君的载人登月方案中具有“基石意义”,并基于月球轨道对接方案提出“中间运力型火箭”的研制设想。











 楼主| 高凉陈君 发表于 2018-11-5 23:53 | 显示全部楼层
月球轨道对接设想必须要成为中国载人登月工程规划的核心基石
         这一段时间来我一直在思考中国载人登月工程的实施规划流程,随着研究的逐步深入与及不断地与众网友们交流'分析讨论与改进完善,未来中国如何实施载人登月工程的步骤蓝图与规划流程设想已经变得越来越清晰起来;因此本人的这一系列评论也即将进入总结阶段,现在就让我先分步就某些重点关键规划设想环节进行下归纳总结,以后再慢慢融绘成一篇完整的'系统的综合性分析评论.
     目前,有关各方对未来中国要采取人货分离的方式实施载人登月工程的想法已经达成高度共识,而且美国正在实施中的新载人登月工程也采用同样的方案;估计这一步设想日后再发生重大改变的可能性极小.但采用人货分离方式实施载人登月工程就肯定要涉及到载人飞船与载货飞船的对接问题,到底采用地球轨道对接方案还是采用月球轨道对接方案更有利于中国未来载人登月工程的实施呢?!到目前为止,中国内部在一问题上还存在很大的争论;因此本人将就这一问题展开的论述,并着重分析未来中国实施载人登月工程必须采用月球轨道对接方案的重要性\现实性与可行性;因此本文如有不足之处,就请各位网友们多多指正了.
     第一,美国目前正在实施中的星座载人登月工程存在重大的规划隐患.
     事实上在前面的评论中我就已经指出美国星座载人登月工程由于采用地球轨道对接方案所存在的不足之处,但人们对这一问题重要性的认识却远远不够,这将非常令人遗憾.
     美国星座计划所存在的重大隐患,来源于要实施载人登月工程美国就必须要绝对保证分别用两种不同的火箭所发射的星座载人飞船(计划用阿瑞斯一型火箭发射)与金牛座登月飞船(计划用阿瑞斯五型火箭发射)能够按照既定的发射时间表按时升空;发射升空之后也同样要在规定的时间内完成载人飞船与载货飞船的对接,并点燃地球脱离级低温火箭按时离开地球.
     单纯从技术上而言,星座载人登月计划采用的地球对接方案设想并不存在任何不可克服的难题.但问题却出在必须要按时发射载人飞船与载货飞船这个关键节点上.无论是星座载人飞船还是金牛座月面登陆飞船,只要有其中一艘不能按时发射升空,整个载人登月工程就要面临彻底流产泡汤的可能.可是在目前的空间发射界,火箭因为故障与"疑似故障"之类的问题不能够按时发射升空的事例简值是多如牛毛.美国计划在2007年底发射的阿特兰蒂斯号航天飞机就因为这样那样的问题,发射时间一再延期推迟,到2008年2月的今天还没有能够发射升空;而国际上只使是久负盛名,性能高度成熟稳定的联盟飞船,延期推迟发射的现象也屡不鲜见.因此日后美国实施载人登月工程时只要两种飞船中有一艘不能不能按时发射,整个载人登月计划就得停滞不前,但这还算是最好的结果.如果一旦星座载人飞船已经发射升空,但金牛座月面登陆飞船却因为飞船或火箭的故障问题不能在接下来的几天时间里跟着发射升空;或金牛座登月飞船按时发射升空而星座载人飞船却因为故障问题不能在接下来的几天内发射升空,那么就要出大乱子了.
     如果星座载人飞船先行,金牛座飞船却因故障原因要推迟延期发射,那么已经发射升空的载人飞船由于阿瑞斯一型火箭没能搭载地球脱离级低温火箭,没法子独立前往月球,那么就只能停泊在低地球轨道上等待货运飞船的发射;但星座载人飞船上的宇航员生命支持系统的能力却是有限的,宇航员们会"座食船空",一旦拖得十天半月,乃至一个多月还没能出发前月球,只使最终等来了货运飞船,并成功对接之,但由于宇宙飞船上的生命支持系统已经消耗得七七八八,到最后整个载人登月计划是否还能完成将存在极大的疑问.
     但如果金牛座货运飞船先行,星座载人飞船却因故障原因要推迟延期发射,那么形势将更为困迫混乱.原因就在于发射金牛座月面登陆飞船的阿瑞斯五型火箭还搭载着肩负将整个载人登月飞船组合体送上地月转移轨道的地球脱离级低温火箭.由于低温上面级火箭发动机所用的液氢液氧挥发迅速,如果不能在阿瑞斯五型火箭发射升空之后几天之内点火脱离地球轨道,液氢液氧推进剂恐怕就要跑光了.而一旦地球脱离级低温火箭失效,那么已经按时发射上地球低轨道的金牛座月面着陆飞船就算是报废了.
     老实说,如果美国目前的星座载人计划的规划流程不进行重大修改,那么日后就等着美国人的好戏看.到时一场台风,甚至一场意外的雷雨乃至人为失误的小故障'甚至是"疑似故障"都有可能让美国一次组织严密\耗资巨大的载人登月飞行意外地流产泡汤.这绝对不是天荒夜谭的杞人忧天,而是实实在在的重大规划隐患;这个重大隐患之所以形成的本身并不是因为遇上不可克服的技术因素,而完全是由于工程规划流程上的重大失误才得以形成.这绝对不能不引起中国载人登月工程规划设计人员的高度重视,忽视了这一重大隐患本身就是失职,就是犯罪,犯历史之大罪.
     第二,充分认识开发中国载人环月飞船的深远意义。
      开发中国的扩大版载人环月飞船,就是要打造中国独立的载人地月空间往返运输体系。事实上我们完全可以将月球看作是地球轨道上空的一个特大号无人空间站,而中国研制扩大版的神舟载人环月飞船与及与之相配套的起飞推力达1440吨以上(如果神舟飞船的载人环月版重达18吨左右,升级版长征五号火箭的起飞推力恐怕将要提高到1700吨左右)的长征五号火箭,其核心目的就是未来实施中国的载人登月工程时发射载人飞船与载货飞船从地球到月球轨道,380000公里的距离人货分离运输将能够一分到底,各走各路,互不牵扯。力求将整个中国载人登月工程的系统性风险降到最低点。
     可是美国今天正在实施中的星座载人登月计划,由于采用地球轨道对接方案,载人飞船与载货飞船仅仅实现了从地面到低地球轨道这区区200多公里空间距离的人货分离运输,而余下从低地球轨道到月球轨道的漫长距离却最终又变成人货混载。人货分离的这种不彻底性日后必将要为美国的载人登月工程带来巨大祸患与麻烦。因此,美国当务之急就是要立即砍掉鸡肋般的阿瑞斯一型火箭,反正国际空间站有俄罗斯的联盟飞船、进步货运飞船与欧洲的ATV飞船支持着,一时三刻还掉不下来,美国正好可以抽身事外,立即集中全力搞阿瑞斯五型火箭,反正RS68氢氧发动机就是现成的产物,以美国的实力完全可以在2015年前将阿瑞斯五型火箭研制出来。之后再基于阿瑞斯五型的芯级发展一款小推力的载人火箭用于将星座飞船直接发射上月球轨道,而地球轨道的发射去掉阿瑞斯五型火箭的低温上面级(即地球脱离级)即可,又有何难哉?!并且一举数得,又何乐而不为?!
      否则的话,日后一旦星座载人飞船与金牛座登月舱组合体飞抵月球轨道却发生故障无法返回地球。这下就将要出大乱子了。能够从月球轨道返回地球的星座载人飞船由于阿瑞斯一型火箭无法搭载地球脱离级火箭,将无法独自前往月球救援;而能够前往月球的阿瑞斯五型火箭所发射的金牛座月面登陆飞船却又由于没有返回舱无法返回地球。如此能去的不能回,能回却不能去。美国人的这种困迫就将要成为全世界的笑谈了。可事实上这种重大安全隐患却完全是可以消除于荫牙状态中的。
     因此,未来中国的载人登月工程如果采用月球轨道对接方案实施的话。由于载人飞船与货运飞船各走各路,互不相干,规划设计具体发射飞行时间流程的回旋余地空间将要比美国今天所采用的地球轨道对接方案要大得多。货运飞船完全可以早于载人飞船几个月提前发射,走嫦娥飞船式的轨道以节省飞船燃料(为了节省燃料,甚至可以绕过格拉朗日点走最节省燃料的地月转移轨道),慢腾腾地“荡到”月球轨道.登月舱进入环月轨道之后,地面检测登月舱性能设备一切正常,那么神舟载人飞船再选择合适的时间窗口发射升空,然后直接走近路,如当年美国的阿波罗飞船那样在四天时间内抵达月球轨道与登月舱对接,再降落到月球表面来执行中国的载人登月任务。
      同样道理,如果在月球轨道上由于飞船的故障,载人飞船与货运飞船无法完成空间对接,或者对接成功后却因为登月舱的故障又无法降落月球表面,只要神舟载人飞船还完好无损,那么宇航员拍拍屁股照样还可以安全返回地球。而只使载人飞船也出现故障,由于中国的神舟载人飞船具有前往月球的独立能力,只要能够抓紧时间发射救援飞船,救援成功的胜算也要比美国今天所采用的地球轨道对接载人登月工程方案要高得多。
      研制神舟飞船的载人环月飞行版与及与之相配套的起飞推力达1440吨以上的长征五号火箭,以目前中国空间工业的水平与现成飞船、火箭发动机平台,完全可以在未来15年内搞得出来。如研制长征五号火箭的1440吨起飞推力版,中国拥有现成的120吨液氧煤油发动机就可以用于研制火箭的第一级芯级与助推器;而火箭的第二级则可以直接套用目前研制中的长征五号火箭的芯级(也可以利用FY100液氧煤油发动机研制);至于地球脱离级(即低温第三级)则可以利用现成的长三乙火箭的上面级火箭改进而成,如果推力不足则可以并联2台(推力16吨)甚至4台(推力32吨)低温上级氢氧发动机(也可直接改进升级目前的长征五号所用的50吨氢氧发动机来研制全新的,更大推力的低温上面级火箭)。至于要研制18吨级别的神舟扩大载人环月飞船,对于今天中国的空间技术实力而言也决不是什么难事。
      因此,只要政府肯投资,大概50亿美元中国就可以在2025年之前研制出神舟飞船的载人环月版。
      一旦搞出了神舟飞船的载人环月版,那么余下的任务就是研制月面着陆飞船了。只要未来中国的经济能力支持得起,中国研制起飞推力达2400吨的重型版长征五号火箭用于发射登月舱可以;研制起飞推力达3500吨的长征六号火箭发射更大的登月舱到月球轨道也是可以;如果能够成功引进俄罗斯RD170发动机的生产技术,甚至可以研制起飞推力达6400吨的特大型火箭一次性发射60吨级的大型登月舱到月球轨道,与扩大版的神舟载人飞船对接之后降落到月球表面,当一个临时性的驻人月面基地也同样可以。反正这一切与神舟飞船载人环月飞行版的关系已经不大。环月版的神舟载人飞船只不过是一种主要用于地月轨道空间载人往返的星际渡船而已。
     事实上月球本身就是一个特大号的空间站。中国要征服月球,首先就要研制出一种能够安全'高效地胜任载人往返月球轨道的天地运输系统来,而这个系统就是神舟飞船的环月飞行版与及与之相配套的起飞推力达成1440吨以上的长征五号火箭。
     人类的空间站,从当年的礼炮号到今天的国际空间站,换了一代又一代,并且越来越重、越来越庞大,而发射空间站舱段的火箭也由早期的质子发展到后来的航天飞机。但用于人员往返空间站的飞船却还是联盟飞船与联盟火箭组合体。而以目前的发展趋势,联盟飞船作为人类最重要的天地往返运输体系,恐怕还将要利用上100多年时间。
      同样道理,我今天之所以极力主张要将中国未来的载人登月工程拆分为载人环月与月面着陆这两个任务段,并彻底分割开来独立推进实施之.就是因为载人环月工程是中国载人登月工程整体不可分割的核心组成部分,是实施后继月面登陆工程不可缺或的基础.如此,整个中国载人登月工程既分时期按阶段实施,却又环环相构,步步为营.因此,我对未来中国将研制一款如俄罗斯联盟飞船与联盟火箭那样的载人环月飞船组合体寄予厚望,它将能够肩负起人类重返月球的重任,并飞越未来一百多年的地月星际历史时空。
高凉陈君 2008、2、5
在我所有的载人登月设想规划流程中,根本就不存在地球轨道对接的环节。阿波罗时代美国NASA存在很多“非常雄伟”的太阳系内行星际载人飞行设想方案。因为那时候土星五火箭乃至“土星五改进型”火箭的运力都是现成的,美国人那时也不认为这些计划是“异想天开”。

当年美国NASA就连续构想了金星、火星载人环绕飞行计划,麦道公司就设想了研制重达1000吨的积木式地球轨道空间站(每一个舱段都重达50、60吨以上),乃至麻省理工学院科学家疯狂的“伊卡洛斯”小行星防御计划。

总之就是“很脑洞、很疯狂、很雄伟”。
 楼主| 高凉陈君 发表于 2018-11-6 00:25 | 显示全部楼层
第二,飞船章

一,神舟载人飞船的环月轨道版

在高凉陈君的中国载人登月计划中如何最充分利用今天中国现有的飞船与发射设施,努力减少一切设备重复投资是最为重要的思考点。而研制360吨级液氧煤油火箭发动机与开发研制神舟飞船的环月轨道版就是高凉陈君载人登月计划最为关注的核心关键节点。

当然,现在的神舟飞船还不可以用于载人环月飞行。但可以在目前神舟飞船的基础上扩大推进舱的推力与电力供应系统,使其具有足够的能力捕获月球轨道与脱离月球轨道再返回地球,目前神舟飞船的轨道舱也要扩大,以适应地月转移轨道长时间空间飞行宇航员们日常生活的需要。至于神舟飞船的返回舱则维持不变,依旧为三人体制,当然还要加上对接段。整个扩大版的神舟飞船总重将达17吨左右。脱离地球轨道的工作则由长征六号的第三级完成,而进入月球轨道、月球轨道的维持与及脱离月球轨道、再入地球轨道所需要的动力则由飞船自己的推进舱来提供。

