谈运载火箭的需求和发展

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/05/02 16:59:16
某个载荷级别的火箭的存在和发展固然是以载荷需求为基础的。如果需求不足,火箭即使被成功地开发出来,也会被废弃。有效载荷二十吨以下的运载火箭由于有来自商业上的需求,它们的存在和发展是毫无疑问的。不但如此,由于有利可图和多国互相竞争,一直以来这一级别的火箭在技术上和成本上都有长足的进步。

大中型火箭的情形却不然。重型火箭曾经由于美苏载人登月竞争而搞得如火如荼,也随着登月竞争结束而处于被废弃的状态。中间运载能力火箭的地位更尴尬,其发展基本上处于空白状态。造成这种状态的根本原因固然是因为大中型火箭缺乏商业需求的支持、而只有来自商业的需求才是长期和稳定的需求。所以,大中型火箭的需求完全取决于政府的航天规划。

也就是说,大中型火箭的需求取决于人为的决策,而不是客观上存在的商业需求。大中型火箭需求的来源中,其中一个是载人登月计划。只要政府要搞载人登月,大中型火箭就是必需的一环。而且,载人登月所需要的最好是大型火箭,中型火箭用于登月虽然不能说是不可能,但是比起大型火箭来说,步骤更多、技术更复杂、风险也更高。

大中型火箭需求的另一个来源是空间站。而且,中型火箭需求的来源主要就是空间站。但是,空间站要怎么搞,变数很大,小有小搞、大有大搞,并不像载人登月那样小搞就搞不成。因此,决策者可以根据手上现有的运载能力来规划空间站的规模,用改变需求来适应现有的运载能力——削足就履。国际空间站就是削足就履的样板。

由此可见,中型火箭的地位是最尴尬的,这也是为何中间运载能力火箭基本空白的原因。回望过去,超级大国不搞中型火箭,是非不能也、实不为也;而其他国家不搞中型火箭则是实不能也。中型火箭地位尴尬还有另一原因。中型火箭的开发有三个途径:其一是直接开发中型火箭的箭体和发动机,其二是搞长五级别火箭的升级版本,其三是搞大型火箭的降级版本(这种版本只有美苏两国才行)。由于普通火箭升级、大型火箭降级都可以达到中型火箭的运载能力,直接开发中型火箭没有太大的必要。如此,则以填补运载能力空白的动机来开发中型火箭的机会也不大了。

中国将来搞不搞大中型火箭?那还是要看需求——即决策,也就是看中国将来打不打算搞载人登月和空间站、而且主要是看搞不搞载人登月。如果将来要搞载人登月,那就必须开发大中型火箭。但是如果只搞空间站,却未必需要大中型火箭。

中国的月球计划分为探、登、驻三大步,而嫦娥计划第一大步,又细分为绕、落、回三小步。从中国的这种规划来看,最终目的是月球基地,其实质则是着眼于月球上的资源开发。如果嫦娥计划探明月球没有什么有价值的资源,恐怕登、驻这两大步就会就此打住,大中型火箭需求就少了一个来源。但是如果嫦娥计划证明了月球开发很有价值,那么即使现在还没有开发能力,也要尽快上去划分势力范围,载人登月按理说就应该快马加鞭了。

如果月球很有开发价值,那么中国作为一个航天大国,载人登月和建立月球基地是迟早的事。在此情况下中国应该怎么开发所需要的火箭?以及怎么以手上的火箭来执行登、驻这两步?

