300吨推力是中国最佳载人登月火箭发动机构型设计

300吨推力是中国最佳载人登月火箭发动机构型设计
      有网友问我，当年我提到的研制360吨高压补燃煤油发动机为基础构建中国的载人登月火箭的想法是否有改变。由于时势的发展，由其是随着猎鹰9的崛起，我现在认为中国研制300吨级燃气发生器煤油发动机来构建中国的载人登月火箭将是“最佳设想”。
现在我决心就这一新变化做一解说。
       首先，太空探索公司猎鹰9成功所带来的启示与挑战。
       目前由于美国的制裁，中国火箭无法发射美国卫星与含有美国零件的卫星。但考虑到一款火箭至少要使用几十年，未来美国解除中国发射美国卫星的限制并不是不可能的。因此太空探索公司迟早都会是中国火箭公司的对手。
      料敌从宽，因此中国在构建下一代火箭时必须要将猎鹰9系列火箭作为最主要的劲敌。因此我认为原来基于高压补燃技术研制中国载人登月火箭煤油发动机在运营经济上将无法与猎鹰9火箭竞争；从长远商业利益出发，从市场经济角度出发。我认为未来中国在研制载人登月火箭时也应该改走燃气发生器之路。目的就是大幅度降低发动机的研制与生产成本，从而做好与猎鹰9正面竞争的准备。
       参考俄罗斯当年的RD170与RD180的研制成本，大型（特指300吨以上）高压补燃煤油机研制，以中国今天的技术能力，没有30多亿美元投资，10多年时间恐怕搞不出来。而只使搞出来，由于研制成本过高，加之高压补燃煤油机生产的难度与工艺要求都远高于燃气发生器煤油机，在商业发射市场上也将难与猎鹰9的低成本“默林”发动机竞争。
       而中国要研制300吨级燃气发生器煤油机则简单得多。
       当年美国研制300吨级的RS68氢氧发动机就是基于航天飞机的SSME来研制的。SSME当年的推力只有190吨，改为燃气发生器后很容易就将推力升级到RS68的300吨级。
         同样，未来中国如果要研制300吨级的燃气发生器煤油机。我们现在就有一个极佳的平台，那就是目前研制成功的120吨推力的YF100高压补燃煤油机。
          美国人当年基于SSME平台研制RS68花费并不大，而RS68的运营经济性更好。否则美国空军也不会选择RS68为平台来研制德尔塔四火箭。
        中国有样学样，不如就叫六院基于YF100平台搞个燃气发生器的煤油机。当然，由于目前版本的YF100推力只有120吨，要基于YF100平台研制300吨级的燃气发生器煤油机，起码YF100的泵系要改进不小。但由于室压大大降低，中国基于YF100平台研制300吨煤油机的难度要远远低于重新研制480吨级高压补燃煤油机所面临的技术压力与投资强度。
             其次，研制300吨燃气发生器煤油机能够极好地与目前版本的长五系列火箭匹配。
           参考目前长征5火箭使用2台YF100来研制3点35米助推器。研制成功300吨燃气发生器煤油机后，长五的助推器就可以改为使用一台300吨级发动机来研制了。这样未来中国只使不搞登月级火箭，300吨级燃气发生器煤油机也不会浪费掉。
            第三，基于CBC（通用芯级助推模块）构型来研制中国的载人登月火箭。
          太空探索公司的猎鹰9使用9台默林发动机来研制猎鹰9火箭的芯级；这是猎鹰9火箭的无奈，因为太空探索公司目前只能够拿出这种几十吨推力的小发动机。
         而一旦中国研制成功300吨燃气发生器煤油机之后，由于推力强大，我们当然不必象太空探索公司那么“极端”。
          我们可以仅仅使用5台300吨级发动机并联来研制一款芯级直径为7米（具体数字有出入）的新火箭。
         之所以选择5台发动机与7米芯级直径是有原因的。.目前版本的长五起飞推力1000吨出头，GTO运力已经达14吨。而未来搞的5台300吨推力发动机并联的新芯级，起飞推力已经达到1500吨，GTO运力什么也达18吨（猎鹰9H的GTO运力号称20吨以上），这正好一箭就将神舟飞船的载人环月版本送入月球轨道。