二,大型无人环月货运飞船(当然还要一种类似今天俄罗斯进步货运飞船的月球轨道版,在此就不多说了)。

由于扩大版的神舟飞船没有登月舱,因此登月舱要单独发射。这种货运飞船有两种型号。

第一种只有对接段+月球轨道舱+推进舱。对接段用于与月球轨道上的神舟环月飞船进行对接。而月球轨道舱则让神舟飞船上的宇航员拥有更大、更优良的居住生活空间与更多的实验设施仪器,货运飞船的推进舱则主要用于月球轨道的捕获与月球轨道的维持。而货运飞船地球轨道脱离的工作则由长征六型火箭的第三级来完成。这样在月球轨道上神舟环月飞船与货运飞船对接后将形成一个小型的环月空间站,如果要扩大空间站的规模则发射更多的舱段即可。而月球空间站日常人员的调换则由神舟环月飞船来执行,日常食品与仪器设施的供应则由更小型的货运飞船来执行。

第二种只有对接段+月球登陆舱+推进舱。对接段用于与月球轨道上的月球空间站进行对接,推进舱则用于月球轨道的捕获、对接与自身姿态的控制与轨道维持。对接之后月球空间站的宇航员就可以进入登月舱降落到月面来完成中国的载人登月之旅。

登月完成之后宇航员搭乘登月舱的上升段返回月球轨道,与月球空间站对接之后即可抛弃。宇航员则可继续在月球空间站上工作或搭乘神舟环月飞船返回地球。至于更为复杂的月面基地舱,在制造好之后直接由更大推力的火箭直接发射往月球表面而不与月球空间站对接。在成功降落月球表面之后再由宇航员搭乘登月舱降落到月球基地舱附近,之后开门进住。要返回地球则同样搭乘登月舱上升进入月球轨道与月球空间站对接,之后再搭乘神舟飞船返回地球。而月面基地补给则由地球上发射的无人登月飞船直接降落到月面基地附近,再由机器人搬入月球基地舱。

总结

由此可见,中国未来的载人登月计划远非一般人想象的那么艰巨。由于现在并非冷战时代,我们可以相当容易地从外国购买到大推力的液氧煤油发动机来制造巨型登月火箭。在美国阿波罗时代仅仅用于研制土星火箭的预算便高达65亿美元,又由于要抢时间,登月飞船也要全新研制,也要面临大量新问题、新技术的研究攻关,这也要花不少钱。

但今天的中国则不然,我们可以慢慢地研制(也可以从俄罗斯购买RD180的生产技术)360吨级的液氧煤油火箭发动机。继续按顺序推进自己神舟飞船空间对接交会计划的完成,之后再研制中国的空间站。

以后一切星际旅行都会存在空间站,无论是登陆火星还是金星、木卫二与土卫六,原因就在于人货分离有着极好的安全冗余,而且更可以划分为多个任务计划,再分阶段来实施之。而阿波罗时代的一站式载人登月模式,可就要冒巨大的安全风险了,一旦出现事故挽救也非常困难(如阿波罗13号事故)。

当中国的360吨级火箭发动机研制成功之后,则立即用来替换与改进现有火箭的发动机,并进行各种形式的飞行试验与载荷发射,让时间与实际使用经验来让这种360吨级大型液氧煤油发动机逐步改进完善。当发动机已经拥有相当高的稳定性能后,即首先用于生产3.35米主芯级、起飞推力1800吨的长征火箭,并投入地球轨道空间的卫星发射服务,再在这一过程中发现问题、改进性能,让其慢慢成熟稳定。一如今天的长征二号捆绑火箭那样,不求其最先进,但务求其最安全最稳定,让人放心。毕竟人命关天。与之同时神舟飞船也在使用中逐步升级改进,并进行长时间(指15至30天)空间飞行试验。

当这种新型的长征火箭性能稳定成熟之后,即研制与之相配套的扩大版神舟飞船,投入近地空间的飞行并与地球空间站进行对接。而当新飞船与及新火箭都已经逐渐成熟之后,就可以进行神舟扩大版飞船的环月轨道试验。先无人后有人,逐步掌握进出往来地月轨道空间的经验。与此同时上马研制360*4主芯级直径7米(或者7点5米,具体精确到多少只是个技术问题)的巨型长征九号火箭。由于360吨级发动机已经经过长时间的使用,性能稳定成熟,尽管推力比起土星的F1发动机远远不如。但由于如今天的长征二F火箭所用的YF20发动机那样高度成熟、性能稳定,推力不足就多并联几台发动机(今天长二F起飞级合计就是八台发动机)。之后再用这种火箭向地球轨道发射各种载荷,同样也通过长时间的使用来让这种巨型火箭的性能逐步稳定成熟。

当这种火箭高度可靠之后,中国就用这种火箭向月球轨道发射月球轨道舱与月球空间站的各种舱段,好让执行绕月飞行任务的神舟飞船宇航员有一个更好的工作生活环境。之后再向月球轨道发射登月舱与月球空间站对接。

这样在经过漫长的时光岁月之后,中国小步但从不间断地慢跑,终于迎来了真正实现载人登陆月球的这一天。而时间也许就是公元2029年此一关键节点了。

本文也是写于10年之前,首先发于《超级大本营军事论坛》与《中华网》,来自于《高凉陈君文集精选》第611页,远在今天国际NRHO深空站方案提出之前就指出了研制月球空间站的必要性。核心灵感都是来自于阿波罗时代阿波罗飞船的“金星载人环绕飞行计划”+苏联礼炮式“大卫星空间站”的组合。目的就是为了降低超重型火箭的研制困难,并增加外星宇宙飞船出现故障后的“挽救回旋余地”。
 楼主| 高凉陈君 发表于 2018-11-6 00:36 | 显示全部楼层
高凉陈君早期的中间运力型火箭研制构想都青睐“超级长二捆”方案,后来由于意识到300吨级以上推力的巨型煤油发动机研制的困难后,再逐渐转而考虑“大力神4H构型方案(即在研制推力为500至1000吨级的固体燃料助推器领域碰下运气)”。

最后,在美国太空探索公司的猎鹰9、9H火箭成功崛起之后,再改为“超级猎鹰9构型”方案的。核心原因就只有一个,即研制过程必须足够省钱,并能够非常容易“在载人登月工程之外找到持续长期的使用机会空间”。

否则象土星五号与能源号火箭那样“过把瘾就死”,就完全是国家巨大的财政浪费灾难了。
 楼主| 高凉陈君 发表于 2018-11-7 12:34 | 显示全部楼层
第三十七章  中国低成本载人登月工程的具体方案
      
起始章。

      长话短说,目标时间2025年左右实现中国的载人登月工程,总投资成本控制于150亿美元以内。

      方案章。
      
采用月球轨道对接方案,并发射月球轨道空间站,再以月球空间站为基本节点展开载人登月行动。
   
一  飞船部分。
     
完全基于神舟飞船平台研制月球轨道版。重16吨左右,轨道舱不变,返回舱加大防热底,但推进舱要大幅度加大,装载更多燃料,以应对地月轨道长时间的运行需要。
     
二   火箭部分。

完全基于YF100与YF77发动机研制,如果坐等500吨煤油发动机研制完成再进行,时间将来不及,也完全没必要,而且经济预算更要大幅度超支。

        长征5HA。

采用4台YF100研制5米主芯级,再捆绑4台3.35米助推器,起飞推力1440吨,第二级再接沿用目前版本长五的YF77低温主芯级,第三级照搬目前版本长五的YF75上面级了事,但运力必须达到能够将神舟飞船月球版一箭直接射入月球轨道为止。同样,这一火箭也可以用于发射月宫空间实验室,小型月面居住工作舱(6吨级,可以支援2人10天月面工作生活)与单独发射载人月球车。
     
长征5HB。

同样采用4台YF100研制5米主芯级,但学习德尔塔4H与猎鹰9H的路子搞CBC方案,这样3个CBC推力1440吨与长五HA相同,但5个CBC推力达2400吨,LEO运力达70吨左右,目标就是为了发射无人的登月舱到月球轨道与月宫空间实验室对接,并直接发射中型月面居住工作舱(10吨级,支持2人20天月面工作生活)到月球表面。

        长征5HB由于发射时不载人,起飞级使用多达20台YF100也无妨。而且现在还有特斯拉老板的猎鹰9H在前面进行技术开路,美国人搞成功我们照搬现成方案就了事。
     
月球空间实验室部分。
   
照搬目前的天宫实验室搞个月球版的月宫空间实验室,但必须要有至少两个对接口。一个用于对接神舟载人飞船,一个用于对接登月舱或者货运飞船。之所以必须要搞月宫空间实验室,主要原因就是由于采用月球轨道对接方案,有了月宫空间实验室后,可以大大放宽神舟飞船发射的时间限制。要实施载人登月,可以先将无人登月舱先行发射到月球与月宫空间实验室对接,之后再发射载人飞船到月宫空间站,再从月宫空间实验室出发降落到月球。这样中国将彻底解决阿波罗13号飞船所存在的风险问题,无论是登月舱有问题还是载人飞船有问题,都可以停靠在月宫实验室上等待救援。留下充足的回旋空间。
     
月球居住工作舱部分(预制月球小屋)。
     
阿波罗工程是没有这一个部分的,因此登月舱就是居住舱。这完全是没有必要的。因此中国要先行单独发射月球居住工作舱与载人月球车到达月面。而载人的登月舱之后再精确降落到先行到达的居住工作舱与月球车周边1公里半径内。这样登月宇航员降落到月球表面后再徒步到月面居住舱工作生活,并开月球车进行研究旅行。要返回地球就再徒步(或驾驭月球车)到登月舱、升空返回月球轨道与月宫空间实验室对接后、再转坐神舟飞船返回地球。
      
月面工作居住舱其实就是目前天宫空间实验室的轨道舱再加上降落模块而已。降落月球后就不动了,固定在那里。水、空气、食物、工具、实验设备已经预先装好,宇航员进入后就可以工作生活,水、空气之类消耗品用完就抛弃走人。这样4、5个,集中一块的月面居住工作舱就可以组成一个简单的月球基地,要长久生活就不断向这一地区发射更多的居住生活舱就得了。而40、50个月面居住生活舱集群就可以组成一个月球小镇。
      
月球车部分。
      
月球车也要单独发射。阿波罗的月球车是装在登月舱上的,在现代已经不科学。中国的月球车完全可以先行发射到月球,这样月球车与登月舱分离,有钱就可以做得很大,搞一台东风货车级别的也可以,甚至可以将月面居住工作舱装上月球车搞个“月球旅行科考房车”,跑到那里就居住那里,工作到那里。要返回地球,无人的登月舱就精确降落到月球房车1公里半径内,宇航员走上登月舱就载人飞回月宫空间站,再转神舟飞船返回地球。
      
月球中继卫星部分。
      
现代信息保障不同阿波罗时代,因此必须搞个月球数据中继卫星。而将目前的天链卫星改进下发射上月球轨道就行。

总结章,分布式(发射)载人登月方案值得中国率先尝试。
      
如果采用此一设想搞中国的载人登月工程。与目前中国使用或者研制中的神舟飞船、天宫实验室、中继卫星、长五火箭与嫦娥工程都保持了极为紧密的技术继承性。所有的这一切东西搬到月球上改改就可以使用,研制的技术风险极低,所面临的经济投资压力也极小。象研制月宫空间实验室,完全可以照搬目前天宫的技术方案。神舟飞船的研制改动也不大。月面居住工作舱也一样如此。由其是月球居住工作舱,完全可以流水线化生产,这可是典型的“月球小屋”,设计理念与地球上搞房地产无差别。有钱可以搞100吨的居住工作舱,叫别墅;没钱搞个6、7吨的居住工作舱,叫蜗居。能支持2个宇航员半个月的月面生活科考就了事,用完即弃。
  
   更重要的是此一方案完全可以现在就立即开始着手进行。YF100、YF77发动机都是现成的,文昌发射场地也是现成的。只要将神舟飞船的月球版发射从酒泉移到海南发射就可以了。先进行载人绕月飞行,再发射月宫空间实验室。将月球轨道的对接搞到足够成熟再说。

日后有钱了,搞出登月舱,研制了月面居住工作舱。中国的宇航员再从月宫空间站出发降落到月球完成中国的载人登月工程即可。

而且这一方案的可继承性也极强。钱多可以搞,钱少也可以搞。没钱中断几年也一样可以捡起来接着又搞,因为长征五号、神舟飞船不搞载人登月工程也一样有地方使用。通用性极强。
   
这一方案最大的风险在于精确降落控制,如果精确降落不能做到控制于半径2公里范围内,宇航员就要步行走好远的路才能到达先期降落到月球的月面居住工作舱与月球车里,如果体力不支就有渴死累死在路上的风险。这是阿波罗飞船不曾存在的风险。但这不会是现代技术无法克服的障碍。
     
因此,只要中国国家经济能力许可(也可以拉ESA与俄罗斯等等加入),持续向月球发射登月舱与月面居住工作舱就可以持续无限期地进行中国的月球探索开拓事业,持续100年可以、持续10000年也可以。只要肯下本钱,研制成功500吨煤油发动机后再研制巨型火箭,发射40、50吨的大型月面居住工作舱与月球旅行车也完全没问题。而神舟飞船、载人登月舱与月宫空间站不过是“公交车”与“中转车站”而已。

      陈天(高凉陈君)

于广东茂名

      2013,6,11
















第三十八章   未来中国运载火箭与空间载荷必须重点关注的节点区间
第一个运力节点区间就是GTO18吨
为什么定于GTO18吨,原因就是未来中国基于神舟载人飞船平台研制的载人环月飞船的重量也处于这一关键节点上。即要将神舟飞船的载人环月版送入月球轨道就必须要研制GTO运力达18吨以上的中间运力型火箭。
A,中国GTO18吨火箭研制方案。
一,基于目前版本长五火箭充分挖潜改进。由于目前版本长五火箭最大运力只有GTO14吨,因此在长五火箭成熟之后,可采用精简结构重量,再挖潜升级YF100与YF77推力的方式实现。好处就是花钱少,技术难度也低。这不,长三乙火箭的GTO运力就由5吨一直缓慢升级到5点5吨以上,阿里安五、德尔塔四H也一样采用逐渐改进升级运力的方案。
当然,如果怕麻烦与复杂,也想赶时间进度。长征五号火箭采用捆绑6枚3点35米助推器的方案也能够迅速就将GTO运力提升到18吨以上。
二,可以研制全新的330吨高压补燃煤油机,取代目前YF100版本的助推器。再增长助推器燃料箱,GTO运力可以轻松提升到18吨以上。 好处就是必须上马研制新发动机,不利之处就是花钱多,技术风险与时间风险都大,担心政治领导人“等不起”。
   
B,再做好如何养活GTO18吨版的长五火箭的充分预案。
一,未来中国GTO载荷研制必须下意识向“满足用尽”长五火箭GTO18吨运力区间的思想移动靠近。说白了通信卫星、气象卫星都要尽量做大。以求充分利用GTO18吨版长五火箭的运载能力,好让GTO18吨版的长五有足够的生存空间,并尽快成熟。
事实上美国的GPS卫星就是如此,由于改为使用运力更大的德尔塔四火箭发射,如果GPS不增肥,德尔塔四火箭的运力就严重过剩,因此与其让火箭的运力白白浪费不如做大GPS卫星,并扩大其应用功能更为合算,这就是美国的GPS卫星一直在“增重”的核心原因。
      