我认为中国还是不应该专门开发中型火箭。中国近期可以用长五升级版本,通过多次发射、空间对接的方式来完成载人登月,中、远期则应开发大型火箭来支撑驻月工程,而且驻月工程也只有大型火箭才支撑得起。某个载荷级别的火箭的存在和发展固然是以载荷需求为基础的。如果需求不足,火箭即使被成功地开发出来,也会被废弃。有效载荷二十吨以下的运载火箭由于有来自商业上的需求,它们的存在和发展是毫无疑问的。不但如此,由于有利可图和多国互相竞争,一直以来这一级别的火箭在技术上和成本上都有长足的进步。

大中型火箭的情形却不然。重型火箭曾经由于美苏载人登月竞争而搞得如火如荼,也随着登月竞争结束而处于被废弃的状态。中间运载能力火箭的地位更尴尬,其发展基本上处于空白状态。造成这种状态的根本原因固然是因为大中型火箭缺乏商业需求的支持、而只有来自商业的需求才是长期和稳定的需求。所以,大中型火箭的需求完全取决于政府的航天规划。

也就是说,大中型火箭的需求取决于人为的决策,而不是客观上存在的商业需求。大中型火箭需求的来源中,其中一个是载人登月计划。只要政府要搞载人登月,大中型火箭就是必需的一环。而且,载人登月所需要的最好是大型火箭,中型火箭用于登月虽然不能说是不可能,但是比起大型火箭来说,步骤更多、技术更复杂、风险也更高。

大中型火箭需求的另一个来源是空间站。而且,中型火箭需求的来源主要就是空间站。但是,空间站要怎么搞,变数很大,小有小搞、大有大搞,并不像载人登月那样小搞就搞不成。因此,决策者可以根据手上现有的运载能力来规划空间站的规模,用改变需求来适应现有的运载能力——削足就履。国际空间站就是削足就履的样板。

由此可见,中型火箭的地位是最尴尬的,这也是为何中间运载能力火箭基本空白的原因。回望过去,超级大国不搞中型火箭,是非不能也、实不为也;而其他国家不搞中型火箭则是实不能也。中型火箭地位尴尬还有另一原因。中型火箭的开发有三个途径:其一是直接开发中型火箭的箭体和发动机,其二是搞长五级别火箭的升级版本,其三是搞大型火箭的降级版本(这种版本只有美苏两国才行)。由于普通火箭升级、大型火箭降级都可以达到中型火箭的运载能力,直接开发中型火箭没有太大的必要。如此,则以填补运载能力空白的动机来开发中型火箭的机会也不大了。

中国将来搞不搞大中型火箭?那还是要看需求——即决策,也就是看中国将来打不打算搞载人登月和空间站、而且主要是看搞不搞载人登月。如果将来要搞载人登月,那就必须开发大中型火箭。但是如果只搞空间站,却未必需要大中型火箭。

中国的月球计划分为探、登、驻三大步,而嫦娥计划第一大步,又细分为绕、落、回三小步。从中国的这种规划来看,最终目的是月球基地,其实质则是着眼于月球上的资源开发。如果嫦娥计划探明月球没有什么有价值的资源,恐怕登、驻这两大步就会就此打住,大中型火箭需求就少了一个来源。但是如果嫦娥计划证明了月球开发很有价值,那么即使现在还没有开发能力,也要尽快上去划分势力范围,载人登月按理说就应该快马加鞭了。

如果月球很有开发价值,那么中国作为一个航天大国,载人登月和建立月球基地是迟早的事。在此情况下中国应该怎么开发所需要的火箭?以及怎么以手上的火箭来执行登、驻这两步?

我认为中国还是不应该专门开发中型火箭。中国近期可以用长五升级版本,通过多次发射、空间对接的方式来完成载人登月,中、远期则应开发大型火箭来支撑驻月工程,而且驻月工程也只有大型火箭才支撑得起。
我支持龙乐豪提出开发200吨氢氧发动机和600液氧煤油发动机的方案。要搞驻月工程非重型火箭不可。
看来楼主观点与鄙人比较接近,不同的地方是楼主认为大中型火箭不要搞,要搞就搞重型的。俺的观点是搞中型的,重型的缓一缓,这样更稳健,原因如下:

1、人类进行太空探索,太空站是绕不过去的弯,因为要面临长期太空生活的问题,这方面的医学研究搞不清楚,无法进行探测。另外还有太空环境的探测,太空站也是一个很有效的途径。
2、如果不是长期打算,太空站显然可以依靠现在的运载能力来发展,但太空站投资太大,长远来讲其投资收益就会降低。
3、以中型火箭为基础的建设太空站可以达到较好的消费比,中型火箭可以通过太空对接方式实现登月,不缺少载荷。
4、以中型火箭的发动机为基础,可以扩展出重型(巨型)登月火箭,正如现在的长五系列,3.35米直径可以利用现有的120吨发动机。中型运载火箭的500吨火箭发动机可以发展出8米直径的中型芯级。
5、中型运载火箭在长远来讲也不缺少载荷:如果太空探测成为常态,那么近地轨道之间的运输就会增多,需要更多的人员和物资往返近低轨道,中型火箭比重型火箭更能胜任这一职责,现有火箭和重型火箭都不是很合适。

最后,发展目标过于庞大造成了美苏在太空中走了弯路:
由于俄罗斯急于发展太空站和航天飞机,用现有运载能力搞了和平号,用大型运载能力发展暴风雪,挤占资金后使得中型运载火箭能力没有出现,可见当时将相当的希望寄托在了重型火箭和航天飞机上。而美国的航天飞机本身是具有中等运载能力的,事实上将航天飞机当作载荷来看,火箭是具有重型运载能力。原因也是其发展目标过于庞大造成。

所以,如果我们发展的话,尽量还是先完善长五和卫星应用,在长五基础上开展试样型太空站。然后发展新的中等运载能力火箭,建设以此为基础的太空站,利用太空对接方式实现登月。这样更稳健,而且中等运载能力火箭也不缺少载荷。最后再根据需要,利用中等运载能力火箭发展出重型火箭。
原帖由 城南废人 于 2008-2-20 22:38 发表
我支持龙乐豪提出开发200吨氢氧发动机和600液氧煤油发动机的方案。要搞驻月工程非重型火箭不可。


任何一个项目的难度对TG来说都很大,更不要说一起进行了。指标本身是没有意义的,还是现实一点比较好,如何在120吨煤油发动机和50吨氢氧发动机基础上通过合理组合实现最经济的大载荷比较现实一点。
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原帖由 greyhond 于 2008-2-21 20:27 发表


任何一个项目的难度对TG来说都很大,更不要说一起进行了。指标本身是没有意义的,还是现实一点比较好,如何在120吨煤油发动机和50吨氢氧发动机基础上通过合理组合实现最经济的大载荷比较现实一点。


搞重型火箭是中远期目标,近期当然是以长五和长五升级版为主。而搞重型火箭并不是全面上马,而是首先啃最难的发动机,这样投入就不会太大。
由于月球上有氦3,估计在五六十年之内,人类还是要开发月球的。整个现代文明全靠煤、石油等矿物能源支撑,但是这些资源巳经支撑不了多少年了。从核能技术的发展来看,三四十年内热核发电技术可以进入商业利用,届时氦3的商业需求就会支撑起大中型火箭。
推力大小主要与发生能力是否能够灵活组合。如果某一载荷内的发射任务较多,那么火箭发动机推力小一些,通过调整发动机数量来调整推力,可能更经济。

对于超过20吨以上的运载能力,依靠现在的发动机,就显得太多了,不可靠了。由于这个阶段没有太多实际应用,有的话,可能也就是太空站和登月,发射任务少,火箭推力范围不需要有小粒度,所以发动机推力可以大,减少型号。