          而要发射重型载人登月舱。则直接学美国的德尔塔四H的样子，使用3个7米直径CBC助推模块，每个CBC推力达1500吨级，3*1500=4500吨起飞推力。这已经比当年美国人的土星五火箭强大得多了。而与猎鹰9H起飞级27台发动机相比较，中国的重型登月火箭的起飞级发动机总台数也只有15台；只使与目前版本的长五火箭10台起飞级发动机相比，起飞级发动机数量也不算多得离谱。
         而要研制未来7米芯级直径火箭的第二级，则直接使用5台YF77低温发动机可以了。这样北京11所也不会对上马新7米直径芯级火箭的研制进行激烈抵制，好处大家都有份。
        至于上面级，即第三级则可以直接套用目前版本的长五火箭的5米直径第三级与5米直径整流罩。
         而由于主芯级使用煤油，由于燃料密度高，第一级长度可以控制在35米左右。第二级由于一共使用了5台YF77，燃烧时间也会大大缩小，长度也会比目前长五火箭第一级要短，可以控制于25米左右。而第三级则直接使用目前长五的第三级。这样带上整流罩，7米直径新火箭总长度完全可以控制在95米以下，长径比也只有13点5。
          当然如果要更强的深空运输能力，利用一台甚至两台YF77研制一个7米直径的新上面级也同样可以的。而整流罩直径也可以大幅度升级到9米左右，要发射大型登月舱也绰绰有余了。
          第四，7米直径新火箭可以直接共用文昌发射场的长五发射架。
         同样，只使未来由于种种原因，中国的载人登月工程不能上马，LEO运力达35吨，GTO运力达到18吨的芯级直径7米新火箭甚至可以直接使用文昌航天发射场目前为长五火箭所研制建设的发射塔直接发射，而不必要建设新的发射塔。
         目前版本的长五火箭芯级直径5米，加上两个3点35米助推器，总宽度直径已经达11点7米。未来“光棍版本”的直径7米新火箭完全可以不费力气就能够塞入天津的火箭震动试验塔，文昌航天发射场的总装测试大楼与发射塔。
          而要养活LEO35吨，GTO18吨的7米直径新长征火箭，只使不上马载人登月工程也极为容易。发射下大吨位空间站舱段，GEO光学侦察（直播航母动向）卫星，一箭双星发射重型通讯卫星与及重型深空无人探测器与“宝马X5”级别大的月球，火星车等。最惨一年也能“捞”到两三次发射机会（美国目前研制中的SLS火箭，两三年都没有一次发射机会，惨不忍睹），方方面面都“饿不死”。
            第五，由于300吨级燃气发生器煤油发动机可以同时用于长五火箭升级版与新7米直径登月火箭。年产量将极大提高，生产成本大幅度降低。
我反复拿300吨燃气发生器发动机与目前六院设想中要研制的480吨高压补燃煤油机进行对比。
           如果中国的载人登月工程能够快速上马并长久持续进行下去，相关各方都皆大欢喜，“养活”问题不大。问题是一旦载人登月工程中途落马。480吨高压补燃煤油机的“养活”问题就不是一般的大了。
          480吨煤油发动机改用于长五3点35米助推器吧，推力又太大了，燃烧不了几秒燃料就烧完了；直接要塞进长五的5米芯级，1台480吨煤油机做起飞级，恐怕推力又不足，毕竟美国的阿特拉斯五火箭芯级直径仅仅3点8米，但RD180的推力已经达400吨。而两台吧，恐怕5米芯级又塞不下2台480吨高压补煤油机，而芯级长度还要大幅度延长，否则燃料也不够烧。总之是左右不便，横坚都难。
          更重要的问题还出在于如果长五火箭5米芯级直接改为使用480吨煤油机，目前研制中的YF77低温主芯级就要抛弃了。运载火箭生产商倒无所谓，但这必将会引起生产低温发动机的北京11所的激烈反对。
           参考美国在研制EELV火箭之后，从大力神三与四H时代起就一直“温饱不愁”的ATK公司突然就无米下锅（加之航天飞机后来又退役）了，于是引起了ATK公司的激烈反对，NASA不得不硬生生又上马搞了一款战神１火箭，以图“喂饱”ATK，如果又白白花了几十亿美元，结果还“烂了尾”。
            与研制４８０吨煤油机左右难做人相比较，研制３００吨级煤油机要好“做人”多了。