中国要尽快上马研制8吨(双星发射)或者16吨(单星发射)重量区间的巨型通信卫星、GEO轨道成象侦察卫星与气象卫星之类高轨道大型载荷。目的就是要全力尽快“做大”GTO运力18吨火箭的应用市场规模(市场是可以有目的地进行培育的,没理由就要创造理由,没有条件就要创造条件),好让GTO18吨级的长五改进型火箭能够尽快上马研制,而且研制成功之后即使神舟载人环月工程不上马,GTO18吨级的长五火箭也一样能够养活,以静候时机不至于饿死。其目的就是要让能够发射神舟环月飞船的火箭能够在“无形”中研制完成,并成功长久生存下来,成为一种“现实储备”,为争取中国载人登月工程的早日上马增加核心筹码。

第二个运力节点区间就是LEO80吨、GTO40吨。
为什么节点定于GTO40吨,原因就是未来中国在完成载人环月飞行的基础上,要实施真正的载人登月工程,要发射登月舱到月球表面就必须用上GTO运力40吨左右的重型火箭。

A,中国GTO40吨运力火箭的研制方案。
   
一,研制330吨补燃煤油发动机,使用4台(或者5台)并联研制主芯级(直径7米左右),再捆绑4枚使用同类型330吨煤油发动机研制的助推器,即研制330吨发动机版的“超级长二捆”火箭。而第二级、上面级则使用不同数量的YF77来研制之。好处是研制成功了330吨高压补燃煤油发动机,从此一了百了地解决了中国巨型火箭的发动机瓶颈问题。坏处是技术难度巨大,财力花费也极为巨大。10年时间30亿美元投入也未必能够按时研制成功。

二,研制1000吨级固体燃料助推器方案。
   
研制1000吨级固体燃料助推器后,再使用5台(或者7台)YF100煤油发动机并联研制主芯级(直径也一样是7米左右),当然这个主芯级推力是非常弱小的,不捆绑助推器纯芯级根本飞不起来。但这也是没办法的事情。而第二级、上面级同样使用数量不同的YF77低温发动机来研制之。
     
5台(或者7台)YF100煤油发动机研制的7米直径主芯级推力很弱是事实,但由于固体燃料助推器推力强大,捆绑4枚(再不行就捆绑6枚)1000吨级大型固体燃料助推器,LEO运力也能够达到80吨(GTO40吨)。这一方案实际是充分参考美国大力神四H火箭的研制经验。大力神四主芯级的LR87发动机推力也很“废柴”,只有125吨推力。但由于UA1207大固体燃料助推器推力强大,因此也能够“硬”是拼凑出LEO运力20吨以上的重型火箭来。
此一方案的好处是1000吨级的分段式固体燃料助推器的研制难度远远没有330吨高压补燃煤油发动机那么大。高凉陈君之所以这么认为的原因是印度也能够玩大型固体燃料助推器,而中国无论各方面能力(技术、经济)都远远在印度之上,更没有理由研制不出来。
   
坏处是由于研制主芯级的YF100煤油发动机推力过低,未来要研制更大的火箭,330吨补燃煤油发动机还是必须要研制。有重复建设的不利之处,好处当然是现在就能够省钱与抢时间进度。

B.未来中国如何养活GTO40吨火箭的充分预案。

      以上无论是研制330吨煤油机还是研制1000吨级固体燃料助推器,要研制GTO运力40吨级的火箭都要捆绑上数量不等的助推器,因此未来中国7米直径(具体是多大只是技术问题)新主芯级火箭的运力区间完全可以在LEO40、60与80吨的(GTO运力可以在20、30与40吨之间)范围内灵活变动。

     因此即使最终不能够上马载人登月工程,只要未来中国研制了10吨级别的气象卫星与10吨、20吨级的重型通信卫星,再研制50、60吨级的空间站舱段平台,再加上一些深空重型探测器项目,这些火箭一年的发射量什么也有3、4次,也一样能够持续生存下来。
   
由其是使用5台(或者7台)YF100发动机并联研制的7米主芯级,没有助推器根本无法飞行,捆绑上2枚1000吨固体燃料助推器后LEO运力也只有40吨左右、GTO运力也只有20吨左右,能够与目前研制中的长五火箭进行运力区间的无缝驳接覆盖,因此养活的难度也更为低下。
陈天(高凉陈君)
于广东茂名
      2011,12,3
这些都是距离今天非常遥远的老文了,来自于《高凉陈君文集精选》第835页,其中某些观点对今天也具有相当大的启发意义。
 楼主| 高凉陈君 发表于 2018-11-7 12:46 | 显示全部楼层
第二十七章  中国最廉价的载人登月火箭研制方案
     
第一节 阿里安五与H2A火箭的芯级低温发动机是追赶航天飞机浪潮的产物

我们一定要明白,欧洲的阿里安五与日本H2、H2A火箭的研制完全是当年全球航天飞机研制热潮破产之后,欧洲日本使用各自航天飞机工程“烂尾”所留下的大型低温发动机“废物利用”才研制的产物。欧洲日本当年如果也不去赶航天飞机的世界潮流。那么今天欧洲的阿里安五与日本的H2A火箭就绝对不会是今天的这般构型。

大家一定要明白在二十世纪80、90年代,不计入早期欧洲人已经为赫尔墨斯航天飞机工程先期投入的资金。欧洲人为研制阿里安五火箭前前后后一共投入了70多亿美元的巨额资金。如果按今天的美元汇率计算这已经高达150亿美元之巨。要知道美国NASA从2004年启动星座工程到今天总投入也没有150亿美元。以欧洲工业实力之强大,欧洲人集全欧洲之力,为阿里安五火箭的研制就已经花费了如此巨大的财力、人力与物力投入,而且早期的阿里安五火箭还是使用常温上面级的东西。

如果不是为了不让欧洲人为研制航天飞机工程,投入巨大精力财力所研制的大型火神低温发动机最终不会白白浪费抛弃掉。欧洲人根本就不会仅仅为了“商业卫星发射市场”而投入高达今天150亿美元的天量资金来研制阿里安五火箭。今天阿里安五火箭市场价格一枚不过1.5亿美元,到目前为止发射量还不到50枚,以目前的年均发射量,30年后阿里安五的总发射也不过200枚,高达150亿美元的巨额研发费用分摊到每枚火箭头上差不多高达7000万美元,绝对是实打实的赔本买卖。如果单纯从商业角度而言,只有白痴才会研制目前版本的阿里安五火箭来参与国际发射市场的竞争。

如果欧洲不赶航天飞机的“潮”。欧洲人的阿里安四火箭一样还会持续使用到今天,最多是苏联解体之后,法国人也学习中国与美国那样,一同去俄罗斯“淘金”。也搞回俄罗斯的RD170、RD120、RD107或者NK33之类“现货”来升级下阿里安四火箭,研制一款煤油环保版阿里安四,或者引入RD170、RD180生产线来研制构型(即欧洲版的天顶或者宇宙神五火箭)完全不同于今天使用火神低温发动机的阿里安五火箭就了事。

因此,研制300吨级煤油发动机是中国载人登月工程必须跨过的坎。如果中国未来载人登月工程将会在何处发生重大拖延与重大阻碍(甚至重大失败)的话,90%都会出现在巨型液氧煤油火箭发动机研制这个关键环节上。苏联当年的N1火箭载人登月工程就是毁在这个环节上。之后几十年,俄罗斯人卧薪尝胆,努力攻关,消耗钱财物力无数,才终于研制出RD170、RD180系列尖端巨型火箭发动机来。

第二节  为载人登月工程研制大固推值得支持

大型液体火箭发动机非常难搞,YF100煤油发动机从二十世纪九十年代开始研制,搞了差不多二十年才有今天的成就,难度之大可想而知。固体发动机则不然,印度也搞得出大型固体发动机,但其液体发动机最先进的水平也只达中国今天已经使用了几十年的YF20肼类燃料发动机的水准。可见研制大型固体助推器的难度要远远小于研制相同推力的液体发动机。

至于原苏联与今天的俄罗斯不搞大型固体助推器的问题,人家在阿波罗时代就研制出了NK33这样的尖端高压补燃液体煤油发动机。在二十世纪八十年代更搞出了RD170这样可以满足未来人类100年使用要求的巨型液体发动机,再搞大型固体助推器的必要性与迫切性根本不存在。而且俄罗斯的白杨系列固体洲际导弹的技术水平也非常不错。

因此,高凉陈君现在觉得未来几年内中国在空间推进技术上能够带给国人意外之喜的重大突破最有可能就发生在大型分段式固体助推器的研制成功上。这么多年来中国政府与社会大众从来不什么关注这方面的东西,但中国的固体弹道导弹实力即使在国际层面影响力也是有目共睹的。相关研究机构与企业今天决定要军转民,为中国的载人登月工程研制1000吨级大固推。或许这方面的研究进展未来几年真的非常值得关注与期待。

当然,今天中国计划搞大型固体助推器有一种“平时不烧香、临时抱佛脚”的心态。否则的话什么也不会在现在才想起要研制大型分段式固体助推器,高凉陈君记忆中即使是日本也未研制过分段式大型固体助推器。中国的野心与目标志向非常值得研究,500吨与1000吨级的分段式固体助推器当然不会仅仅为发射空间站而研制,因为没有使用固体助推器的长五火箭的LEO运载能力都已经达到25吨区间。

而且民用的大直径固体助推器使用钢壳就完全足够,美国欧洲就是这么搞的。图的就是省钱,本来固体助推器成本就相当昂贵,再使用高性能复合材料壳体,经济上更加不合算。至于固体助推器的燃料装药,只要技术成熟又安全稳定就完全可以。老实说中国过去十几年搞YF100发动机就耗费了大量的人力、物力与财力才有今天些许成就。而YF77氢氧发动机研制进度更是一推再推,难度之大外界无法想象。因此目前要迅速突破载人登月火箭研制的瓶颈,中国政府相关部门希望能够在大型固体助推器研制领域碰下运气,获得意外的迅速突破的心情可以理解。

可以这么认为,中国决心上马研制500吨级固体助推器是各方利益相互妥协的产物。对于军方而言好处是日后发射重型军事卫星的发射场选择余地也就更多了,而且持续保持重型固体助推器生产线的运转对于军事上的好处也不言自明。对于甘萧、山西(乃至四川)等地方政府而言,有了500吨固体助推器坐落于这些地区的发射中心的利用价值将进一步稳定下来,在将来一段时间内都不必担心被海南彻底排挤掉。对于海南而言,有了500吨级大固推中国要研制LEO运力达70吨左右的中间运力型火箭用于实施载人登月工程就有了坚实的基础,日后也就抱到了一个大主顾,不必再担心无米下锅。对于二院与及相关固体助推器生产企业而言,这好歹也是一大笔经费,如果研制成功日后饭碗问题就有了保障,洲际导弹总不会无限量地生产下去,提前做好军转民的准备有利无害。

对于六院而言,短期分流了部分研究经费,但只要500吨与1000吨级大固体助推器研制成功,政府决策层上马载人登月工程的可能性大大增加,大河有水小河满。紧紧抱着实施载人登月工程这条大脚六院等液体发动机研制机构日后自然也不愁无米下锅。当然,中国政府感兴趣的是500吨级以上的大型固体助推器,而小型固体助推器由于长五的2点25米与3点35米液体助推模块的存在,大规模应用的空间已经被封杀。

总结

如果要搞美国阿波罗一站式载人登月工程,YF100煤油发动机的确无能为力,但如果将整个载人登月工程划分为两个任务段,即载人环月段与月面着陆段,那么YF100发动机还是能够在载人登月工程中找到重大用处的。其实以YF100的涡轮泵为基础,改走燃气发生器路子,升级到200吨也不是没可能的,再以200吨级发动机为基础,以单独一台发动机研制3点35米直径主芯级火箭模块设计中国版的安加拉火箭,这样内陆的酒泉与太原发射中心的发射能力也能够得到极大的提升。军方对这一方案的支持兴趣也会大为提升。以7台200吨级YF100改进型发动机研制6点5米主芯级重型火箭,再配以研制500吨级固体助推器,捆绑4枚或者6枚这种级别的大型助推器,中国要搞个LEO运载能力达80吨的登月火箭也没有多大的困难。

更重要的是这种看似保守的火箭构型方案却更为适合中国的国情。这样做军方没理由过多反对,毕竟大型固体助推器对于建设中国的导弹防御系统相当重要,国家前期在酒泉与太原发射中心的巨大投入也继续能够发挥作用,在台风季度也一样能发射LEO20吨的重型载荷。对于六院等科研系统而言,基于YF100发动机的涡轮泵研制燃气发生器的200吨推力升级版发动机,尽管技术投资不大,但无论如何也算是一桌大餐了。而对于二院而言,进行500吨级固体助推器的研制也为自身的生存发展找到了一条新的路子,毕竟导弹的需求是有限度的,可不是香肠那样多多益善,过期还是要消毁的。而且国家在经济投资方面也能得到极大好处,毕竟基于YF100涡轮泵平台研制200吨级推力的燃气发生器煤油发动机(即学习美国基于SSME平台研制RS68的方式)。所需要的经济投资强度远远没有研制300吨级高压补燃煤油发动机那样大。采用月球轨道对接方案后也一样能够支撑起中国的载人登月工程。这也是能够让相关各方都可以接受,“利益均沾、皆大欢喜”的结局。

陈天(高凉陈君)

于广东茂名

2010,2,5


本文也是来自于《高凉陈君文集精选》第813页,写于8年之前。本质上就是一个“超级版的中国大力神4H”火箭研制方案,LEO运力也是70、80吨的产物。
 楼主| 高凉陈君 发表于 2018-11-7 13:07 | 显示全部楼层
由于目前这一款5米直径的煤油主芯级火箭被921办公室成功选择。未来中国研制推力500吨以上大型固体燃料助推器的可能性已经大大下降,目前研制成功的120吨推力的小型固体燃料助推器也能够与并联7台YF100K煤油发动机研制的5米直径主芯级煤油发动机液体火箭实现“良好搭配”,中国的固体燃料火箭研制部门对此一款火箭的上马也能够抱着“乐观其成”的态度了。