另外,重型火箭应该还是以火箭本身来区分吧,不是以发动机推力来区分。否则苏联的登月N-1火箭就不算重型了。

500吨的推力俺觉得比较合适,其实500吨也好,600吨也好,只要能够利用现有技术来发展,不需要太多投资,俺觉得都合适。不要有太多跨越,否则看上去不错,但研制缓慢,经费超支,长远来讲并不好。
俄罗斯人有巨型的RD170/171/180,为什么最后还是要走回头路研究RD191?因为,在200-400吨这个推力区间就能覆盖现今主流航天发射需求,安吉拉火箭用RD191就组合出5-30吨的LEO,完全可以应付现在所有商业发射的需求。加上RD180,就能轻易突破80、90吨水平,成为星际航行的基础。

从成本效益的角度出发,中国的发动机我还是觉得要循序渐进,在长五的120吨煤油之后,接着上3型发动机,240-300吨的双室煤油,以及在此基础上发展的200吨左右单室煤油,氢氧发动机往75吨以上靠左右。

主要优势是:
1、推力飞跃不大,符合循序渐进的思想,可靠性和成本效益排第一位。
2、基于这3款发动机的新火箭系列,最大组合4个5米助推(每助推8X300)8米芯(2X300)大型火箭,LEO覆盖100吨,足够未来相当长时间的航天应用。
3、这几款发动机还能继续用于改进长五系列,双室240-300吨可以代替原3.35米模块的双120吨发动机。而新的200吨单室可以用作2米模块的主推。

这样的做法保证了,即使30吨以上的发射任务很少,只要保证长五的发射频率,就可以很快让新发动机成熟。新火箭的发动机不会因为产量少导致成本高昂不划算,使得维持巨型火箭成为一个相对轻松的事情。最终在长五的基础上,2米、3.35、5米、8米模块组成一个整体的火箭系列,1吨到100吨,覆盖掉未来20-30年的中国航天主流发射需求。
如果不载人登月,只是搞空间站,那么长五和长五升级版本就巳经够用了。据说长五的打算是满足未来三十年的需求,但是如果未来三十年要搞载人登月,长五肯定不行。即使长五升级,LEO达到40吨左右,用于登月也很勉强,还要靠空间对接、组装和加注等技术支持。而且,靠空间组装飞船实现登月,技术太过复杂,只能是搞几次象征性而登月,而不能用于长期、定期的登月任务。

但是为了登月而登月,意义不大。中国搞月球计划,着眼点在于实用。如果没有500吨以上的大推力火箭发动机,载人登月还是应该暂缓,因为步骤繁复、火箭的组合技术复杂,风险太大。中国的策略向来都是水到渠成,登月还是等攻克了大推力火箭发动机的难关之后再说。但这并不等于说未来三十年长五的运载能力仍然够用。

空间站的发展有两种模式,其一是空间站计划依据现有的运载能力来规划,把最大型的核心舱段重量限定在最大运载能力之下。这种模式说得好听点叫做量体裁衣,说得不好听就是削足就履。当然,这种模式比较容易实现,但是空间站的效费比不是最佳的。另一模式则是以需求和效费比来规划空间站的规模,其核心舱段的重量按最佳需求来设定。用这种模式就必须开发中间运载能力火箭,对中国而言就是要对长五进行升级。

民用空间站规模当然可大可小。空间站如果作为军用,那必须具备一定的规模。在可见的将来,中国必须发展和布署战略性反导系统,而中国如果搞战略性反导系统,从技术和经济上而言,只有用天基反导更为可行(陆上中国没有前沿军事基地,中国也不是全球性海军强权、海军无能力前沿布署)。天基反导系统的核心,就是天基定向能武器。大型天基定向能武器重量是多少?这个我也不知道。但是,从美国机载高能激光武器来看,武器和伺服系统加起来也超过了二十吨吧。因此,中国将来的军用航天对中间运载能力火箭也是有需求的。

因此,我认为中国的空间站主体舱段还是应该走大型的道路。大型空间站舱段可以军民两用,而小型的用军用恐怕不行,如果是装甲化的空间站,就更不行了。
N1的失败在中国造成的阴影也太沉重了吧,又不见得俄罗斯和美国受到多少影响。