             研制成功３００吨燃气发生器煤油机，可以直接用于升级改进长五火箭的助推器，主芯级不变，这样六院与北京１１所都没有利益冲突。
             而３００吨煤油机用于研制７米新芯级，文昌发射场不用升级也可以直接使用，也少了大动手术的麻烦；各方利益冲突也不大。起码不必要新征地拆迁，也还不必担心无钱投资，毕竟长五目前的３点３５米助推器，新7米芯级火箭也可以使用。
            更重要的原因还在于无论上马载人登月工程还是仅仅使用于升级长五火箭，３００吨级燃气发生器煤油机都能够维持很高的产量，这非常有利于降低生产成本。
            参考美国的宇宙神五与德尔塔四火箭。一年发射7，８枚，RD１８０与RS６８的年产量也同样是７，８台。每个月的产量都没有一台，火箭发动机无法做到大规模“批量生产”，而火箭发动机生产商也无意改进生产流程，否则生产多了，迟迟使用不完，绝不意味着要“失业”？！结果无论是俄罗斯的能源公司还是美国的洛克达因公司都乐意“磨洋工”，日子过得半死不活，不死也不活。但由于生产力与生产线大量闭置，这极为不利于降低生产成本，企业也无心思去降低生产成本。
            而猎鹰9由于发动机需求量大，太空探索公司计划高峰时期年产量达４００台，每月产量都有三十多台，这将在足够的动力支持企业去想方设法改进生产流程与工艺。生产线与劳动力也能够满负荷运行。这能够大幅度降低生产成本与产品“良品率”，年产量太少，工人手“很生”。
           而按照目前中国长五的年产量估算，估计每年的发射量为８枚，一年也需要生产３２枚3００吨级煤油发动机；这也要比RD１８０，RS６８与火神２们的年产量高得多，“养活”问题不大。
          果上马载人登月工程，一年按２次载人登月飞行计算。需要２枚“光棍”７米芯级火箭发射神舟飞船环月版，合计共消耗２×５＝１０台３００吨推力发动机。另外再需要２枚捆绑３个CBC助推器的重量型火箭，合计消耗２×（３×５）＝３０台３００吨发动机。
          这样仅仅载人登月工程一年就要消耗４０台３００吨级燃气发生器发动机了。再加上长五火箭的发射量，３２＋４０＝７2台，这足够六院生存得很好了；而无论登月还是长五也都要用到ＹＦ７７，北京１１所的氢氧发动机年产量也有３０多台。只使是ＹＦ１００，由于长七与长六还要继续使用，一年的产量也有几十台。
            这样未来中国的四款主力发动机，即ＹＦ１００，ＹＦ７５D，ＹＦ７７与“YF300”都将能够维持非常合理的生产量“矩阵”。相关企业与工人都能够做到“满负荷”运行。这必然要比今天欧洲的火神2，俄罗斯的RD170，RD180与美国的RS68们“个位数”的年产量要好太多。
            总结章。经济成本的严格控制必须上升为载人登月火箭发动机研制规划的“首要决策因素”。
            今天中国再上马载人登月工程必然不能再象美国当年搞阿波罗那样不计算成本了。我们必须志在长远而不是“到此一游”。因此必须将载人登月的经济成本控制升级到核心地位。
            参考航空母舰与土星五登月级火箭的“价格互动”。
           在阿波罗时代一枚土星五价格等同于一艘“企业（几万吨级）”号核动力航母；因此长久载人登月显然不可持续。
          而今天，美国的SLS基本型火箭的价格已经降低到等同于一艘“频海高速战舰（3000吨级）”的地步，为10亿美元1枚，但价格还是很高。
          而我们中国未来的载人登月级火箭必须要将其价格再降低到“导弹快艇（500吨级）”的地步，也就是至多1亿美元一枚。这样地球人类就有足够的能力，信心与动力持续维持一个与多个月球科学考察站的运行了。而各种各样的“私人土豪”与有钱小国的“公务宇航员”们也可以坐坐“商业飞船（月球交锁匙服务）”到月球“走走看看”了。而只有在经济上能够做到“收支平衡”，人类的月球载人事业才能够永远进行下去，而这也是我们这一代所渴望与努力追求的！
高凉陈君
