深度:中国载人登月再考量 重型火箭用完就扔

2013年12月03日 14:15  新浪军事 微博

  载人登月需要拥有载人航天技术基础,并研制重型火箭。

  中国很早就有登月设想。1968年5月,航天部门制定《人造卫星、宇宙飞船十年发展规划规划(草案)》,设想未来十年发射载人飞船、50吨级航天飞机、150吨级空间站,研制载重50-150吨的长征十号火箭。1978年8月,领导指示:“在空间技术方面,我国不参加太空竞赛,现在不必上月球。”

  863计划重启载人航天论证,产生921工程。921工程设想载人航天飞船起步,第二步发射空间实验室,第三步建造20吨级空间站。前两步已完成,诞生神舟载人飞船和天宫一号空间实验室。21世纪初,载人航天展开包括登月在内的发展论证,先期批准了空间站计划。

  载人登月项目竞争对手众多,登陆对象还可以选择小行星和火星。登陆以前需对目标展开侦察,无人探测登陆优势明显,对载人登陆项目构成挤压。

  863计划成立月球探测课题组,1994年展开论证,2001年环月探测立项。月球探测属于深空探测计划的第一步。月球探测工程第一期发射嫦娥一号、二号探测器,照相侦察;第二期发射嫦娥三号、四号,登陆侦察;第三期发射嫦娥五号、六号,登陆月球,采样返回。月球探测工程2020年结束。正在论证月球无人基地,采用南极科考站类型,建立月球实验室和观测平台。

  月球以远的深空探测需要建设耗资庞大的测控网,中国从对外合作起步。2007年决定与俄罗斯联合探测火星,2011年发射失败告终。目前深空探测论证已经成熟,路线图处于待批准状态。深空探测的重点是火星,计划2018年发射探测器和火星车。

  深空探测内容丰富,小行星探测难度中等,也是论证重点。计划2018年发射小行星探测器,考察12711号等小行星。远期计划探测谷神星,采样返回。论证中的项目还有金星探测器、木星探测器,并计划考察太阳系边界的柯伊伯带天体。

  载人登月论证发挥了引领作用,是否登月并不重要,探讨航天发展方向、空间科学等发展方向、载人航天的未来才是关键,选择什么样的发展路径干系重大。如果论证登陆火星有利,就会先期重点投资火星探测,远期发展登火关键技术,牵一发而动全身。

  表面上看,登月有四大需求,一是月球资源和能源丰富,二是带领科学群和技术群发展,三是政治影响,四是国家形象。实际上,月球资源达到经济开发的条件非常遥远,开发小行星资源都比月球有利。学科与技术发展也没有吸引力,无人探测项目满足学科需求,航天技术的溢出效应虽然可观,但是直接投资相关的技术领域是最好的,完全没有必要通过投资航天曲线达到目的。

  登月项目在投资领域和主要收益上存在双重的激烈竞争,占尽劣势。从国家角度来看,总投资确定,航天投资比例大了,其他领域投资相对少了,航天要有比较优势才能占据有利份额。从收益上看,航天是科学项目的工具,航天带领学科发展,太绕弯了。登月特有的收益只能是政治。

  航天技术发展的主要推动力是军事,载人航天项目的主要推动力是政治,经济上得不偿失,各国长期激烈争论。中国航天历史形成的有利地位有其特殊性。863计划本身就是耐人寻味的,其中三分之一以上的直接投资流向航天,航天发挥了门面作用。中国重视科技,如航天。实际上整体科研投资比重不断下降,21世纪初才扭转下滑趋势。科研投资强度依赖工业发展,山寨阶段不需要很多研发投资;工业化阶段主要是应用投资;工业化完成以后,技术发展越来越依托科学发展,基础科学投资才成为必要。在没钱研发投资的时候,重点发展航天,一肥遮百丑。航天并不仅仅肩负着自身发展的责任,很大程度上肩负科技部门的重托。中国的载人航天项目非常成功,并具有示范意义,牢牢占据了比较优势,因此,才会开展载人登月论证。载人航天继续突破,开支将急剧上升,而政治收益呈下降趋势,支持力度必然下降,不再可能拥有如921这样的重大决策地位,登月大约是重要决策的地位。

  2020年后,中国完成工业化,将大举投资基础科学、前沿技术,航天的特殊地位将逐步消失。美国每年的民用航天投资接近200亿美元,数学投资远远超过200亿美元,可想而知,中国未来科学投资的缺口会有多么巨大,只怕航天人都不好意思再要求特殊地位了。航天领域的科学投资,效益最好的是无人探测器,高风险高收益特征明显。千亿规模的国际空间站固然万众瞩目,十亿规模的无人探测器就能带来巨大的科学荣誉,载入科学发现的教科书中,载人航天没有这种荣耀。公众对航天领域的科学投资高度支持,并深刻影响航天投资投向。哈勃望远镜总投资达到百亿美元,虽然很贵,公众大力支持,强迫NASA一再延长哈勃的寿命,哈勃望远镜已经成为NASA的里程碑项目。机遇号和勇气号火星车的遭遇耐人寻味,在短平快思想的指导下,经反复阉割,发射升空,设计寿命只有三个月,结果是出乎意料的长寿和出乎意料的轰动,长期吸引公众视线。NASA的目标火星车是好奇号,历经多年延误,耗资24亿美元,想要达到机遇和勇气的公众爱好度的难度非常大了。机遇和勇气长期工作,总开支只有10多亿,赚尽口碑,公众对火星探索项目的热情持续高涨,而NASA力保的载人航天项目越来越不受欢迎,重返月球计划被取消时,乏人同情。