在传统火箭发动机已经非常成熟的今天,大推力发动机不是巨型火箭的必要条件。一味追求大并不是可取的。猎鹰9还不是把9台50吨发动机捆到了芯级上,就靠这个小发动机的堆叠,重型版猎鹰9H甚至捆了27个,做到了30吨LEO能力。而小推力发动机成熟简单易于大规模生产,可靠性比复杂的大推力发动机高得多。俄罗斯在回头搞RD191也是如此想法。

巨型火箭的使用率在未来相当长时间内不会高,即使保持登月计划不断。仅仅为了应付个别发射,现在的捆绑技术,完全可以把主流火箭的发动机,组合出巨型火箭。
一、在发动机研制上,还是以500吨级别优先

现在航天载荷分布是20吨一下密集,20吨以上很少也分散,相应的火箭也应该采取同样策略:

即20吨一下载荷,火箭通过组合可以多一些,满足不同重量载荷的要求,组合多,需要的发动机的推力粒度要小,通过增减发动机数量来调整满足不同载荷要求。

20吨以上载荷,由于比较少,所以火箭组合可以少一些,相应发动机推力粒度要大,可以减少发动机数量,增加可靠性。

20吨一下的运载,长五是个很好的平台,也满足了要求,能很好的满足多种载荷的要求。

20吨以上的,如果用长五发展型,显然发动机数量太多,即使是发展出200吨-300吨的发动机,发动机的数量还是偏多。20吨以上的载荷,如果载荷分布不密集的话,还是500吨级别的发动机更能满足要求。

当然200吨级发动机不是不需要,也非常需要,200吨级的发动机用在10-20吨载荷时,能够减少发动机数量,增加可靠性。按道理,我们的长五采用200吨级别说不定比现在的120吨级别更好,但现实是我们短期内拿不出200吨的,所以选择了120吨,而且120吨通过组合也可以满足要求。

从长远发展来说,500吨应该比200吨更优先,虽然200吨也能够满足超过20吨载荷的要求,但显然再增加运载能力就很吃力,所以从档次上来说,200吨级别是比较尴尬的,除非从30吨级别有密集的载荷分布。500吨发动机由于可以满足20吨级别以上的载荷要求,也能够发展出登月的巨型火箭,优先进行研制后,今后的200吨会更快,所以200吨反而成了上不上,下不下的东西,如果中间运载需要增多,再去酌情发展的东西,譬如用在长五的大推力型号上。

总之,500吨是填补大推力的空白,组成的火箭也能够与长五进行很好的衔接。200吨级别暂缓,当中间运载能力需要增多时,可酌情发展,最有希望应用的地方,是在长五的大推力型号上。

二、太空站建设应该在200吨级别,以50吨载荷能力的火箭来建设

    和平号是100吨级别,因为当时苏联的运载能力上,从20吨到100吨中间基本空白,不可能用百吨级别的能源去建设太空站,那个时候能源也不成熟,另外百吨级别的太空舱建设技术也不成熟,所以只好建设20吨级别太空舱。

    现在的国际空间站建设是以俄罗斯火箭运载能力和美国航天飞机载荷能力来建设的,建造整个国际空间站共需要超过50次太空飞行和组装,其中的39次飞行需要由航天飞机完成,有大约30次飞行和装配任务需要进步号飞船提供支持。
    再看航天飞机的运载能力,可以达到30吨级别,如果将航天飞机本身也换做载荷,火箭部分的运载能力事实上可以达到100吨级别,用百吨级别的运载能力,花费了30多次才建设成一个400吨级别的太空站,效费比怎样很明显。

    我们建设的话,还是和平号的100吨级别,可以用长五建设,但效费比不会很高,如果发展出载荷能力是50吨级别的火箭,自然该建设200吨级别的,采用积木方式搭建,基本5-6次发射就能搭建出来,建设周期短,可以开展比和平号多几倍能力的研究,并且可以开展一些别人无法共享的研究。

