+李剛
液體燃料、固液混合燃料、固體燃料宇航運(yùn)載器的典型代表(由左到右):土星五號(hào)火箭、航天飛機(jī)、長(zhǎng)征十一號(hào)火箭。
在火箭技術(shù)領(lǐng)域,長(zhǎng)期存在著所謂“固液之爭(zhēng)”,也就是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī),哪個(gè)更適合作為航天動(dòng)力?
上世紀(jì)七八十年代,曾經(jīng)發(fā)生過(guò)一場(chǎng)影響深遠(yuǎn)的“固液”火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)選擇的大討論。
雙方支持者各執(zhí)一詞。液體派認(rèn)為,液體發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)彈在運(yùn)輸時(shí)燃料儲(chǔ)箱是空的,總體較輕,運(yùn)輸車(chē)輛的負(fù)荷較小,工程上更易實(shí)現(xiàn)。至于燃料,在發(fā)射場(chǎng)里加注就可以了。固體派則認(rèn)為,固體火箭的燃料是在車(chē)間里澆鑄完成的,不需要考慮燃料加注的問(wèn)題,運(yùn)輸隊(duì)伍精干,起豎后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單檢測(cè)就可以發(fā)射。雙方各自強(qiáng)調(diào)的優(yōu)點(diǎn),正是對(duì)方的軟肋,討論一時(shí)相持不下。
由于液體燃料具有更高的比沖,對(duì)宇航發(fā)射來(lái)說(shuō)意味著更大的優(yōu)越性。而且航天飛機(jī)助推器的研制和使用實(shí)踐證明,超大直徑固體發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)運(yùn)輸環(huán)節(jié)造成的困難確實(shí)比較大。其主要癥結(jié)在于,固體發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料是在出廠時(shí)已經(jīng)澆鑄好的,因此運(yùn)輸時(shí),要把火箭本體和燃料一起裝上平板卡車(chē),小心翼翼地把幾十噸重的龐然大物駛上公路,千里跋涉前往發(fā)射場(chǎng)。但是,卡車(chē)和公路的承載能力是相當(dāng)有限的,這就限制了出廠的固體火箭總體重量,進(jìn)而限制了火箭的運(yùn)載能力。用同樣的卡車(chē)、同樣的公路運(yùn)輸液體火箭,只需要運(yùn)輸一個(gè)空殼。到發(fā)射場(chǎng)加注燃料之后,就可以成為一枚遠(yuǎn)比固體火箭運(yùn)力強(qiáng)大的發(fā)射工具。
于是,在全球范圍內(nèi),運(yùn)載火箭主要使用液體發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)技術(shù)路線就此確定下來(lái)。中國(guó)航天先后研制了“偏二甲肼+四氧化二氮”和“液氧+液氫/煤油”兩代發(fā)動(dòng)機(jī),支撐了長(zhǎng)征二、三、四、五、六、七號(hào)運(yùn)載火箭,取得了輝煌的成就。
然而就在這個(gè)時(shí)期,依然有一些固體火箭的型號(hào)在研制和使用。其中小型火箭包括美國(guó)的飛馬座、金牛座等型號(hào),大型火箭包括日本的M5、艾普斯龍、印度GSLV MARK III助推器等。這些型號(hào),有的是為了滿足小型衛(wèi)星零星發(fā)射需要,有的是為了突破和掌握大直徑固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù),但都沒(méi)有成為世界航天發(fā)射市場(chǎng)的主流。
固體發(fā)動(dòng)機(jī)就此無(wú)緣航天發(fā)射市場(chǎng)了嗎?隨著技術(shù)的發(fā)展和歷史的變遷,這個(gè)似乎已有定論的舊話題再次呈現(xiàn)出新的意義。