2013-12-19


300吨推力是中国最佳载人登月火箭发动机构型设计
      有网友问我，当年我提到的研制360吨高压补燃煤油发动机为基础构建中国的载人登月火箭的想法是否有改变。由于时势的发展，由其是随着猎鹰9的崛起，我现在认为中国研制300吨级燃气发生器煤油发动机来构建中国的载人登月火箭将是“最佳设想”。
现在我决心就这一新变化做一解说。
       首先，太空探索公司猎鹰9成功所带来的启示与挑战。
       目前由于美国的制裁，中国火箭无法发射美国卫星与含有美国零件的卫星。但考虑到一款火箭至少要使用几十年，未来美国解除中国发射美国卫星的限制并不是不可能的。因此太空探索公司迟早都会是中国火箭公司的对手。
      料敌从宽，因此中国在构建下一代火箭时必须要将猎鹰9系列火箭作为最主要的劲敌。因此我认为原来基于高压补燃技术研制中国载人登月火箭煤油发动机在运营经济上将无法与猎鹰9火箭竞争；从长远商业利益出发，从市场经济角度出发。我认为未来中国在研制载人登月火箭时也应该改走燃气发生器之路。目的就是大幅度降低发动机的研制与生产成本，从而做好与猎鹰9正面竞争的准备。
       参考俄罗斯当年的RD170与RD180的研制成本，大型（特指300吨以上）高压补燃煤油机研制，以中国今天的技术能力，没有30多亿美元投资，10多年时间恐怕搞不出来。而只使搞出来，由于研制成本过高，加之高压补燃煤油机生产的难度与工艺要求都远高于燃气发生器煤油机，在商业发射市场上也将难与猎鹰9的低成本“默林”发动机竞争。
       而中国要研制300吨级燃气发生器煤油机则简单得多。
       当年美国研制300吨级的RS68氢氧发动机就是基于航天飞机的SSME来研制的。SSME当年的推力只有190吨，改为燃气发生器后很容易就将推力升级到RS68的300吨级。
         同样，未来中国如果要研制300吨级的燃气发生器煤油机。我们现在就有一个极佳的平台，那就是目前研制成功的120吨推力的YF100高压补燃煤油机。
          美国人当年基于SSME平台研制RS68花费并不大，而RS68的运营经济性更好。否则美国空军也不会选择RS68为平台来研制德尔塔四火箭。
        中国有样学样，不如就叫六院基于YF100平台搞个燃气发生器的煤油机。当然，由于目前版本的YF100推力只有120吨，要基于YF100平台研制300吨级的燃气发生器煤油机，起码YF100的泵系要改进不小。但由于室压大大降低，中国基于YF100平台研制300吨煤油机的难度要远远低于重新研制480吨级高压补燃煤油机所面临的技术压力与投资强度。
             其次，研制300吨燃气发生器煤油机能够极好地与目前版本的长五系列火箭匹配。
           参考目前长征5火箭使用2台YF100来研制3点35米助推器。研制成功300吨燃气发生器煤油机后，长五的助推器就可以改为使用一台300吨级发动机来研制了。这样未来中国只使不搞登月级火箭，300吨级燃气发生器煤油机也不会浪费掉。
            第三，基于CBC（通用芯级助推模块）构型来研制中国的载人登月火箭。
          太空探索公司的猎鹰9使用9台默林发动机来研制猎鹰9火箭的芯级；这是猎鹰9火箭的无奈，因为太空探索公司目前只能够拿出这种几十吨推力的小发动机。
         而一旦中国研制成功300吨燃气发生器煤油机之后，由于推力强大，我们当然不必象太空探索公司那么“极端”。
          我们可以仅仅使用5台300吨级发动机并联来研制一款芯级直径为7米（具体数字有出入）的新火箭。
         之所以选择5台发动机与7米芯级直径是有原因的。.目前版本的长五起飞推力1000吨出头，GTO运力已经达14吨。而未来搞的5台300吨推力发动机并联的新芯级，起飞推力已经达到1500吨，GTO运力什么也达18吨（猎鹰9H的GTO运力号称20吨以上），这正好一箭就将神舟飞船的载人环月版本送入月球轨道。