如果这一款5米直径的煤油主芯级火箭不能够实现“主芯级可重复使用”,实际上也是在走美国宇宙神五与火神火箭的发展演进路径了。

即未来几十年内,中国的航天六院(煤油发动机)、京11所(氢氧发动机)、中国的固体燃料火箭研制部门这三大火箭发动机研发机构,都能够成功找到“长期饭票”了。

毕竟中国的这一款“超级宇宙神五火箭”的GTO运力也已经能够从10吨(无助推器版本)、12吨(捆绑2枚120吨的固体燃料助推器)、14吨(捆绑4枚120吨固体燃料助推器),16吨(捆绑6枚120吨固体燃料助推器),一直覆盖到18吨(捆绑8枚120吨的固体燃料助推器)的广阔区间了。
 楼主| 高凉陈君 发表于 2018-11-7 22:28 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
如果并联7台YF100K研制5米直径的新火箭所用的YF75D低温上面级改为使YF40肼燃料常温上面级,其光杆构型的GTO运力将能够降低到7吨左右的水平(参考天顶火箭的水平),SSO的运力也有1O吨左右,就刚好能够一箭就发射一枚东方红五号平台的重型通讯卫星与大型照相机卫星。由于运力覆盖区间极广,因此这款火箭未来的使用频率注定会非常之大,那怕不实施载人登月工程。每年也能够维持10枚以上的年均发射量,是典型的国家太空任务中坚运载火箭,极象冷战时代原苏联的质子火箭。


 楼主| 高凉陈君 发表于 2018-11-7 22:47 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
其实这款火箭研制成功之后,对末来长征7号与长征8号的挤出影响是非常之大的,当年原苏联的天顶火箭就被质子打压得好惨,在猎鹰9崛起之前,美国的德尔塔4火箭也逐渐被宇宙五火箭压倒。因为一种火箭用顺手之后,顾客与火箭运营商都会不由自主地偏向越用越顺的火箭的。当年EELv的两款火箭美国人使用宇宙神五就越来越越顺手,最后都用到上瘾了。而5米直径新火箭最大的优势就是运力区间调节太方便了,而且整流罩也可以研制5米,5点6米,6点2米的一系列型号。这种优势更是长征7号,长征8号所无法比拟的。因此中国这款5米直径新火箭具有成为长三乙,猎鹰9,联盟,宇宙神五与质子火箭这样的网红万金油火箭的一切潜力。





 楼主| 高凉陈君 发表于 2018-11-7 23:04 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
这款5米直径新火箭研制成功之后,如果改为使用YF40常温上面级,光杆版本的GT0才6,7吨。而且整流罩直径还更大,价格还会更低,因为不必要使用到造价昂贵的YF75低温上面级。有此款万金油火箭在,未来长征7号与长征8号的发展空间将注定要大大缩小。只能在内陆发射场中寻找出路。美国的宇宙神五火箭的光杆版使用量占比就极大,达50%左右,硬是将德尔塔2火箭挤到停产。这一现象未来也一定会在长征7号与长征8号火箭的身上重演。非常有必须进行深度关注。






 楼主| 高凉陈君 发表于 2018-11-7 23:36 | 显示全部楼层
无论国内国外,每一个运力区间竞争到最后,都只会存在一款最优秀的火箭成功“吃掉”了此一运力区间的绝大部分发射市场份额,而其它的同级别火箭就只能够苟延残喘了。

观察美国EELV两款火箭的竞争历史,越到后期德尔塔4火箭就越竞争不过宇宙神5火箭(直到猎鹰9火箭这个降维打击者出现为止)。

因此目前中国研制之中的这款5米直径全新煤油发动机主芯级火箭,未来显然彻底“封杀”了长征7号、长征8号火箭运力的深度提升空间,这两款以后的长远出路也只能够为内陆发射场的使用进行大幅度的优化改进了。起码在GTO运力6、7吨以上的区间,其的市场价格竞争力就已经大幅度下降。

毕竟在同等运力条件下,“光杆火箭”的生产制造成本与发射场整备的简便程度都要远远强于要捆绑助推器的火箭型号。当年美国的德尔塔2火箭就是这样一步步地被“光杆宇宙神五火箭”逐渐蚕食掉传统市场份额的。

至于目前版本的长征五号火箭,由于所有运力区间都被这一款5米直径的新火箭完全覆盖掉,新火箭研制成功之后,逐渐退役就是必然的命运结局了。
 楼主| 高凉陈君 发表于 2018-11-8 10:35 | 显示全部楼层
目前中国的这一款120吨推力的小型固体燃料助推器的市场报价还不得而知。但参考美国宇宙神5火箭所使用的阿罗吉特公司的小型固体燃料助推器的市场价格分析,高凉陈君认为价格最后也只有200万至250万美元一枚的程度。

鉴于中国的长征六A火箭与全新5米直径煤油主芯级火箭都会大量使用到这一款120吨级的小型固体燃料助推器,未来年平均产量也能够维持30、40枚的水平。合计市场价格高达8000多万美元(即人民币5、6亿元),这无论如何也是“不小”的一笔资金数目了。

如果嫌120吨级固体燃料助推器推力过小,未来中国再要研制推力为180吨(乃至推力240吨)的升级版固体燃料助推器,中国的固体燃料火箭推进部门也能够获得新的一笔研制发展资金,用于迭代开发升级。

反正“政府饭、大家赚”。现在中国新一代运载火箭都能够大量使用上固体燃料助推器,也算是成功地“摆平了”方方面面势力的所有利益诉求。
 楼主| 高凉陈君 发表于 2018-11-9 09:32 | 显示全部楼层
第十六章  研制载人登月火箭必须做好平衡各方利益的准备

第一节  技术专家的理想必须考虑国情与经济基础

每一个人都有自己的长处,技术官员的想法并不能够最终决定历史的未来发展方向。奥巴马总统也不多懂航天技术,但他却能够决定星座工程的具体命运。因为预算决定权撑握在他手上。对于未来中国的载人登月工程而言,政治领导人所能够做的就是“我划拨给你们N百亿美元,你们在N年内将中国的航天员送上月球”,其它的具体研制技术事务他就不会去管了。但这才是技术官员们最容易出大错的地方。政治领导层能够给的就是这么多钱,时间也限定,具体工程什么搞这就涉及太多的“妥协平衡技巧”。技术方案过于激进、投资无以为继,项目最终失败的可能性就极大。因此,如何平衡好有限预算与技术先进性的冲突,需要优秀的风险评估技巧与政治运作手段。

苏联载人登月工程就是崩溃在这方面上,美国格里芬版的星座工程也照样崩溃于这一方面上。如果不搞战神一火箭而是将投入于战神一火箭的研制预算投入于德尔塔四H火箭的载人适应性改进与建设一个新的德尔塔四H发射塔,星座飞船的地球轨道载人版首飞就指日可待了。是谁最终搞砸了前苏联的载人登月工程?!是谁又最终搞黄了美国星座工程?!就是那些不懂政治运行规律的技术官员。

因此,本人关于中国载人登月的一系列评论都非常值得具体策划中国载人登月工程的人员细细一读,由其是关于前苏联载人登月失败反思的那一部分。无论是具体的技术官员还是行政官员都是如此。搞载人登月工程这一类巨型工程任何人都不能够“率性而为”与“意气用事”。包括政治决策者与具体技术研发人员都必须如此。今天六院能够回归现实已经是难能可贵。中国的航天人还是静下心来好好研究300多吨煤油发动机吧!要搞载人登月工程也完全足够了。其它什么的200吨低温发动机、660吨煤油机从中国未来20年的国情与政治层面分析根本就是不靠谱的东西。
      
      第二节  只要载人登月工程能够成功上马对中国航天界就是巨大的胜利

只要能够上马载人登月工程,对中国工业技术的发展进步都是大有帮助的。但是二十一世纪的中国载人登月更多是技术上水到渠成的产物而不再是阿波罗时代仅仅是“为登月而不惜一切成本代价”的政治产物。这就涉及到一个度的问题。如何平衡有限预算与技术开发激进程度是一个巨大的难题。而且载人登月又是一个预算高达1000多亿人民币的“大蛋糕”,方方面面都想来分吃一口。如何平衡各方的利益,让方方面面都能够“利益均沾”,又不激化矛盾。这就需要高超的政治运作技巧。

老实说,未来决定中国登月火箭发动机推力大小的核心基点就在于如何与目前研制中的长征五号火箭无缝对接问题上。与300多吨煤油发动机相比,660吨发动机最大的不利在于长五5米直径芯级使用一台推力过小。因为天顶火箭所用的RD170发动机高达800吨级推力,芯级直径也没有5米。这样660吨级煤油发动机研制助推器就又要研制4米左右直径的新箭体。而研制300多吨级的煤油发动机,目前版本长五火箭的3点35米直径助推器就可以使用,内陆发射场也可以直接使用。走CBC构型方案,内陆发射场也能够发射LEO轨道20多吨的重型载荷,这样军方比较容易接受与支持。搞660吨级发动机不仅要研制新芯级,研制了4米直径新芯级内陆发射场也无法使用,运输始终是个大难题。
     
第三节  长周期的航天项目必须重视政治领导层更替可能带来的巨大风险

总之,研制300多吨煤油发动机与660吨煤油发动机相比,在国家经济处于下行周期时抵抗经济预算寒冬的能力,项目持续生存的能力也更为优越。对于载人登月之类以十年,甚至二十年为时间周期计算,而且又必须经历多届政治领导人更替的巨型航天项目而言。政治更替风险也是一个不容轻视的重大问题。而对于政治领导人而言,花钱事小,迟迟不能够出成果更是让人无法容忍。一个无法确定具体实现时间节点与研制预算规模的特大航天工程很容易就会在政治领导人的正常更替换代过程中受到致命打击。美国星座工程的“上上落落”就是最好的例子。

未来中国的载人登月工程也注定是一个政治工程,因此就必须更多地从政治方面进行预测与策划才能够精确撑握其具体脉动与发展趋势。但这个问题不宜过于深入讨论。

第四节  330吨高压补燃煤油发动机的上马研制也极具技术挑战性

300多吨级煤油发动机日后即使研制了一半,但由于技术难题搞不下去了。利用为330吨高压补燃煤油机而研制的涡轮泵为基础搞一个推力300多吨的开式燃气发生器煤油发动机来应付中国载人登月火箭的研制任务,在技术上也是完全可行的。美国就是利用SSME的技术基础搞了便宜的RS68燃气发生器氢氧发动机。研制330吨级煤油发动机要远远比一步到位就研制660吨煤油机无论在技术、经济还是政治上都存在太多的“回旋余地空间”。而且研制成功之后,载人登月工程不能够按时上马也一样能够找到适合的使用生存空间.这些重大优势都必须得到高度重视。

以YF100为基础搞200吨级的燃气发生器煤油发动机,200多吨的推力对于搞登月级火箭还是非常勉强的。但如果基于330吨高压补燃发动机的基础,假如搞了一半,最终由于技术难题搞不下去,“废物利用”,涡轮泵组再用于搞400多吨级的燃气发生器发动机还是极有可能的。

因此,从这一备份设想出发,一开始就上马660吨高压补燃煤油发动机的想法就更没有希望。如果巨型补燃煤油机中途下马,要基于660吨补燃发动机技术基础搞燃气发生器煤油发动机,推力大小就比较难控制。如果与F1一样强大,登月之后如何生存又是个大问题,用于长五火箭的5米直径芯级升级使用一台推力不足,使用2台推力又太大,总之左右为难。但如果是330吨高压补燃煤油机的研制中途下马,以其涡轮泵为基础改为研制400多吨级的燃气发生器煤油发动机,再并联两台用于长五火箭5米主芯级的升级改进还是完全可行的。

本文也是来自于《高凉陈君文集精选》第774页,写于8年之前。搞载人登月之类超级大工程,高层的态度是具有决定性意义的,因此现在也决定转发过来。


 楼主| 高凉陈君 发表于 2018-11-9 15:05 | 显示全部楼层
第三十五章  巨型通讯卫星事业发展钱景无限
  
      第一节  GEO轨道电子监听卫星越造越大

世界上还有一种最神秘的通信卫星叫电子侦察监听卫星。美国现役最大电子监听卫星重达11吨以上。而明年计划发射的最新版本更要使用RS68A发动机升级后的德尔塔4H重型火箭来发射,这一款升级版德尔塔4H火箭的GTO运载运力已经高达13吨以上。

想想下,在GEO轨道上的电子监听卫星居然能够监听到地球表面上海量的微弱手机信号。我们就可以想象得到现代卫星天线的接收能力有多么的强大。如果变通下,使用美国大酒瓶电子监听卫星直径达100米的天线阵来研制巨型宽带通信卫星的接收天线,再使用美国先进极高频军用通信卫星的下行天线做发射天线。人类目前的手机根本不必做任何改进就可以直接手机通过巨型通信卫星接入全球互联网。考虑到美国巨型电子侦察监听卫星的重量已经高达11吨以上。这一款“大酒瓶+先进极高频”组合体的巨型宽带通信卫星的重量什么也要重达15吨级,升级后的RS68A版本的德尔塔4H火箭也未必能够发射。

当然,所有的中国人都使用宽带通信卫星上网是不可能的,但如果全国能够有1%的人通过宽带卫星上网,总量也有100多万用户。而有这100多用户能够通过宽带卫星直接进入全球互联网,这已经完全足够保证中国与外部世界的信息沟通了。早年光纤通信对宽带卫星产生了巨大的冲击。但今天KA波段通信卫星再次大爆发。这自然就有它赖以生存的理由。由其在全球政治方面,宽带全球通信卫星对于打破某些国家对全球互联网信息流通的恶意阻隔,再次形成信息孤岛具有决定性的历史意义。因此宽带通信卫星受到美国欧洲政府机构的高度关注。老实说,在现代宽带通信卫星爆炸性发展的现实背景下,任何阻挡全球信息流通一体化的企图都是注定要失败的。

大酒瓶电子侦察监听卫星重大约11000公斤。
美国先进极高频宽带军事卫星重6600公斤。
VIASAT1宽带通信卫星重达6700公斤。
美国WGS宽带军用卫星重达6000公斤以上。
欧洲阿尔法通讯卫星重达6000至9000公斤。

以上有几种卫星是近年发射的宽带通信卫星,也是所有通信卫星之中最重的。因此未来中国的长征三号系列火箭如果还想再在商业发射市场混下去,GTO运载能力升级到6000公斤已经是最起码的条件。

     第二节  GEO轨道载荷重型化趋势倒逼中国长五火箭必须尽快研制成功

欧洲的阿里安五(RD180与RS68都是航天飞机发动机的衍生物)与日本的H2A火箭都是航天飞机工程烂尾之后“废物再利用”所研制的产物。而中国目前为长五火箭所研制的YF77低温发动机却是要补中国当年“缺席”航天飞机时代所遗落下的功课的产物。但补课却没有那么容易,老实说以目前的汇率水平,中国没有100亿美元的投资绝对没有研制成功长五火箭的可能。目前YF77的研制进度已经拖延得太久了。当初谁也没有想到这个东西的研制难度会这么的大。不过,想到现在中国连遍地都是的CAT、日立与川崎挖掘机的液压泵也不能够大量工业化生产仿造,“川崎泵、东芝阀”就是目前中国挖掘机市场产品“高品质、高可靠”的代名词。因此YF77发动机研制进度一推再推也就不那么出人意料了。发展中国家的工业差距与发达国家之间的鸿沟绝对不是那么容易就缩小得了的。这差距的缩小需要时间,急也急不来。