進(jìn)入20世紀(jì)90年代后半程,小衛(wèi)星開(kāi)始成為航天業(yè)的熱點(diǎn)。在小衛(wèi)星的概念下,衍生出了微衛(wèi)星、納衛(wèi)星、皮衛(wèi)星等諸多類(lèi)型。由于這個(gè)時(shí)期小衛(wèi)星的實(shí)用性有所不足,所有者們尚滿足于耐心等待火箭的搭載機(jī)會(huì)。
然而,一場(chǎng)突如其來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)改變了這一狀況。9.11事件后,美國(guó)發(fā)動(dòng)反恐戰(zhàn)爭(zhēng),復(fù)雜的戰(zhàn)事和日益增加的傷亡,讓美軍在戰(zhàn)術(shù)層面上對(duì)天基系統(tǒng)產(chǎn)生了前所未有的強(qiáng)烈興趣。各種類(lèi)型的偵察衛(wèi)星、通信衛(wèi)星為美軍提供了巨大的信息優(yōu)勢(shì),但在旺盛的需求下也暴露出發(fā)射流程長(zhǎng)、信息處理周期長(zhǎng)等弱點(diǎn),對(duì)戰(zhàn)術(shù)部隊(duì)來(lái)說(shuō),經(jīng)常發(fā)出“遠(yuǎn)水不解近渴”的抱怨。
為此,美國(guó)國(guó)防部提出“作戰(zhàn)快速響應(yīng)航天”(ORS)項(xiàng)目,致力于小型衛(wèi)星的快速制造和發(fā)射。ORS的工作在美國(guó)乃至全世界范圍內(nèi)引發(fā)了對(duì)小衛(wèi)星和小火箭的熱潮。
正是小衛(wèi)星的興起,讓人們重新把目光聚焦到運(yùn)力較小的火箭上。
美國(guó)國(guó)防部“作戰(zhàn)快速響應(yīng)航天”(ORS)項(xiàng)目相關(guān)說(shuō)明
維基百科統(tǒng)計(jì)的2003~2018年累計(jì)發(fā)射立方星數(shù)量
從國(guó)際航天的視角來(lái)看,小衛(wèi)星在近20年里取得的進(jìn)展,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了小型火箭,特別是立方星標(biāo)準(zhǔn)的提出,給一大批大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)提供了清晰的框架,讓涉及衛(wèi)星系統(tǒng)規(guī)劃、研制、發(fā)射服務(wù)和運(yùn)營(yíng)的各方能夠在相同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)框架下交流與合作。從1999年立方星標(biāo)準(zhǔn)的提出到2020年1月,已經(jīng)有超過(guò)1200顆立方星入軌,每年發(fā)射的立方星數(shù)量都高速遞增。
但快速發(fā)射火箭的研制卻步履艱難。在美國(guó)ORS計(jì)劃下一共使用過(guò)三種火箭,其中包括獵鷹一號(hào)、軌道科學(xué)公司的米諾陶火箭和夏威夷大學(xué)的“超級(jí)思迪比”。然而現(xiàn)在獵鷹一號(hào)已經(jīng)下馬,“超級(jí)思迪比”僅發(fā)射了一次,就以失敗告終,至于米諾陶火箭,我們以后再表??偟膩?lái)說(shuō),ORS進(jìn)行的快速發(fā)射的努力并不成功。
為了解決問(wèn)題,美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)從2016年開(kāi)始組織“快速發(fā)射競(jìng)賽”,在經(jīng)歷了多次波折之后,最后只剩下一家叫阿斯特的公司還在努力,然而這家公司也沒(méi)有取得成功,競(jìng)賽最終在2020年初宣告流產(chǎn)。目前,西方世界已經(jīng)投入使用,并且具有快速發(fā)射潛力的,只有新西蘭人彼得·貝克發(fā)明的電子火箭,貝克曾經(jīng)希望電子火箭能夠每72小時(shí)發(fā)射一次,但還遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)。2019年,“電子火箭”僅發(fā)射了6次,2020年截止到12月15日,也只發(fā)射了7次。
其中的原因也很簡(jiǎn)單,就在于這些火箭多數(shù)都采用液體燃料。