          而要发射重型载人登月舱。则直接学美国的德尔塔四H的样子，使用3个7米直径CBC助推模块，每个CBC推力达1500吨级，3*1500=4500吨起飞推力。这已经比当年美国人的土星五火箭强大得多了。而与猎鹰9H起飞级27台发动机相比较，中国的重型登月火箭的起飞级发动机总台数也只有15台；只使与目前版本的长五火箭10台起飞级发动机相比，起飞级发动机数量也不算多得离谱。
         而要研制未来7米芯级直径火箭的第二级，则直接使用5台YF77低温发动机可以了。这样北京11所也不会对上马新7米直径芯级火箭的研制进行激烈抵制，好处大家都有份。
        至于上面级，即第三级则可以直接套用目前版本的长五火箭的5米直径第三级与5米直径整流罩。
         而由于主芯级使用煤油，由于燃料密度高，第一级长度可以控制在35米左右。第二级由于一共使用了5台YF77，燃烧时间也会大大缩小，长度也会比目前长五火箭第一级要短，可以控制于25米左右。而第三级则直接使用目前长五的第三级。这样带上整流罩，7米直径新火箭总长度完全可以控制在95米以下，长径比也只有13点5。
          当然如果要更强的深空运输能力，利用一台甚至两台YF77研制一个7米直径的新上面级也同样可以的。而整流罩直径也可以大幅度升级到9米左右，要发射大型登月舱也绰绰有余了。
          第四，7米直径新火箭可以直接共用文昌发射场的长五发射架。
         同样，只使未来由于种种原因，中国的载人登月工程不能上马，LEO运力达35吨，GTO运力达到18吨的芯级直径7米新火箭甚至可以直接使用文昌航天发射场目前为长五火箭所研制建设的发射塔直接发射，而不必要建设新的发射塔。
         目前版本的长五火箭芯级直径5米，加上两个3点35米助推器，总宽度直径已经达11点7米。未来“光棍版本”的直径7米新火箭完全可以不费力气就能够塞入天津的火箭震动试验塔，文昌航天发射场的总装测试大楼与发射塔。
          而要养活LEO35吨，GTO18吨的7米直径新长征火箭，只使不上马载人登月工程也极为容易。发射下大吨位空间站舱段，GEO光学侦察（直播航母动向）卫星，一箭双星发射重型通讯卫星与及重型深空无人探测器与“宝马X5”级别大的月球，火星车等。最惨一年也能“捞”到两三次发射机会（美国目前研制中的SLS火箭，两三年都没有一次发射机会，惨不忍睹），方方面面都“饿不死”。
            第五，由于300吨级燃气发生器煤油发动机可以同时用于长五火箭升级版与新7米直径登月火箭。年产量将极大提高，生产成本大幅度降低。
我反复拿300吨燃气发生器发动机与目前六院设想中要研制的480吨高压补燃煤油机进行对比。
           如果中国的载人登月工程能够快速上马并长久持续进行下去，相关各方都皆大欢喜，“养活”问题不大。问题是一旦载人登月工程中途落马。480吨高压补燃煤油机的“养活”问题就不是一般的大了。
          480吨煤油发动机改用于长五3点35米助推器吧，推力又太大了，燃烧不了几秒燃料就烧完了；直接要塞进长五的5米芯级，1台480吨煤油机做起飞级，恐怕推力又不足，毕竟美国的阿特拉斯五火箭芯级直径仅仅3点8米，但RD180的推力已经达400吨。而两台吧，恐怕5米芯级又塞不下2台480吨高压补煤油机，而芯级长度还要大幅度延长，否则燃料也不够烧。总之是左右不便，横坚都难。
          更重要的问题还出在于如果长五火箭5米芯级直接改为使用480吨煤油机，目前研制中的YF77低温主芯级就要抛弃了。运载火箭生产商倒无所谓，但这必将会引起生产低温发动机的北京11所的激烈反对。
           参考美国在研制EELV火箭之后，从大力神三与四H时代起就一直“温饱不愁”的ATK公司突然就无米下锅（加之航天飞机后来又退役）了，于是引起了ATK公司的激烈反对，NASA不得不硬生生又上马搞了一款战神１火箭，以图“喂饱”ATK，如果又白白花了几十亿美元，结果还“烂了尾”。
            与研制４８０吨煤油机左右难做人相比较，研制３００吨级煤油机要好“做人”多了。