但日本即使拥有如此强大的重工业后盾。日本H2火箭的LE7低温发动机的研制过程也困难重重,最后干脆推倒重来改而研制LE7A,自此之后H2火箭才日渐成熟。即使如此,LE7A发动机的持续工作时间也没有欧洲火神与美国的SSME低温发动机那样长。

可以毫不夸张地说,如果YF77研制成功并高度成熟之后,中国就完全能够称之为先进发达工业化国家。苏联的能源火箭与美国的土星五、航天飞机都是冷战时期不计成本举国投入才搞成功的产物。而欧洲与日本也在航天飞机时代头脑一热,大大冽冽直奔大型低温发动机研制项目而去,费了九牛二虎之力,航天飞机最终没搞成功但大型低温发动机却歪打正着搞成功了,这也是欧洲与日本在航天飞机火热冒险时代所获得的最伟大空间技术成就。这也是高凉陈君一再坚决认为今天的欧洲与日本已经不存在研制载人登月火箭技术阻碍的核心原因。有火神2与LE7A在手,只要肯投钱,欧洲与日本就绝对能够在短时间内迅速研制出登月级火箭来。但目前的中国还不能,因为还存在发动机瓶颈问题。

因此当前中国政府在研制长五火箭时必须要做好“举国投入”的准备,YF77绝对不会那么轻易就能够研制成功的。日本的H2火箭当年就在低温发动机的研制问题上吃了大亏。

YF77研制进度一拖再拖并不是北京11所的错,错就错在11所不敢大胆向外宣称YF77研制目前所面临的重重困难与呼吁国家必须再次加大投资额度。你不说外界想帮你也没法帮,要怪就只有怪当初上马YF77时大家都大大低估了大型低温发动机的研制难度。如果YF77目前的方案存在始终无法克服的研制困难,大不了推倒重来。日本当年的LE7最后就被砍掉了,推倒重来搞了个LE7A才算最终大功告成。

中国现在有的是钱,六院必须学会如何向国家哭钱才是目前最重要的工作;高凉陈君一直认为研制长五火箭的难度要远远超过神舟飞船;对全国工业水平的提升拉动也要远远超过921工程。前前后后没有100多亿美元的投入,想最终研制成功YF77主芯级版本的长五火箭根本就没有可能。一句话,国人要做好YF77版长五火箭首飞时间大大推迟的心理准备,在2020年之前,中国最可靠的GTO运载平台还是目前基于YF20发动机平台的长三系列火箭。如果YF100版的长7火箭能够在2018年后开始进入成熟期,空间站工程也不会受到重大影响,长7有升级到GTO运力7吨的能力,发射下7吨级的重型东方红五号通讯卫星也可以。至于要实施载人登月工程,没有YF77低温发动机就没有成功的任何可能。

第三节  通讯卫星巨型化趋势无法阻挡

电视直播卫星的功率当然是越大越好,问题是电视直播卫星对高功率的要求还远远比不上宽带通信卫星对高功率的要求巨大。因为这是由手机的裤兜定律所决定的。那怕是全电推进通讯卫星也是可以做到重达十几吨以上的。未来6吨卫星能够达到以今天技术水平20吨级通讯卫星的功能与必须研制更为巨型的通信卫星平台没有任何冲突。如一颗东三平台通讯卫星容量就等于8颗东二平台的容量,但这并没有导致到中国不会再次研制更为巨型的东四平台通讯卫星一样。只要宽带卫星的通信容量越来越大,用户使用成本成倍下降,与地面光纤网络的成本差距也会越来越小。这样反而会促进卫星通信卫星公司争相发展更为巨大的卫星平台。

由于全球重型火箭发动机已经高度成熟,火箭制造工艺的持续发展进步,人类进入GTO的发射成本将持续下降。全球市场对于宽带通信卫星的需求也持续增长,巨型通信卫星还是存在广阔的成长空间的。而且宽带通信卫星与市场越来越成熟,将迅速形成规模效应,反过来只会促使宽带卫星上网成本成指数级下降,如此良性循环,直至宽带通信卫星的延时缺点最终取代使用的经济成本成为人们决定是否选择宽带卫星还是地面光纤网络上网的首要因素为止。只要全球网民有10%经常使用宽带卫星上网,这就是一个高达1000多亿美元的庞大市场空间。这个市场就足够支持巨型通信卫星的持续进化成长,直至通信空间站时代的来临。

宽带通信卫星的频率利用问题也是完全可以克服的。巨型通信卫星并不一定是GEO卫星,铱星、全球星之类中低地球轨道的通信卫星也一样可以大型化甚至巨型化的。事实上如果使用东四平台或者劳拉LS1300卫星平台研制低轨道的铱星系统,其通信容量就能够成倍增大。互联网信息的全球化无阻隔流通是一个无法阻挡的洪流。但这需要技术的进步来保障。这也是美国欧洲政府机构为何对宽带通信卫星如此重视的核心根源。美国欧洲的目标就是要让伊朗朝鲜等相关政府从根本上彻底死了企图阻碍干扰其国民最终无限制随时随地进入全球互联网的野心。让上述相关国家的企图彻底破产。事实上大型电视直播卫星已经极为成功地实现了这一目标。如你要想收听外国电台易如反掌。在电视直播卫星巨型化之后,电视卫星碟型天线缩小到只有一个手掌那么大小,价钱只要几十块钱也是完全能够实现的。这样企图垄断阻隔私人用户私下使用卫星电视接收器的可能性就逐渐归零。

当然,这样就需要研制重达三、四十吨,功率达180KW(甚至300KW)的巨型电视直播卫星平台。宽带通信卫星也一样如此。采用先进相控阵列天线,发射点波束与终端采用跳频接收技术的宽带通信卫星信号可不是那么容易干扰与定位的。总之技术的进步正在倒逼世界的相关政府机构不得不改革开放,并不得不与时俱进。帝国主义的最高境界就是全球一体化,当今地球上的任何国家与机构想与全球一体化趋势抗衡注定是要最终失败的。因为时间、思想与技术都在全球一体化主导力量的这一边。当然也可以象朝鲜那样,为了阻隔国民与外部世界无缝联系,干脆远离电气化时代直接倒退回石器时代,对大众社会直接中断电力供应。这样倒也不必要担心民众私下收听外国广播、卫星电视与私下接入国际互联网了。

   
 楼主| 高凉陈君 发表于 2018-11-9 15:06 | 显示全部楼层
  第四节  “质子瓶颈”的出现是人类航天事业的一大悲剧

高凉陈君只对重型通信卫星感兴趣,因为这个东西会深深地影响未来每一个地球人的日常生活。而且重达20吨(乃至40吨)级的巨型通信卫星出现之后,中间运力型与巨型火箭才能够找到足够的持续生存空间。这样人类载人重返月球乃至登陆火星才能拥有更为坚实的火箭平台后盾。
      
自RD170、RD180与SSME出现之后,人类的化学能火箭发动机技术已经发展到顶点了。说句对不好听的话,自有RD180与RD170之类现成巨型发动机在手,未来100年内人类都可以不必研制新的火箭发动机。要载人登陆火星甚至火神小行星拿RD170之类巨型发动机“组装”一款超巨型火箭(起飞推力10000吨,LEO运力400吨级)也是非常容易的事。与之相反,通信卫星、空间站舱段平台之类重型载荷却还有极大的提升空间。如果土星五火星还是现成的,没有后来死掉。按照二十世纪60、70年代美国空间站的设计概念,未来空间站舱段平台都是50、60吨级的(天空实验室就是如此)。一个空间站重200、300吨,仅仅几枚土星五火箭的发射就足以组建完成。

同样,如果洛马波音们生产惯了50吨级的空间站舱段平台,以此为基础在二十世纪后期基于空间站核心舱研制50吨级的巨型广播或者电视直播通信卫星也不是什么不可能的事情。不要说什么巨型通信卫星没有市场,如果50吨级电视直播通信卫星早出现几十年,地面用户接收卫星电视不必使用大锅头天线,卫星电视接收天线一律象手机天线那样内置化。这对今天地球文明的全球无缝交流的影响有多巨大?!

一个产业链能否早几十年发展成功的确需要很多偶然因素来促成,而人类巨型通信卫星市场推迟几十年诞生,与当年土星五、N1火箭使用市场的过早崩溃有着绝对的关系。只要当年的空间科学家与政治家有足够的远见“拉”土星五与N1火箭一把,搞个低配版的土星五火箭或者N1火箭(切洛梅就计划使用NK33升级质子火箭,LEO运载能力达35吨)用于空间站与巨型军事卫星的发射。那么今天人类的巨型通信卫星产业大发展也会得到额外的助力。现在回想起土星五与N1火箭的抛弃,而LEO运力只有20吨级的质子火箭却一用五十年还是让人倍感悲衰的。如果切洛梅的NK33版质子火箭研制成功,有足够多的运力余地。LEO35吨的运力足以推动全球空间站与通信卫星工业早几十年就达到一个新的重量水平,发展到今天劳拉的LS1300、波音的BSS702平台一举升级到10吨以上也未定,而国际空间站舱段平台也早就是35吨级别以上的了。

“质子瓶颈”的出现绝对是偶然事件。但在质子火箭产生的时代不流行捆绑与增减助推器,最终却导致了质子瓶颈的出现,结果苦害了人类空间工业四十年。其实LEO运力20吨级的质子瓶颈就薄弱如一张纸,但现实中就是没有国家主动去击破,反而也导致到阿里安五、H2B与长征五号火箭也止步于LEO运力25吨的区间。一句话,人类“约定俗成”的惰性还是极为巨大的。如果当年质子火箭(质子时代的火箭不兴增减助推器,所以构型非常原始与高度特化)研制时运力区间就一步到位提高到35吨区间,那么后来的空间站舱段平台与深空探测器(乃至重型通信卫星)也一样会自觉做到这么重来不让质子火箭的运力“白白浪费”掉的。

当年先驱者切洛梅们一句话与随意的一个想法就足以影响后来几十年人类空间工业的发展方向,因为那时质子LEO运载能力定位到那里,未来空间站舱段平台的重量就定位到那里。质子的LEO运力为20吨,空间站核心舱最重也就只能止步于20吨级,但质子LEO运力能达35吨区间,空间站核心舱也就同样能够做到35吨级。这一切现在细细想来还是非常有意思的,也会得到很多有益的启发东西。

总结  裤兜定律决定通讯卫星必须巨型化

高凉陈君对卫星通信的概念就只有裤兜定律,只要我裤兜中的手机能够随时随地都可以接入全球互联网、通话、导航与看卫星直播电视,价格又足够便宜,一般人都使用得起,那么通信卫星多大多小我都不感兴趣。因为人类已经进化了几百万年,未来10000年内人类都不会长到3米高,因此未来人类的裤兜也不会比今天人类的大多少,而未来几万年内人类都是不能没有手机的,就象我们的日常生活不能没有筷子刀叉一样,尽管筷子也使用了几千年,也不是什么高科技产物,但却是生活必须品,我们缺了它可不行。

手机一经出现,也已经进化成为人类生活的必须品,在没有其它替代品出现之前,也一定会使用到无穷无尽的未来岁月。那怕10000年后的人类也一样要使用手机,因为我们的耳朵听力不过一两公里,没有手机我们很难在现代社会生存。由此推之,我们就可以知道为了与人类可能持续使用10000年的手机相配套,但手机又不能大于裤兜太多,太大了不方便携带。我们又要将电视、导航、通信上网诸如此类的一切功能都集成在手机上,而且还希望随时随地无限制使用。为了实现这一目标,通信卫星就自然拥有发展的极大空间。10吨级的通信卫星很大吗?!要实现上述功能目标,研制100吨级的巨型通信卫星高凉陈君还觉得有点小呢!从这个角度来思考通信卫星产业的未来发展方向,通讯卫星的巨型化就绝对无法避免。

陈天(高凉陈君)

于广东茂名

2012,5,27

本文来自于《高凉陈君文集精选》第829页,宗旨思想就是要为中间运力火箭在实施载人登月工程之外找到一条最持久的“长期使用饭票”。

现在美国卫讯公司所力推的”卫讯3通讯卫星”已经计划要使用到宇宙神551与猎鹰9H火箭来发射了,因此研制10吨级别的重型通讯卫星对全球中间运力型火箭的未来持续成长是具有重大意义的。
 楼主| 高凉陈君 发表于 2018-11-9 15:08 | 显示全部楼层
第三十九章   航天飞机之殇与中间运力型火箭的发展路径策略
        
        第一节  美国NRO的电子侦察卫星就是一种特殊的巨型通讯卫星

地面上使用的手机功率很低,只有几瓦(W)甚至更低,但运行在36000公里GEO轨道的大酒瓶电子监听卫星、移动通信卫星与宽带上网卫星都能够接收到。这种技术是非常恐怖的.可以毫不夸张地说,如果中国能够依靠自己的力量搞出基于东四平台的移动通信卫星(手机直接联接通信卫星,而不是车载平台)与宽带互联网卫星,那么中国就绝对有能力研制中国版的大酒瓶电子侦察监听卫星。
      
重型通信卫星、宇航深空探测网与大型电子侦察监听卫星的核心技术都是完全相通的,都是必须想方设法接收到来自遥远地方的微弱电波。说到这里我们就能够明白研制重型通信卫星对于中国的国家安全与军事力量的发展有多么的重要。
      
目前最重的通信卫星平台就是洛马与波音公司为美国NRO研制的巨型电子侦察监听卫星(实质就是将NASA的深空网从地面上搬到GEO轨道上,深空网接收来自木星、土星与外太阳系飞船的微弱信号,而大酒瓶电子侦察监听卫星则接收来自地球表面的微弱手机信号)重量保守估计在11吨以上,改进型至少重达13吨,天线直径100米,当然价值则在20亿美元1枚。而劳拉、波音与洛马在公开商业市场上销售的LS1300、BSS702与A2100X系列通信卫星重不过6、7吨,天线直径不过二十多米,价格也只有3、4亿美元。

       第二节  手机与通信卫星都是典型的“万年产业”

手机、通信卫星与衣、食、住、行产品一样都是“万年产业”,那怕我们有一天移居外星也是如此。遥远未来的人类可以没有导弹核武器,没有航空母舰但却不能够没有手机与通信卫星。因为地球是圆的,月球与火星也是圆的。至于什么中微子通信,还太遥远了,但宽带卫星上网与电视直播卫星却是近在眼前的东西。