以“快速發(fā)射競(jìng)賽”為例,液體火箭天然就有發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。DARPA給快速發(fā)射競(jìng)賽提出的要求是,提前兩周通知發(fā)射位置。參賽者要在兩個(gè)星期的時(shí)間里,把火箭和支援保障設(shè)施拉到指定發(fā)射地點(diǎn),完成燃料加注、星箭對(duì)接、綜合測(cè)試等一系列工作,最終成功發(fā)射。阿斯特公司曾想盡辦法壓縮準(zhǔn)備流程,但在3月2日發(fā)射前的最后一刻,發(fā)現(xiàn)箭上GNC系統(tǒng)不正常,只能放棄。
如果是采用固體發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)載火箭,情況就會(huì)有很大改觀。在極限情況下,固體火箭可以裝好衛(wèi)星、做好一切準(zhǔn)備,接到發(fā)射要求后,在不超過(guò)一個(gè)小時(shí)內(nèi)起飛。如果用來(lái)發(fā)射衛(wèi)星,考慮到衛(wèi)星的準(zhǔn)備時(shí)間和空域使用的協(xié)調(diào),把準(zhǔn)備時(shí)間放寬到一個(gè)星期也是可以接受的。
如此簡(jiǎn)單的道理,美國(guó)人難道不明白嗎?事實(shí)上,只是做不到而已。
為何如此,原因并不復(fù)雜。
冷戰(zhàn)結(jié)束后,美國(guó)的“侏儒”導(dǎo)彈下馬、“和平保衛(wèi)者”導(dǎo)彈停產(chǎn)撤編。曾經(jīng)參與上述導(dǎo)彈研制的幾家企業(yè)紛紛被收購(gòu),研發(fā)和產(chǎn)能?chē)?yán)重萎縮,情況最嚴(yán)重的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域就是固體發(fā)動(dòng)機(jī)。最終,美國(guó)只剩下一家能夠生產(chǎn)大直徑固體發(fā)動(dòng)機(jī)的企業(yè),就是諾斯羅普·格魯曼(簡(jiǎn)稱(chēng)“諾格”)。大直徑固體發(fā)動(dòng)機(jī)的客戶(hù)只剩下了航天飛機(jī)助推器、米諾陶火箭、飛馬座火箭、地基反導(dǎo)攔截器等幾個(gè)有限型號(hào)。以米諾陶火箭為例,從1994年到現(xiàn)在,一直保持著低速的生產(chǎn)和發(fā)射頻率,最活躍的2011年也只發(fā)射了5次。在航天飛機(jī)退役后,情況更是雪上加霜。
美國(guó)要想把產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)恢復(fù)起來(lái),絕不是那么容易的事。美國(guó)空軍在為下一代洲際導(dǎo)彈合同招標(biāo)時(shí),經(jīng)過(guò)幾輪競(jìng)標(biāo),決賽時(shí)只剩下了諾格公司和波音公司,但就在最后關(guān)頭,波音居然退出了,原因是波音也沒(méi)有大型固體發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)能,就算波音拿下了合同,也要向諾格購(gòu)買(mǎi)發(fā)動(dòng)機(jī),與其為別人做嫁衣裳,不如放手。幾乎同時(shí),美國(guó)空軍還開(kāi)展了新一輪“漸進(jìn)一次性運(yùn)載器(EELV)”(2019年3月已改名為"國(guó)家安全航天發(fā)射",NSSL)的競(jìng)標(biāo),有三個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者的三個(gè)型號(hào)系列進(jìn)入決賽,分別是ULA的“火神-半人馬座”、太空探索技術(shù)公司的獵鷹九號(hào)和諾格公司的“歐米伽M”。前兩者都是液體火箭,唯有第三種是固體火箭。然而當(dāng)諾格公司獲得美國(guó)國(guó)防部下一代洲際導(dǎo)彈研制合同、拿到一千多億美元訂單之后,立刻心滿意足,終止了“歐米伽M”的研制。也就是說(shuō),美國(guó)的固體火箭產(chǎn)業(yè)只能滿足一個(gè)方向的需求,不是運(yùn)載火箭就是洲際導(dǎo)彈。這也解釋了,美國(guó)的商業(yè)航天企業(yè)為什么很少討論固體火箭解決方案。