             研制成功３００吨燃气发生器煤油机，可以直接用于升级改进长五火箭的助推器，主芯级不变，这样六院与北京１１所都没有利益冲突。
             而３００吨煤油机用于研制７米新芯级，文昌发射场不用升级也可以直接使用，也少了大动手术的麻烦；各方利益冲突也不大。起码不必要新征地拆迁，也还不必担心无钱投资，毕竟长五目前的３点３５米助推器，新7米芯级火箭也可以使用。
            更重要的原因还在于无论上马载人登月工程还是仅仅使用于升级长五火箭，３００吨级燃气发生器煤油机都能够维持很高的产量，这非常有利于降低生产成本。
            参考美国的宇宙神五与德尔塔四火箭。一年发射7，８枚，RD１８０与RS６８的年产量也同样是７，８台。每个月的产量都没有一台，火箭发动机无法做到大规模“批量生产”，而火箭发动机生产商也无意改进生产流程，否则生产多了，迟迟使用不完，绝不意味着要“失业”？！结果无论是俄罗斯的能源公司还是美国的洛克达因公司都乐意“磨洋工”，日子过得半死不活，不死也不活。但由于生产力与生产线大量闭置，这极为不利于降低生产成本，企业也无心思去降低生产成本。
            而猎鹰9由于发动机需求量大，太空探索公司计划高峰时期年产量达４００台，每月产量都有三十多台，这将在足够的动力支持企业去想方设法改进生产流程与工艺。生产线与劳动力也能够满负荷运行。这能够大幅度降低生产成本与产品“良品率”，年产量太少，工人手“很生”。
           而按照目前中国长五的年产量估算，估计每年的发射量为８枚，一年也需要生产３２枚3００吨级煤油发动机；这也要比RD１８０，RS６８与火神２们的年产量高得多，“养活”问题不大。
          果上马载人登月工程，一年按２次载人登月飞行计算。需要２枚“光棍”７米芯级火箭发射神舟飞船环月版，合计共消耗２×５＝１０台３００吨推力发动机。另外再需要２枚捆绑３个CBC助推器的重量型火箭，合计消耗２×（３×５）＝３０台３００吨发动机。
          这样仅仅载人登月工程一年就要消耗４０台３００吨级燃气发生器发动机了。再加上长五火箭的发射量，３２＋４０＝７2台，这足够六院生存得很好了；而无论登月还是长五也都要用到ＹＦ７７，北京１１所的氢氧发动机年产量也有３０多台。只使是ＹＦ１００，由于长七与长六还要继续使用，一年的产量也有几十台。
            这样未来中国的四款主力发动机，即ＹＦ１００，ＹＦ７５D，ＹＦ７７与“YF300”都将能够维持非常合理的生产量“矩阵”。相关企业与工人都能够做到“满负荷”运行。这必然要比今天欧洲的火神2，俄罗斯的RD170，RD180与美国的RS68们“个位数”的年产量要好太多。
            总结章。经济成本的严格控制必须上升为载人登月火箭发动机研制规划的“首要决策因素”。
            今天中国再上马载人登月工程必然不能再象美国当年搞阿波罗那样不计算成本了。我们必须志在长远而不是“到此一游”。因此必须将载人登月的经济成本控制升级到核心地位。
            参考航空母舰与土星五登月级火箭的“价格互动”。
           在阿波罗时代一枚土星五价格等同于一艘“企业（几万吨级）”号核动力航母；因此长久载人登月显然不可持续。
          而今天，美国的SLS基本型火箭的价格已经降低到等同于一艘“频海高速战舰（3000吨级）”的地步，为10亿美元1枚，但价格还是很高。
          而我们中国未来的载人登月级火箭必须要将其价格再降低到“导弹快艇（500吨级）”的地步，也就是至多1亿美元一枚。这样地球人类就有足够的能力，信心与动力持续维持一个与多个月球科学考察站的运行了。而各种各样的“私人土豪”与有钱小国的“公务宇航员”们也可以坐坐“商业飞船（月球交锁匙服务）”到月球“走走看看”了。而只有在经济上能够做到“收支平衡”，人类的月球载人事业才能够永远进行下去，而这也是我们这一代所渴望与努力追求的！
高凉陈君
2013-12-19