说通信卫星到10吨重量级别就到头了,那实在目光太过短浅,只要地球上还存在国界之类的东西,不提经济因素,巨型通信卫星就还存在政治上发挥影响的理由。重型通信卫星是典型的全球一体化推动利器,地球村的打造绝对离不开通信卫星。我们想在中国的土地上用手机终端随时随地地收看CNN、BBC与福克斯电视台与在非洲、南美随时随地地收看CCTV、广东卫视,没有重型通信卫星什么行?!当然,重型通信卫星平台的产生对于小国家、小民族与弱小文明体系是非常不利的。它们不仅租不起卫星转发器,更重要的是它们本身就没有多少“母语”电视台与网站。在全球一体化时代它们的声音就没有人听得见,也没有人会去理会。当然这已经不是本文要过多关注的问题。


重型通信卫星有很多种,仅仅是商业通信卫星就有广播卫星、电视直播卫星与移动通信卫星、宽带互联网接入卫星等等。卫星上网谈QQ、打互动游戏会受到延时的大影响,但上上网、无限制地浏览下外国网页,上上外国论坛还是没问题的。

如果重型通信卫星足够多、又足够便宜,政策又开放。中国移动的全球通、神州行也可以升级为地面网络与卫星通信“双模”手机的,在地面网络没有的地方自动转为卫星通信,这在技术上没任何问题。如果不行直接研制地面蜂窝网络与移动卫星双卡双待手机。这只是钱的问题,卫星与手机技术倒没有无法克服的难题。

美国的大酒瓶电子侦察监听卫星就可以直接接收目前地球上所有现成的地面手机信号。我们就可以知道目前人类的军事通信技术的能力有多么的强大,只是还没有转化为民用而已。如果有商业卫星运营客户肯投资10亿美元一颗的价格向波音、洛马(一次性订购10颗左右,太少了商家不肯生产)订购直接使用诺基亚、酷派、苹果之类普遍版手机直接拔打与接入互联网的移动通信或者宽带上网卫星。波音与洛马公司也一样会基于大酒瓶巨型电子监听卫星平台研制商业版本的13吨或者15吨级的巨型通信卫星的。而且也只有10颗左右的巨型通信卫星订单才会促使阿里安五或者ULA开发GTO运载能力高达15吨的火箭来应对商业发射市场的需要。

总而言之,目前巨型通信卫星平台已经是现成存在的产物。大酒瓶间谍卫星的重量从德尔塔四H火箭运载能力的持续升级中可以明白无误地推测到。而且大酒瓶卫星的手机信号接收能力极强,否则美国政府也就不会对其倾注那大的心血。

但大酒瓶间谍卫星平台转为商业用途,还得看欧洲的阿尔法通讯卫星平台的成熟时间。只要劳拉的LS1300与波音的BSS702、洛马的A2100X在商业市场上相较之阿尔法平台竞争力大为减弱,劳拉、波音与洛马就会有动力去搞大酒瓶电子侦察卫星的民用化。

美国商业通信卫星为什么这么牛,与美国政府一贯强力投入电子侦察监听卫星与军事通信卫星的持续开发关系功不可没。美国的未来军事通信卫星(先进极高频的后继通信卫星)计划采用激光通信技术就是最好的证明。

大酒瓶巨型电子侦察监听卫星是那家美国公司的产品我不知道,由于美国政府载荷一般由波音、洛马两家垄断。劳拉公司的商业卫星研制实力强大,但在政府通信卫星市场一向竞争不过国企波音、洛马,因此高凉陈君大体推测出大酒瓶电子侦察卫星的生产商不是波音就是洛马公司。大酒瓶电子监听卫星重达10吨以上,价格高达20亿美元一枚,是目前全球最昂贵的军用航天器。

当然,大酒瓶卫星的具体重量也只能大体推测(从德尔塔4H火箭的发射能力来推测),但监听能力极强,搞得中国政府机关县处级(地市级?!)以上重要会议都是限制手机使用。就可知这个东东不是吃素的。如果能够用这个东西的巨型天线与卫星平台为基础研制商业通信卫星,劳拉公司的LS1300平台就立即失去了商业卫星的一哥地位。

     第三节  美国NRO(美国国家侦察局)是阿波罗时代结束以来持续推进全球火箭运力提升的中坚力量。

美国“转型军事通信卫星”计划流产后,洛马计划发展第二代“先进极高频”通信卫星。鉴于目前版本的先进极高频通信卫星的重量已经高达6600公斤。洛马设想中的改进型先进极高频通信卫星已经计划要使用德尔塔四H火箭来发射。也就是说洛马未来的改进型先进极高频通信卫星的重量已经超过了10吨。

同样,由于阿里安五火箭的运力空间有大量的空余,欧洲也发展了8吨级的阿尔法通信卫星平台。同样,由于长三乙火箭的运力空间还有大量的空余,中国也发展了5吨级的东方红四通信卫星平台。因此为了“用尽”德尔塔4H火箭的运力空间,洛马公司也开始计划研制重达10吨以上级别的重型军事通信卫星。

对于全球空间工业界而言,由于人类本性的“惰性”存在。如果没有某一些“偏执狂”打头阵不惜代价地开拓拼搏,一个全新运力区间的运载火箭型号是很难发展出来的。如果没有当年外国商业卫星的发射计划,中国GTO运力达5吨的长三乙火箭的出现将至少要推迟10年时间;但当年为了“捞钱”这个欲望,18个月就研制出来了。

同样,美国的德尔塔4H火箭也是如此,德尔塔4H火箭的诞生也完全由NRO对情报侦察搜索永无止境的追求而推动。并依赖NRO的发射任务渡过了“艰难曲折”的贫寒童年时代,一直撑到今天星座载人飞船、重型军事通讯卫星与商业通信卫星等其它发射市场的成熟到来。如果没有NRO这个偏执狂,仅仅依赖NASA与商业客户,德尔塔4H火箭是无法产生的。因为自阿波罗时代之后,NASA对重型载荷的追求雄心就已经下降下来,而商业客户更不会有兴趣单独研制一款纯商业重型火箭来发射10吨以上的通信卫星。但NRO则不同,它不仅有雄心还很有钱,而且也是典型的偏执狂。GTO15吨以上更大的火箭运力市场的全球开拓者与培育者就依赖它。

当年切洛梅的想法开拓了质子火箭LEO20吨的发射运力区间,并且由此决定了后世空间站舱段平台20吨的重量范围。而今天NRO的想法同样开拓了德尔塔4H火箭GTO13吨的发射运力区间,也并由此决定了后世新一代重型通信卫星的大体重量范围(当然,由于可以捆绑更多的助推器,德尔塔4H火箭的运力可以轻易提升到GTO18吨以上,方法就是再在芯级多捆绑几枚宇宙神五级别的固体燃料助推器)。

第四节  必须努力培育GTO18吨的军事与商业载荷

如果德尔塔四H火箭 的GTO运力能够一举提升到GTO18吨到20吨的范围,那么一箭就可以将一艘月球版的神舟载人飞船直接送入环月轨道。对于未来中国的长五火箭而言,如果要想打造一个能够活命百年的全新发射市场空间,那么就必须将运载能力提升到GTO18吨区间以上。

即使中国目前并不实施载人登月工程,但本着火箭先行的原则,只要一鼓作气将运载能力提升到GTO18吨,并成功发射一次之后,那怕这一次仅仅发射了一个18吨的石头进入GTO。那么就象今天的美国德尔塔4H火箭那样,十年八年无人关注,但只要你已经证明了你的实际发射能力。日后规划发展的通信卫星、载人飞船与深空探测器之类载荷就会参照你GTO18吨的运载能力上限来进行设计研制的。这就是火箭运力先行,之后再来“培育”GTO10吨至18吨重型载荷发射市场的道理。

说白了就是要先研制出GTO18吨以上的重型火箭,再“引诱”政府与国际商业客户来研制重型载人飞船、空间站舱段平台、巨型通信卫星与巨型深空探测器来与运载火箭“配套”的运营技巧。

如果当年的土星五火箭不死,即使美国政府之后不再进行载人登月飞行,但由于土星五火箭已经是现成的东西,美国空军也许会参照苏联发展质子火箭的发展模式,研制一款“减配缩水版”的完全使用廉价常温上面级的LEO运力只有60多吨的中间运力型火箭来发射美国空军的大型侦察卫星。毕竟二十世纪70年代的大力神3系列火箭的LEO运力已经达15吨左右。使用LEO60吨的土星五火箭,一箭就一次发射两三颗KH9(大鸟)之类的照相侦察卫星还是非常有可能的。而日后美国的土星、木星、金星之类行星探测器也完全可以在今天的基础上,重量再增加2、3倍搞个重15吨级的卡西尼土星探测器,或者5吨级的火星车,那种感觉就实在太完美了。

今天回头细细思考质子火箭为什么始终不发展低温上面级来与之配套;就是因为质子火箭运力强大,前苏联与俄罗斯都没有不使用低温上面级就发射不了的大型GTO与深空探测器载荷。如果质子火箭配上半人马座之类低温上面级,GTO运力完全可以提升到8吨左右,只可惜了质子的好身材。因此对于未来的中国而言,如果GTO运力达18吨的超级版长五火箭一时找不到发射市场,不如参考苏联人研制质子与天顶火箭,转而再研制一款使用常温上面级的“廉价版”长五火箭来发射GTO轨道载荷与深空探测器更好。这样的火箭性能也许不什么出色,但却胜在价格便宜,在商业卫星发射市场还是大有发展空间的。

事实上美国人的猎鹰9与猎鹰9H火箭就有这样的计划,搞便宜的煤油上面级,研制纯煤油的GTO运载火箭,性能也许比不上EELV、阿里安五与H2B,但由于价格便宜在商业市场就无敌了。毕竟这个世界没有多少商人会与金钱过不去。

高配版火箭使用低温上面级,主攻载人登月与外星探测发射市场;低配版火箭则使用常温上面级,主攻近地LEO空间站舱段与GTO轨道商业通信卫星发射市场。如果当年美国人的土星五火箭能够按照这一思路发展,土星五火箭的放弃将是不可想象的事情。这一教训对于未来中国中间运力型火箭的发展也有足够的启示价值。未来中国研制LEO35至80吨运力的火箭并不一定只能够在载人登月市场中生存,如果使用常温上面级如早期阿里安五火箭那样发射GTO轨道的载荷,GTO运力也不过15吨,这样的“低配版火箭”在商业通信卫星发射市场还是能够找到巨大的生存空间的。

也可以说未来国际商业发射市场将会产生“中间运力型火箭配廉价常温上面级”与“小型火箭(阿里安五级别)配昂贵低温高性能上面级”两种完全不同发展思路的火箭共存竞争的局面。说白了就是复制今天质子(或者安加拉)、天顶与EELV、阿里安五的竞争。鉴于今天质子天顶与EELV、阿里安五在商业发射市场竞争中并不处于下风的状况来分析,未来中间运力型火箭配廉价常温上面级也是大有发展前途的。
 楼主| 高凉陈君 发表于 2018-11-9 15:10 | 显示全部楼层
  第五节  世界大国必须“储备”中间运力型火箭

自阿波罗时代以来,世界主流国家有储备粮、储备食盐甚至储备肉却没有“储备中间运力或者巨型火箭”。这是阿波罗时代以来人类空间工业的最大悲剧。储备巨型火箭并不是说一定要生产出一些巨型火箭之后现成放在粮仓里“坐等发射任务”,而是说设计方案早已经做好,有发射需求就能够在最短时间内(24个月)随时具备研制生产出这种火箭的现成工业能力。

如基于质子与大力神四H火箭的发动机平台,只要使用RD253或者LR87发动机5台(或者4台)并联研制质子或者大力神四火箭的主芯级,再捆绑不同数量的助推器。一款LEO运力25至50吨的中间运力型火箭就立即研制出来。但相关国家政府为何始终不作为,这也是冷战时代一个巨大的谜团。说到没有任务需求这完全不成立。因为使用5台RD253(推力150吨)或者LR87(推力120吨)研制的“光棍”主芯级的LEO运力只有15吨左右,要调节运力范围改变捆绑的助推器数量即可。而现成版的质子与大力神四H火箭的LEO运力已经达20吨以上。

现在回过头再次细细品味质子与大力神四火箭的发展历程,对于理清长五与EELV火箭的未来升级发展路径极有好处。

首先是质子。

质子火箭显然不是为发射通信卫星而准备的(但目前质子的生存已经完全依赖于商业通讯卫星发射市场),但在质子火箭出现的1960年时代,质子的运载能力显然远远超过同期美国大力神系列火箭,其LEO运力一举达到20吨以上。而同时期的大力神火箭却只不过还是长二丙的水平,运力只有几吨。因此在LS1300、BSS702与A2100之类大型通信卫星平台还没有出现的早期空间时代,质子生存的主要市场是LEO空间站与大型军事卫星发射任务。
这就导致到质子火箭历史上从来就没有计划为了应对GTO重型载荷的发射而专门研制一款低温上面级火箭。加之通信卫星又一直是前苏联航天工业的短板,前苏联时代的通信卫星平台水平还比不上中国的东方红三号通讯卫星平台。

苏联崩溃后,俄罗斯将质子投入国际商业卫星发射市场,而国际主流通信卫星重量可要比东三平台强大得多,质子火箭开始在国际卫星发射市场大显身手,因此质子的上面级技术也开始迅速发展。但由于质子火箭的一级推力强大,要提升GTO运力,即使研制常温上面级,质子火箭的GTO运力目前也已经提升到7吨左右(最近发射的通信卫星已经重达6点7吨)。不过欧洲目前最重的通信卫星平台阿尔法的重量已经达8吨以上,几十年来一直“推力有余”的质子火箭的主芯级使用潜力终于挖掘殆尽,因此质子如果要发射欧洲阿尔法平台的重型通信卫星,研制低温上面级已经无法回避。同样,俄罗斯新研制的安加拉火箭即使首飞成功,如果不研制低温上面级。安加拉五火箭也仅仅能够发射阿尔法平台基本型通信卫星。10吨以上的阿尔法平台升级版卫星就只能够使用传说中的安加拉七火箭来发射。

质子火箭以现代眼光来观察,显然是芯级推力超前,GTO运力改进主要从上面级着手的产物。如果俄罗斯能够为质子配上长三乙第三级或者半人马座之类的先进低温上面级,再在芯级结构减重方面花点工夫,其GTO运力提升到9吨以上还是可以的。

当然,由于时代局限性,质子芯级构型高度特化。如果走长三乙、阿里安四能够捆绑不同数量助推器的路子,搞个RD253发动机平台的四芯版质子火箭主芯级,再捆绑上四枚或者六枚助推器,即使还是使用微风M常温上面级,质子的GTO运力也可以一举提升到10吨以上。