太空探索技術(shù)公司如今是西方商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)上的領(lǐng)頭羊。獵鷹九號(hào)和重型獵鷹的成功,在國(guó)際航天界掀起了一片跟風(fēng)的潮流。幾乎所有人都在討論重型火箭、液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)和可重復(fù)使用等話題。
然而,火箭畢竟是一種用來(lái)實(shí)施發(fā)射服務(wù)的工具,滿足用戶(hù)的需求才有其最根本的存在意義。在很多情況下,用戶(hù)需要一種發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間短,可以靈活選點(diǎn)機(jī)動(dòng)發(fā)射的火箭。這正是美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局快速發(fā)射挑戰(zhàn)賽的初衷。然而,由于固體火箭供應(yīng)能力的缺失,美國(guó)人在快速響應(yīng)發(fā)射方面的努力迄今未能有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。而液體火箭無(wú)論怎么壓縮制造和準(zhǔn)備流程,在響應(yīng)速度方面也是絕不可能和固體火箭相提并論的。
美國(guó)做不到,中國(guó)能不能做到呢?
由于在大直徑固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制上的長(zhǎng)期投入,中國(guó)固體運(yùn)載火箭正處在一個(gè)非常有利的發(fā)展態(tài)勢(shì)下:固體火箭的產(chǎn)能已經(jīng)建立起來(lái)并且運(yùn)轉(zhuǎn)良好;服務(wù)于生產(chǎn)線的管理者、設(shè)計(jì)師、工藝師、工人技師隊(duì)伍完整;主要分系統(tǒng)和關(guān)鍵元器件供應(yīng)鏈完整而強(qiáng)大,質(zhì)量合格、成本可控。用這些成熟的技術(shù)和產(chǎn)能研制不同等級(jí)的固體運(yùn)載火箭,提供快速發(fā)射服務(wù),正是商業(yè)航天的題中應(yīng)有之義。
這種思路的第一批成果,就是已經(jīng)發(fā)射了多次的長(zhǎng)征十一號(hào)火箭、快舟一號(hào)火箭和新研制的“捷龍”系列火箭。其中,長(zhǎng)征十一號(hào)火箭于12月10日進(jìn)行了第十一次發(fā)射,全部十一次發(fā)射均獲得成功。該火箭還開(kāi)創(chuàng)了中國(guó)海上發(fā)射火箭的新領(lǐng)域,并承攬了國(guó)際發(fā)射業(yè)務(wù)。
固體火箭在快速發(fā)射上的應(yīng)用價(jià)值,簡(jiǎn)單說(shuō)就是“兩隨”,即隨時(shí)發(fā)射、隨處發(fā)射?!皟呻S”給發(fā)射服務(wù)商和衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)方帶來(lái)的好處有兩個(gè)。
首先是可以做到“火箭等衛(wèi)星”,在軍用領(lǐng)域,固體火箭可以實(shí)施類(lèi)似于美國(guó)國(guó)防部“快速響應(yīng)航天”的發(fā)射;在民用領(lǐng)域,固體火箭可以對(duì)大型星座等重要空間基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行應(yīng)急補(bǔ)網(wǎng)發(fā)射、時(shí)間敏感性自然現(xiàn)象的應(yīng)急科學(xué)探測(cè)發(fā)射、災(zāi)害處理衛(wèi)星的應(yīng)急發(fā)射等。這給衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)者帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)是極為明顯的。