    具体结构上,大家都知道了,俺的建议是积木式,电力问题俺认为镜子卫星的设想是可行的。发射一个太空站和两个镜子卫星,总共不超过10次的太空发射,每次的发射费用比航天飞机发射还低的话,在2020年,以我们的经济实力,完全可以承受,而且可以独自享受所有的成果。   

三、空间站装加化没有意义

    太空中的速度都是宇宙速度,要产生碰撞的话,再厚的装甲都没有意义,反而装甲的重量占去了宝贵的运载能力。
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美苏早期的航天发展规划都非常大:
    阿波罗登月的每次发射费用,都堪称是天文数字,后期的航天飞机研制,也都耗资巨大,包括现在的国际空间站建设,美国自身的耗费也都是在千亿美元左右。新的战神五计划,也都不是小数目。还有一个不可忽视的,即星球大战,这里面各方面研制,可真是不少。可以说,到目前为止,美国在航天的投入,估计超过了世界其他国家的在航天投资的总和。

    苏联早期的航天计划,可以用疯狂来形容,登月就有多种方案,太空站和航天飞机同时开展,还要和美国搞星球大战,而且许多东西都开发出了真正的武器级产品,但最后也被美国的星战计划给拖垮。看看现在俄罗斯的众多火箭系列,暴风雪航天飞机、世界最多的航天发射次数,让人想想,都感到恐怖。
   
美苏的巨大的航天发展规划,回头来看当然有很大收获,当然教训深刻,许多东西远远超过了实际的需求,许多东西也估计的过于乐观。我们应该从中汲取教训。

回头看看我们航天走过的路,当然也有类似计划,但最终还是走了一个相对稳健的路。或许是因为我们比较客观吧,鄙人更认为是我们的能力没有达到,不得已选择了一条更稳健的路。仔细想想,还真是歪打正着了。

所以,今后我们的航天发展,自然还是要稳健的走下去。比较稳健的走的方法就是不要让登月让我们头脑发热,还是优先解决近地空间研究和卫星应用。

如果我们下个十年计划是完善卫星应用和试验性太空站和500吨级别的发动机,在2020年左右的建设200吨太空站,然后伺机登月。这个规划与美苏的疯狂航天计划相比,耗费还只是几分之一,甚至是十分之一吧!不算太离谱。

所以,长五以后的发展,还是应该以两方面为突破,500吨火箭发动机和200吨太空站为基础来发展。
500吨发动机,一台就可以到LEO6-8吨,2台就是20吨LEO以上了。推力大了,火箭系列组合不灵活。有利于单独构成巨型火箭。

如果考虑和长五系列模块衔接,240吨发动机应该是最佳了。因为往下可以直接代替3。35米模块上的2台120,往上能够支持更大的模块。在长五系列中引进8米模块后,轻松就可以实现LEO80吨以上目标。12个发动机组合作为登月火箭是可以了。

按照我们载人航天的缓慢进度,2012年内小型空间实验室,2018年开始打20吨级空间站模块(单体5年寿命),到2030年若干20吨组合模块达到或者接近和平站规模(10年寿命)。然后用到2040才开始需求更大的空间仓,40-80吨的空间站模块组合出500吨级别的空间站,需要大量30吨以上发射任务的时代已经是直奔2050了。

所以我认为提出500吨为时过早。240吨推力发动机现在开始研究2020年前后完成,刚好衔接长五成熟后的推力。也可以应付2020年后登月的目标。

其实,如果TG的人力物力达到可以多线开展工作的能力的话,240和500吨一起上马把!:D

巨型发动机风险实在大耗费实在大,当年苏联搞能源火箭和RD171这些巨型发动机的时候可是耗费了百多亿卢布,折合今天2/3千亿人民币的。:L 这个数字差不多就是整个中国航天30年的耗费有多,我不认为在10年内一院能够凑到这么多经费去搞500吨。
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