其次是大力神火箭。

美国的大力神四H火箭发展显然受美国电子侦察卫星重量迅速增长影响更大。
成像侦察卫星并不是越来越大的,因为卫星图片分辨率细到0点2米就已经没有太大的意义。因此美国最重的光学与雷达成象侦察卫星的重量近二十年来已经改变不大,已经到头了。这也是航天飞机将LEO运力上限就设定于29吨的主要原因。但电子侦察卫星则不同,为了搜集更为微弱的手机之类手持终端的信号,NRO电子侦察卫星天线直径一再扩展。到现在还远远没到尽头之时。从军事电子侦察的天线物理学角度与NRO的野心来分析,美国电子监听侦察卫星最终发展到三、四十吨级的水平都是完全的可能的。

美国大力神系列火箭就是依赖军事侦察卫星的发展需求而一步步成长起来。由其是航天飞机爆炸之后,空军独立搞大力神四H系列火箭。大力神仅仅3点05米直径的主芯级已经捆绑上直径同样达3米的UA1207巨型固体燃料助推器,再配上五米直径整流罩,大力神四H火箭的长径比与气动外观已经非常“变态”。如果再不扩大主芯级直径,可以说已经将大力神四系列的使用潜力发挥到了技术极限的边沿。

二十世纪80年代,里根政府如果接受洛马公司基于LR87平台研制四芯版的“大力神野蛮人”火箭的建议,再捆绑航天飞机级巨型SRB,大力神终极版的LEO运力将提升到50吨以上的水平。这样今天EELV系列火箭能否产生还是极大的疑问。同样,今天EELV的德尔塔四H火箭也是因NRO的需求推动而诞生的产物,大力神四H的3米芯级使用潜力已经用尽,而NRO新电子侦察卫星已经重达11吨以上,已经远远超出大力神四H的运载能力。但如果上世纪八十年代里根政府研制了四芯版大力神四H火箭,再配上航天飞机级SRB,GTO运力将达20吨以上,这样用于发射NRO电子侦察卫星再服役到2020年都是可以的。如此就没有今天德尔塔四H火箭什么事了。

从纯商业角度分析,波音尽管为研制德尔塔四H火箭“倒贴”了不少钱,但好歹将美国NRO重型载荷的发射合同从此从洛马的大力神四H手中抢到波音的德尔塔四H火箭的手上。更为重要的是洛马由于不肯自己投资研制宇宙五火箭的重型版本,今天德尔塔四H已经成为美国重型载荷发射的唯一运载工具。连星座飞船试飞发射的火箭合同也归波音所有。而在大力神四H火箭时代,波音最大型火箭只有德尔塔2与不成器的德尔塔3,在运力方面与洛马公司的大力神四H火箭相差极大。

第六节  为了在商业发射市场生存中间运力型火箭可以搭配使用常温上面级

通过质子、大力神四H与德尔塔四H火箭之间的发展演变。可以发现,重型火箭如果运力超前,找不到发射市场就应该想法子研制价格低廉的常温上面级来“主动减配”,以低价优势在商业市场上“捞饭”。如质子那样,俄罗斯完全有能力研制低温上面级,但配上了低温上面级质子价格就上去了,质子芯级又不象长三乙那样可以通过减少助推器来节省成本,因此质子芯级省不了钱就只好在上面级上动脑筋省钱。

而美国的大力神四H则与长三乙一样是运力需求增长而促进升级的火箭,结果持续几十年一改再改,最后产生大力神四H这样外观极为变态的怪物。但由于大力神四H的价格与运载能力还是不能满足NRO的飞速增长要求,最后被波音的德尔塔四H火箭取代。

考虑到军事通信卫星与商业通信卫星重型化、巨型化的发展趋势,德尔塔四H火箭已经越来越受到美国空军的青睬。由于转型通信卫星的取消,10吨级以上的先进极高频改进型卫星迟早会出现,德尔塔四H火箭在美国重型载荷发射市场的领先地位将更为巩固。但是波音公司不学习质子火箭那样为德尔塔四系列火箭研制一款廉价版的常温上面级火箭。从长远来说是存在巨大隐患的。由于价格昂贵发射数量有限,德尔塔四火箭很难从商业市场上捞饭,空白市场空间的长期存在必将引来众多贪婪抢食者。现在已经导致到猎鹰9火箭的迅速崛起。

如果EELV系列火箭能够研制常温上面级,向下投入国际商业市场与长三乙、质子或者阿里安五竞争,增加年发射数量摊薄研制费用,并打压猎鹰9的野心。向上为德尔塔四H捆绑更多的助推器,再配上7米直径的整流罩,又可以“培育”体积与重量更为巨大的载荷市场,即以现成低廉的价格为优势“引诱”NRO、NASA与商业客户研制更大更重的军事卫星、深空探测器或者商业通信卫星。这样高端、低端通吃,而不是坐等NRO的需要再来研制大火箭,这才能够为自己赢得更为广阔的生存空间。

      这一切道理对于中国长五火箭的开发也具有极大的启示意义,GTO运力18吨的超级长五改进版火箭并不一定要采用低温上面级,如果采用常温上面级能够换来更好的性价比与商业市场机会,GTO运力降低到10吨又如何?!只要价格便宜量又足,在商业发射市场就能够获得广阔的生存空间。

中间运力型与巨型火箭“保命”需要技巧。质子火箭就是最好的例子,先不研制高性能低温上面级,但胜在便宜量又足。这样尽管性能一般般很平凡,但总要比土星五过早死掉要好太多。大火箭也要懂得低调,不能时时想着搞光彩四射的登月工程,但能够时时做个“有用的苦力搬运工”,能够先长久生存下来。也要比土星五过早抛弃掉要好得多。

因此研制中间运力型与巨型火箭,一定要搞个低配的常温上面级好让“大火箭”也能够在商业发射市场上“混口饭吃”,这是质子火箭发展历程给后世最大的教训。


      第七节  梳理阿波罗时代以来全球空间重型载荷的发展方向

研究土星五火箭最终被放弃的悲剧与根源,必须研究与梳理自阿波罗时代以来全球市场对空间重型载荷需求的发展方向。

一,军事卫星.。      

在阿波罗时代,无论是光学侦察卫星还是其它(雷达)侦察卫星都正处于原始起步时期。那时无论是美国还是苏联,光学侦察卫星还处于照片返回式时代,由于卫星寿命都不长,做巨型卫星没有必要,因此那时美国苏联的照片返回式侦察卫星重量都只有3、4吨,使用联盟与大力神二火箭就足以发射。后世大放异彩,越来越重迅猛发展的军事通讯卫星、数据中继卫星、电子侦察监听卫星更是处于初生时代,甚至如数据中继卫星当时还没有产生。后来中国的照片返回式侦察卫星也是使用运力与联盟之类火箭相近的长征二号系列火箭来发射。

阿波罗时代登月成功之后,由于那时人们对于空间军事卫星重量认识的局限性,认为军事卫星只有几吨重,研制大型火箭没有必要。因此美国空军对保留土星五火箭与F1巨型煤油发动机不感兴趣就是理所当然了。

 楼主| 高凉陈君 发表于 2018-11-9 15:12 | 显示全部楼层
二,空间站方面。      

说到土星五的一大用处当然少不了空间站。因为到目前为止世上最重的空间站舱段就是由土星五火箭所发射的美国天空实验室。问题是在阿波罗时代结束之后,航天飞机概念紧接着诞生了。

航天飞机这个东西对土星五之类巨型火箭的生存发展带来了致命打击。人们认为空间站的大部分功能是可以由航天飞机取代的,而且价格更便宜。这种极度不成熟与理想化的航天飞机概念让美国政府自空间实验室之后就放弃了建设空间站的思路。再也没有研制天空实验室2号、3号的具体想法。

在阿波罗时代,美国就有大量空间站研制设想,而且舱段平台都在50、60吨水平以上。麦克唐纳-道格拉斯公司(后来并入波音)就有研制1000吨级空间站的具体设想。

如果空间站工程就按照阿波罗时代巨型舱段平台的概念一帆风顺发展到现在,今天人类空间站与空间实验室工程就将要比今天现存的“国际空间站”与“天宫一号”工程要巨型得多、辉煌壮观得多。而且绝对会对后世人类的商用卫星巨型化、深空探测、载人登月与载人火星飞行产生巨大的影响。

但悲剧由航天飞机工程的产生而爆发,美国阿波罗时代诞生的巨型空间站工程设计思想最后无声无息地消失。后来航天飞机由于一系列事故与越来越高昂的使用维护费用,吞噬NASA大量的经费预算与日常精力。如果不是前苏联还一如概往地进行空间站工程的“刺激”,由于人类的惰性原因NASA估计直到美国所有航天飞机都在事故中爆炸掉都不会停止航天飞机工程。即使哥伦比亚之类航天飞机通通玩完,NASA还会接着玩冒险星之类的“航天飞机二代”、“航天飞机三代”之类新概念东西,死抱有翼空间飞行器的僵化思想在近地轨道混吃等死。

事实上航天飞机概念最大的害处不在于其技术上的超前,并由此牺牲了十多名宇航员与维护成本高昂;而更在于其“误导”了人们,并让世人对巨型火箭的用处产生了怀疑,让人类从此觉得巨型火箭已经是多余物,让现成的阿波罗登月工程最重要的成果,土星五号火箭白白抛弃掉。从而让后世载人重返回月球变得如此艰难与为时漫长。

而同时代苏联的质子火箭尽管运力与土星五相差极大,但LEO运力也达20多吨,在土星五时代运载能力排行世界第二。更为重要的是,即使是质子火箭,也是依赖于空间站工程才得以平安地生存下来。因为以质子的运力水平,对于阿波罗时代军事侦察卫星的重量而言还是太大了。但是质子火箭升级的悲剧还是受到了航天飞机概念的冲击而流产。阿波罗时代登月竞赛结束之后,切洛梅计划利用N1火箭遗留下来的NK33煤油发动机升级质子火箭,以让质子的LEO运力提升到35吨的设想,就受到苏联政府也步美国的后尘发展航天飞机工程的决策影响而放弃。

可以说,如果切洛梅当年研制LEO运力达35吨的质子火箭计划成功,后世的和平号空间站与国际空间站构型肯定就会与今天极度不同,而且更为重要是LEO运力达35吨的质子正好一箭就可以将联盟载人飞船送入环月轨道。出于政治领导人“历史留名”的想法,如果升级版质子火箭研制成功,很难想象二十世纪晚期,甚至今天俄罗斯的政治家们会对实施“垂手可得”的载人环月工程兴趣全无。

而且切洛梅就是阿波罗时代质子与联盟飞船载人环月工程的设想者,N1火箭崩溃失败后,他还想着要使用留下的NK33发动机研制LEO运力达35吨的质子火箭,只能说明他对实施苏联的载人环月工程还是不死心。但那时苏联的政治领导人的兴趣已经放在航天飞机工程之上,切洛梅有想法也没办法,但LEO运力35吨却是人类载人重返月球的一道必须跨越的坎。

       第八节  航天飞机工程重创了中间运力型与巨型火箭的发展步伐

因此,从具体分析土星五时代的情形出发。土星五之死与航天飞机产生存在最重大关系,而航天飞机之所以杀死土星五,原因又完全在于当时的人们认为航天飞机完全可以取代空间站功能的认识上。如果当年人们不产生认为航天飞机可以彻底取代空间站的错误观点,仅仅凭借着美国的空间站建设工程,“低配版”土星五火箭还是能够生存下来的。因为麦道公司当年就已经提出了要建设美国巨型空间站的具体设想方案。如果美国新空间站最终重达1000吨级,土星五火箭的发射总量也要10枚以上。在阿波罗时代后的载人航天低潮时期,这无论如何都能够保住土星五火箭的命。

到二十世纪80年代晚期,美国空军重达20吨左右的锁眼、长曲球棍之类巨型成像侦察卫星兴起。土星五火箭的存在在冷战的环境下甚至能够让锁眼之类巨型侦察卫星走得更远,完全可以重达30吨以上。而且传输型侦察卫星的太阳同步轨道也要比照片返回式卫星低地球轨道更高,土星五火箭由使用五台F1发动机改为使用四台F1研制主芯级,再使用廉价版常温第二级用于发射锁眼之类巨型侦察卫星可要比美国空军后来不得不持续升级改进大力神四H火箭要方便太多。

具有讽刺意味的是美国NRO的电子侦察卫星发展更迅猛,即使航天飞机从不发生事故,现在还在服役。但由于货仓体积与载重量的固死限制,今天美国的巨型电子侦察卫星航天飞机也无法进行发射了。

因此分析土星五火箭之死的核心关键就在于阿波罗时代结束,天空实验室发射后的1970年代初至1980年航天飞机首飞之前的这关键十年时间美国重型载荷发射的空白。如果在二十世纪70年代未锁眼11这样的重型侦察卫星已经出现,航天飞机又刚好还没出现,美国空军重启土星五,甚至仅仅再次启动F1煤油发动机生产线,用F1来改进研制大力神火箭主芯级也还是有可能的。因为这样说白了也就是走后来苏联人研制天顶火箭的路子,即单独使用一台巨型F1煤油发动机来研制一款“美国版”的天顶火箭而已。

第九节  抛弃F1巨型煤油发动机是美国政府航天时代以来无法原谅的最重大行政决策错误

如果当年美国能够研制一款F1版的天顶火箭,这也要比航天飞机爆炸之后美国空军不得不死啃大力神的LR87(推力只有125吨)有毒发动机来研制大力神四H要好得多。无论如何F1发动机也要比LR87要先进得多。而保住了F1也就保住了土星五火箭的命脉。

因此从上面的一系列分析中,我们可以发现航天飞机时代中美国火箭工业发展思路极度的混乱与错乱无常。直至二十世纪90年代EELV火箭计划出现之后,美国空军才从航天飞机思想的冲击波阴暗中彻底走出来。

而苏联人则要比美国人高明得多,苏联也搞航天飞机,但苏联人却另外使用RD170发动机搞了一款天顶火箭。要知道当年苏联并没有缺乏天顶运力级别的火箭。质子完全能够取代天顶,而且能源火箭就是火箭,不仅能够发射航天飞机,也能够用于发射巨型空间飞行器。但美国航天飞机由于发动机与燃料箱箭体分离,基于SSME发动机平台的美国版能源也始终没有发展出来。更为重要的是为什么在航天飞机时代,美国政府宁可使用全新研制的巨型固体燃料助推器,也不使用已经完全成熟的F1巨型煤油发动机来研制航天飞机的液体巨型助推器。这也是阿波罗时代美国人的另一个巨大的悲剧。