其次就是可以自由地選擇發(fā)射窗口、自由地選擇發(fā)射位置,具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)液體火箭的優(yōu)勢(shì)。從理論上說(shuō),只要解決了空域使用和落區(qū)安全的問(wèn)題,固體火箭可以在荒灘、戈壁、大海上起飛,甚至在暑假期間租用學(xué)校體育場(chǎng)發(fā)射也不是不可想象的。
這一切,都是馬斯克那條技術(shù)路線所不能做到的。
就此而言,用中國(guó)自己的資源,開(kāi)發(fā)自己的固體火箭,做好中國(guó)自己的商業(yè)航天發(fā)射服務(wù),建立一個(gè)具有強(qiáng)大國(guó)內(nèi)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)生態(tài),是中國(guó)商業(yè)火箭創(chuàng)業(yè)者們的現(xiàn)實(shí)選擇,也是歷史責(zé)任。
雖然我們已經(jīng)有了優(yōu)秀的長(zhǎng)征十一號(hào),但是國(guó)內(nèi)固體火箭的制造能力卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有“吃飽”,巨大投資形成的資產(chǎn)和積累起來(lái)的技術(shù)成果,還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自己的商業(yè)價(jià)值。而解決大型固體火箭的商業(yè)化問(wèn)題,將形成一個(gè)多贏的局面。
第一,國(guó)家投入巨資形成的固體火箭產(chǎn)能,可以轉(zhuǎn)變成產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)動(dòng)機(jī)。
在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái),國(guó)內(nèi)外中小衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)依然會(huì)保持繁榮,是值得投入的市場(chǎng)。據(jù)我們?cè)趯W(xué)術(shù)領(lǐng)域的調(diào)查發(fā)現(xiàn),有志于空間輻射環(huán)境研究、微重力研究、空間生命科學(xué)研究、空間材料科學(xué)研究等領(lǐng)域的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)相當(dāng)多,他們的需求已經(jīng)催生了日益繁榮的立方星市場(chǎng),隨之而來(lái)的就是對(duì)發(fā)射服務(wù)的需求。這種需求對(duì)發(fā)射的時(shí)效性要求很高,小型科研項(xiàng)目的周期往往在1~3年,攻讀學(xué)位的周期往往是碩士30個(gè)月、博士40個(gè)月,也就是說(shuō),學(xué)者們要在一定的時(shí)間內(nèi)完成立項(xiàng)或者立題、理論研究和設(shè)計(jì)、樣機(jī)制造和調(diào)試,飛行試驗(yàn)之后還需要時(shí)間來(lái)完成數(shù)據(jù)分析和結(jié)論,最后還需要時(shí)間來(lái)撰寫(xiě)論文和發(fā)表,如果是攻讀學(xué)位,前期還要有理論課學(xué)習(xí)的時(shí)間。留給發(fā)射和在軌飛行的時(shí)間是很緊張的,假如學(xué)者們需要等上半年、一年甚至更久才有機(jī)會(huì)發(fā)射,能不能按時(shí)結(jié)題、畢業(yè)都是個(gè)很大的問(wèn)題。
2020年9月15日,長(zhǎng)征十一號(hào)火箭進(jìn)行了第二次海上發(fā)射,取得圓滿成功。
第二,固體火箭商業(yè)化,也能增加國(guó)內(nèi)發(fā)射服務(wù)供應(yīng),為商業(yè)小衛(wèi)星星座提供更多的入軌機(jī)會(huì)。
目前,國(guó)內(nèi)商業(yè)航天市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了大量的小衛(wèi)星創(chuàng)業(yè)企業(yè)。這些企業(yè)同樣需要按照自己的商業(yè)計(jì)劃書(shū)及時(shí)發(fā)射,假如讓他們苦等發(fā)射機(jī)會(huì),星座建設(shè)進(jìn)程達(dá)不到預(yù)期,或許就會(huì)錯(cuò)失用戶(hù)市場(chǎng),進(jìn)而失去資本的支持。