因为无论从那一个角度而言,土星五的F1都要比后来的巨型SRB要好用得多。起码在发射航天飞机之时使用巨型F1液体助推器就完全可以在转移到发射台之后再来注入燃料,而SRB却要连着1000多吨的固体燃料一起转移。而且美国大型SRB生产线没有航天飞机也能够生存,发射旅行者探测器的大力神三火箭就已经使用大型的UA1200(有UA1205,UA1207)系列分段式固体燃料助推器了。

但F1却是美国巨型煤油发动机的“独苗”,最终NASA不要、美国空军也一样不要。对土星五火箭遗物处理的轻率与漫不经心的事实,也能够折射出航天飞机时代美国空间工业与政治领导人心态的极度浮燥与缺乏足够的冷静远见。由其是后来发展EELV火箭时反而要再次从俄罗斯引入RD180煤油发动机后就更是必须严加批评指责。

简单而言,退一万步土星五火箭由于“种种原因”最终不得不放弃,但无论如何土星五火箭的核心精华F1巨型煤油发动机就绝对不能够放弃。保住了F1就等于保住了土星五火箭的脊梁,就象今天保住了RS68与SSME就等于保住了航天飞机工程的脊梁一样。

那怕仅仅是出于长久保住F1发动机生产线的目标,阿波罗时代结束后美国政府也必须投资研制一款仅仅使用一台F1做主芯级的“美国版天顶火箭”,以F1高达670吨的起飞推力,这样一款“F1发动机版天顶火箭”的LEO运力不过12吨左右,GTO运力不过5吨左右。以冷战时期频繁的空间发射任务,美国政府完全能够“养活”这样的一款火箭。

一旦土星五火箭的F1巨型煤油发动机生产线成功保存下来,后世要再搞载人重返月球工程乃至载人登陆火星飞行都要容易得多。而且也彻底省去了后来研制宇宙神五火箭时必须从俄罗斯进口RD180的一大笔投资。当然,如果在阿波罗时代之后就接着研制了一款“F1版美国天顶火箭”,后来的大力神4H与EELV火箭都完全不必要研制了,因为只要往F1版天顶火箭上捆绑上2枚ATK强大的UA1200系列大型固体燃料助推器,“F1版美国天顶火箭”的LEO运载能力就可以轻松提升到25吨以上,再配上“半人马座”低温上面级,GTO运力达到12吨同样完全无压力。而且“F1版美国天顶火箭 ”与俄罗斯联盟火箭一样都是典型的能够持续使用100多年而不过时的环保好火箭。

 楼主| 高凉陈君 发表于 2018-11-9 15:15 | 显示全部楼层
第十节  重型通讯卫星的出现巩固了中间运力型火箭的生存空间

当然,由于今天重型通信卫星的兴起,由其是欧洲阿尔法平台与中国东方红五通讯卫星平台的发展将会对全球中间运力型火箭的生存发展带来重大影响意义。阿尔法与东五平台基本型重量就已经达6吨,改进升级下达10吨以上是轻而易举的事。而欧洲阿尔法平台除了有追赶美国波音BSS702与劳拉LS1300通信卫星平台的目标外,还是典型的为“用尽”阿里安五火箭运力而研制的产物。

LS1300、BSS702平台与阿尔法平台一样功率强大,但重量只有6、7吨,用阿里安五火箭发射运力还是过大。因此为了“用尽”阿里安五进行单星发射的能力,阿尔法平台最终会一直升级到12吨以上。

从中国的角度而言,东四通讯卫星平台才刚开始成熟,中国航天集团公司就计划要研制东方红五号通讯卫星平台,其核心目标也是为以后长征五号火箭找活干而研制的产物。没有10吨级以上的东方红五号重型通讯卫星的大量发射任务,仅仅依赖空间站建设与嫦娥月球取样返回之类政府工程,无法在商业卫星发射市场上长期讨饭,未来长征五号火箭是很难长久生存下来的。

阿尔法、东五之类巨型通信卫星平台的产生,对于人类载人登月工程最为核心的好处就是阿波罗时代切洛梅质子LEO运力35吨、GTO运力18吨的火箭运力门坎将被商业卫星发射市场的需求无形中被彻底地填平。无论是阿里安五还是长五火箭,只要GTO运力提升到18吨区间,就能够发射联盟(神舟)级别载人飞船的月球版。而这种运力的火箭在平常时期用于一箭双星发射阿尔法与东方红五号平台巨型通信卫星又刚好合适。因此对于中国的载人月球飞行工程而言,研制东五平台通信卫星具有特别重大的战略意义。只要东方红五号通信卫星平台研制成功,长五火箭就能够长久地生存下来,并形成足够强大的“产业链”来促进中国载人月球飞行工程的上马与持续成长。

回顾土星五火箭的悲剧命运。中间运力型火箭要在数量有限的政府任务之外再在商业市场中长久生存下来,发展巨型通信卫星产业已经是唯一的出路。从这个角度而言,欧洲发展阿尔法通讯卫星平台与中国发展东方红五号通讯卫星平台是人类月球载人飞行的一个时代转折点。事实上如果NASA当年研制的是4芯版的战神四火箭,而不是更大的战神五火箭。即使星座工程完蛋,由于能够一箭双星发射欧洲阿尔法平台之类巨型通信卫星与单星发射NRO质量更重的电子侦察卫星,还是能够在政府与商业市场的双重支持下生存下来的。而战神一火箭由于本身与EELV火箭运力重合,在商业市场上也没有阿里安五那样便宜,反而彻底没有了重生的希望。

第十一节  航天飞机时代最大的错误在于没有成功培育出巨型空间载荷产业链

在航天飞机时代,无论是通信卫星、空间站舱段平台、军用成像侦察卫星还是深空探测器,没有那一个的重量是超过30吨级的。但在阿波罗时代,所有设想中的空间站舱段平台都普遍在50、60吨以上。由于土星五火箭的现成存在,那时候的人们认为空间站舱平台重达50、60吨以上完全是理所当然的事。

由于重型火箭的缺失,阿波罗时代之后全球空间载荷的重量受到了严格的限制。四十多年都无法摆脱质子瓶颈的影响阴影,直到EELV系列的德尔塔四H火箭出现为止。

对于今天的全球重型火箭产业而言,必须以通信卫星的巨型化发展趋势为契机,以通信卫星的巨型化为基础来“倒逼牵引”中间运力型火箭的研制才是最有希望的出路。如果不扯上巨型商业通信卫星的发射需求,以现在的全球经济状况,空间工业界要想“说服”社会大众与政治领导层心甘情愿地投入巨资来研制载人登月级火箭,难度不是一般的大。

事实上如果欧洲的阿尔法通信卫星平台与中国的东方红五通信卫星平台研制成功。仅仅使用一台RD170发动机研制芯级的目前版天顶火箭就已经无力发射。如此就会倒逼全球火箭工业界为了发射更大更重的巨型通信卫星不得不为宇宙神五与天顶之类火箭捆绑上更多与更强大的助推器。或者使用更多的YF77、LE7A、RD180、RD170与RS68直接研制更为强大的火箭主芯级。如此才能够一步步倒逼牵引全球火箭的主流LEO运力区间往40吨以上、GTO运力区间往18吨以上的级别上行。如此一步步地让人类得以实施载人重返月球的重型火箭平台研制生产得以水到渠成。

如果纯粹为登月任务而单独研制登月级火箭与巨型发动机。没有巨型空间站舱段平台与巨型商业通信卫星发射市场来共同支持登月级火箭的长期生存发展,最终还是逃脱不了当年土星五火箭登月成功后又不得不被白白抛弃的悲剧命运。这也是高凉陈君为何一再强调从现在开始全球空间工业界就必须要先行一步要主动开拓培育巨型通信卫星产业链的核心理由。如果巨型通信卫星产业市场与产业链培育成功,未来十多年内中国上马实施载人登月工程就是水到渠成的事情。但如果无视了巨型通信卫星产业链的培育发展壮大对牵引倒逼全球运载火箭巨型化发展的决定性促进推动意义,未来十多年要“说服”社会大众与政治领导层上马载人登月工程,无论是美国、中国、欧洲还是俄罗斯,难度都是相当的大。

历史将会证明,通信卫星巨型化与人类载人重返月球是最为关系紧密与相互相成、又互为促进发展的利益共同体。载人登月工程必须要与空间站舱段平台巨型化、通信卫星平台巨型化同时“捆绑进行、共同推进”,这样做最终必将会取得事半功倍的后果。

这也是高凉陈君回顾分析阿波罗时代土星五火箭最终被彻底抛弃,与阿波罗时期巨型火箭产业链跟着同时彻底崩溃的悲剧命运所得到的最大经验与教训。希望能够得到全球空间工业界同仁们的足够认同与重视,以共同推进“载人新登月时代”的尽快来临。


第十二节  重型通讯卫星市场需要认真培育

欧洲空间局现在就主导研制了7吨级的重型阿尔法通讯卫星平台。象阿尔法这类重型通信卫星现在商业用户不使用,就让政府机构与军事部门先用,当平台逐渐成熟,再慢慢投入商业市场。美国的洛马公司就有基于A2100通讯卫星平台(军用卫星平台)研制10吨级别以上的巨型军事通信卫星的设想,即“先进极高频军事通信卫星”的升级版,计划要使用德尔塔四H重型火箭来发射。

随着宽带通信卫星的加速发展,专用数据中继卫星将会与巨型宽带通信卫星完全融合一体化。未来十几年后,全球恐怕将不会再有专用的专业数据中继卫星。巨型宽带卫星在实时图象与视频数据传输方面上将完全能够取代今天专用数据中继卫星的所有功能。而广播卫星的发展已经差不多到了尽头,现在重型通信卫星市场只能指望电视直播卫星与宽带通信卫星来挑大梁。

在太空旅游市场又迟迟不见起色的今天,通信卫星产业只能够“死马当成活马来医”,通信卫星如果不能越做越大,登月级火箭甚至中间运力型火箭未来都没有什么活路。而且全电推进通讯卫星的发展与通讯卫星巨型化也完全没有冲突,全电推进的通讯卫星也是可做到10至20吨级以上的。否则仅靠深空探测与空间站工程,中间运力型火箭一年也发射不了两三次,即使强如美国今年大型深空探测器也只发射了朱诺与好奇号。如果EELV火箭运力足够强大,朱诺木星探测器做到15吨,好奇号火星车做到2、3吨也可以的,这些十几年才发射一次的旗舰任务探测器自然越大越好,因为将能够装载更多的探测仪器。
      
总结  上马载人登月之类特大空间工程是全球火箭工业赖以长久生存的核心环节

以今天的全球空间产业发展前景分析,也只有电子侦察卫星、空间站舱段与商业通信卫星还存在“持续做大”的充足理由。军事成像卫星发展到锁眼的20吨级也到极限了。不实行载人登月工程,要养活全球的中间运力型火箭工业,无论是中国、欧洲还是美国都应该在财政上扶持相关宇航企业研制10吨级以上的重型通信卫星,就当是为了养活中间运力型火箭产业的补贴就了事。

以今天全球发射市场的极端萎缩,日本的H2系列火箭年发射量已经沦落到只有4、5枚的地步,全依靠日本政府支持活命,在商业发射市场的竞争中一败涂地。而阿里安五火箭的年发射量也在持续下降。如果也沦落到每年4、5枚的发射水平,维持生产线运转的成本也将会越来越高昂,最后进入恶性循环也是迟早的事。

由此分析,未来长征五号火箭的命运也是非常不容乐观的。如果10吨级别的重型通信卫星一年发射不了3、4枚,长五火箭生产线也根本无法维持稳定运行。其实从火箭工业企业自身生存的角度考虑,洛马、波音、阿里安与中国航天科技集团自己更有理由坚持上马巨型通信卫星才更符合自身的长远利益。

只要这几大企业出于维持全球火箭工业长期生存的目的,统一口径不再生产6吨以下的小型通信卫星,“强硬向市场推销(强卖强买)”7、8吨级甚至15吨级别的重型通信卫星,或者未来全球火箭工业的生存前景才能够有所改观。否则未来人类火箭工业发展前景注定将要一片灰暗。

这些年来全球空间发射量全依靠中国的发射量快速上升才不至于发生暴跌。俄罗斯则呈缓慢下降趋势,而日本、美国与欧洲的年发射量已经缩小到不能再缩小的程度。但只要北斗导航系统建设完成,中国版的锁眼与长曲球棍侦察卫星研制成功,中国的各类“资源”卫星年发射量也一样会锐减。想象一下目前美国的一颗陆地成像卫星寿命就高达10年以上,而当年一颗大鸟胶片侦察卫星的寿命才只有几个月。应用卫星使用寿命的大幅度延长已经逼得全球火箭企业简直无法生存。

空间飞行器的长寿命趋势已经严重危害到全球火箭企业生存的根基,现在全球火箭产业迫切需要开拓全新的生存空间,就高凉陈君个人感觉而言也只有电视直播卫星与宽带通信卫星还能存在充足的应用开拓空间。而军事成象侦察卫星、气象卫星全球的需求量也只会越来越小,如果一颗锁眼侦察卫星寿命都长达十几年,军事成象侦察卫星产业也迟早要崩溃。至于深空探测器领域,其需求存在极大的不确定性,经济处于上行周期时发射多点,无钱时十年八年不发射一次也是可以的。今天俄罗斯就是如此,即使是一直以财大气粗著称的美国NASA,其旗舰深空探测器也要每隔10年才发射一次。

总而言之,如果通信卫星使用领域再不能产生革命性进步,全球火箭产业前景将一片灰暗与极度悲观。即使有太空探索公司之类乐观者存在,但由于应用卫星寿命越来越长,全球空间发射量锐降,未来的猎鹰9火箭也一样存在无米下锅的巨大风险。因此,二十一世纪的全球航天工业界迫切需要上马载人登月之类特大型空间载人工程来维持长久的稳定生存发展。否则应用卫星的长寿命化趋势迟早会将全球火箭工业通通逼入绝境。

陈天(高凉陈君)

于广东茂名

2014-11-18

本文也是来自于《高凉陈君文集精选》第841页,为了完善中间运力型火箭的应用概念与长期生存路径,高凉陈君早年也是花了很大的心血的。
hyperion 发表于 2018-11-9 19:03 | 显示全部楼层
高凉陈君 发表于 2018-11-9 15:08
第三十九章   航天飞机之殇与中间运力型火箭的发展路径策略
        
        第一节  美国NRO的电子侦察 ...

大酒瓶真得能监听手机吗?这是非常值得怀疑的。
主要问题不在于链路预算,而是因为手机系统采用蜂窝通信原理,不同小区间频率复用。而大酒瓶的分辨率远不能将不同校区的同频信号分开,既然如此又怎么进行手机监听呢?
大略计算一下,手机信号的频率约在2GHz左右,波长0.15m,150m天线在36000km距离下对0.15m信号的分辨率仅为45km。而一个4G小区的典型覆盖变径才1~3m。
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