第三、固體火箭并不局限于小型火箭,在有關(guān)技術(shù)突破之后,固體火箭同樣可以開(kāi)發(fā)出大推力、大運(yùn)載能力的型號(hào)。
航天飛機(jī)的固體助推器就是最典型的案例。其他發(fā)射服務(wù)商同樣可以通過(guò)技術(shù)進(jìn)步來(lái)開(kāi)發(fā)大型固體火箭,承擔(dān)大型載荷發(fā)射、一箭多星發(fā)射等任務(wù)。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有機(jī)構(gòu)正在朝這個(gè)方向努力,例如北京中科宇航探索技術(shù)有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)“中科宇航”)研制中的兩型火箭。
大推力固體運(yùn)載火箭研發(fā)進(jìn)展:2019年初,推力達(dá)450噸、將用于歐洲織女星-C火箭的P120C固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)成功。
為了充分利用中國(guó)在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造能力方面的潛力,在長(zhǎng)征十一號(hào)、快舟和“捷龍”火箭之外,我們需要有更多中國(guó)企業(yè)站出來(lái),充當(dāng)產(chǎn)業(yè)龍頭,更加充分地把固體火箭的產(chǎn)能和科學(xué)、商業(yè)領(lǐng)域的需求對(duì)接起來(lái),在市場(chǎng)和技術(shù)兩個(gè)問(wèn)題上起到建立者和培育者的作用,創(chuàng)造出屬于中國(guó)自己的商業(yè)發(fā)射產(chǎn)業(yè)生態(tài),進(jìn)而為商業(yè)航天大產(chǎn)業(yè)生態(tài)的建設(shè)和航天產(chǎn)業(yè)國(guó)際化起到推動(dòng)作用。
這正是中科宇航正在實(shí)施的戰(zhàn)略,這家混合所有制企業(yè)打算充分調(diào)動(dòng)中國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)在機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、控制、光電、雷達(dá)等多個(gè)領(lǐng)域的科研能力,跨系統(tǒng)協(xié)調(diào)固體發(fā)動(dòng)機(jī)研制相關(guān)單位的資源,開(kāi)發(fā)一系列快速發(fā)射的固體火箭,為科學(xué)界和商業(yè)界提供穩(wěn)定、可靠、及時(shí)的發(fā)射服務(wù)。
中科宇航擁有一個(gè)熟悉業(yè)務(wù)和流程的優(yōu)秀團(tuán)隊(duì),董事長(zhǎng)楊毅強(qiáng),曾擔(dān)任長(zhǎng)征十一號(hào)火箭首任總指揮,對(duì)跨系統(tǒng)合作和總體協(xié)調(diào)相當(dāng)嫻熟。此外,固體戰(zhàn)略導(dǎo)彈研發(fā)相關(guān)企業(yè)在商業(yè)代工方面采取了非常開(kāi)放的態(tài)度,一些民營(yíng)火箭公司的前期發(fā)射活動(dòng)就在商業(yè)代工框架下,得到了體制內(nèi)企業(yè)的有力支持,因此,中科宇航的戰(zhàn)略是具有可操作性的。
現(xiàn)在的問(wèn)題是中科宇航研發(fā)的速度夠不夠快,能不能抓住固體火箭科研生產(chǎn)能力的巔峰期,順勢(shì)而為,把產(chǎn)業(yè)生態(tài)建立起來(lái)。按照中科宇航的計(jì)劃,其正在研制的中科一號(hào)(ZK-1)火箭系列能夠達(dá)到2~3噸的500千米近地軌道運(yùn)載能力,中科二號(hào)正在瞄準(zhǔn)500千米近地軌道4噸運(yùn)載能力的方向前進(jìn)。2021年,中科一號(hào)的第一枚火箭就要試飛。對(duì)這個(gè)時(shí)間表,我們還是有理由抱有樂(lè)觀態(tài)度的。