  NASA的郑和病越演越烈,目前几乎所有重大项目都遭遇不可持续发展,表现在高瞻远瞩和鼠目寸光之间摇摆不定。因为载人航天不受欢迎,NASA远期规划重点在地球,如研究可能撞击地球的小行星、日地联系等,就算印度、日本的航天计划,也没有这么憋屈。

  我们不清楚郑和船队为何中止地理大发现,也许蒙元留给大明帝国遥远西方的模糊消息得以清晰,游弋在印度洋的郑和船队没有发现帝国的潜在敌人,也没有发现帝国所需要的资源,空耗国库钱财的航行失去吸引力。经过大航海,中国人可以安心过日子了。因为政治变动引起项目夭折在什么时候都屡见不鲜,郑和船队的问题在于没有获得有吸引力的发现,政治继续支持不可行。郑和病并非病在政治支持上,而是病在一无所获上。航天时代经常和大航海时代相提并论,大航海留下的遗憾和教训却往往被忽视。载人航天是人类发展的一个机遇,必须发展,未来何去何处留待未来讨论。前景不明时,应走可持续发展道路,以可以接受的投资强度、可以接受的发展速率、可以接受的低收益,等待状况的改变。载人登月大可以论证个几十年,等来立项的机会,或者论证出无需登月。为了给未来保留一个发展机遇,论证投资不是浪费,停止论证将是一个错误。

  中国航天在钱学森的带领下,拥有可持续发展顶层规划的传统,载人航天项目进一步树立可持续发展观念。921工程飞船起步,起点不高,考虑的重点是确保在有限经费、有限时间内获得项目成功。对未来发展的考虑不多,为了减少对未来发展的干扰,降低了目标要求。921工程研制出载人飞船,加以定型,作为阶段性的运输工具,远期作为空间站的救生飞船。下一步建设空间站,稳妥起见,先研制空间实验室积累技术。天宫实验室将载人航天立项之初预留的发展潜力挖掘殆尽,启动空间站项目需要全面更新设施。

  空间实验室最初计划发射天宫一号、二号、三号。天宫一号重8.5吨,天宫二号加以实用化。实用化的空间实验室需要货运飞船补给,神舟载人飞船改成货运飞船,运载能力2.5吨,不能适应空间站需求。研制空间站版本的货运飞船超过现有火箭运载能力,长征二号F改进最大构型载重11.2吨,依然不满意,研制全新火箭、飞船方案有优势。长征七号是长征二号F的煤油版,换用液氧煤油发动机,发射货运飞船,最大载重13.5吨,未来将发展载人版本,发射神舟飞船。货运飞船命名天舟,海南发射场发射,货运上载6.5吨,下载6吨。天舟模块化、标准化、通用化设计,可以为空间站提供推进剂补加,并能调整空间站姿态和轨道,运送大型舱外设施或小型舱段,支持空间站的建造与运营。货舱有封闭、半封闭、开放式三种构型,空间站重量容许、能塞进飞船的零碎都由天舟包办了。限制5吨重、长4.5米、直径3米。

  空间实验室计划最初方案是保底方案,目标能够实现,对未来发展的支持不够,很快调整为面向未来发展的方案。天宫二号使用天宫一号备份改制,验证部分空间站技术,取消天宫三号,研制长征七号火箭和天舟飞船,精简了项目流程。

  空间站命名天宫,估计冻结整体设计,进入详细设计阶段。最小构型是一个核心舱和两艘飞船,出现在建造初期。核心舱重量20吨,命名天和,前部节点舱,插入各种舱段和停泊飞船。使用节点舱的转位机构或机械臂,可以将其他舱段转位到预定方向。空间站舱段载具是长征五号B火箭,最大载重25吨,海南发射,预计2016年前发射。空间站最小构型用于关键技术验证,2018年发射天和舱。多次发射神舟和天舟用于对接,验证空间站建造的核心关键技术,进展顺利直接进入建造阶段,不顺利,发射改进型核心舱建设空间站。

  空间站基本构型增加实验舱I、II。实验舱I命名问天,实验舱Ⅱ命名巡天,发射重量约20-22吨。实验舱搭载科学载荷,同时备份和增强核心舱平台功能,可以独立飞行。实验舱有密封舱、气闸舱、资源舱等灵活搭配组成,并有一个小型机械臂。密封舱除了搭载科学载荷,还用作仓库,存放物资。气闸舱用于舱外活动,建造初期由天和节点舱承担,以后作为备份,日常将主要使用问天气闸舱。

  科学载荷贯穿于载人航天工程,神舟、天宫一号、二号都有搭载。天宫二号搭载伽玛暴偏振探测仪(POLAR),中科院、清华大学和欧空局(ESA)合作研制。空间站有宇宙灯塔计划,研究利用X射线脉冲星信号实现航天器自主定位和导航,同时研究宇宙中极端的物理现象。大型科学载荷有大规模成像与光谱巡天,巡天舱搭载,一台2米口径光学望远镜。中型载荷有X射线紫外全天监视器和高能宇宙辐射探测设施(HERD),候选的小型载荷很多。问天舱可以搭载中小型载荷,巡天舱除了空间望远镜,还可以搭载小型载荷。预计2019年发射问天,2020年发射巡天,2022年完成建设。

  国际空间站缺乏瞩目的科学载荷是一个巨大缺陷,天宫空间站主要载荷用于科学研究,拥有足够的影响力。天宫空间站最大构型180吨,增加1个核心舱,2个实验舱,4个舱外暴露试验平台。空间站将对外合作,联合研制或国外研制舱段,进一步增强影响力。天宫预留很多各种类型的接口,可以灵活增加中小型科学载荷,舱外暴露试验平台由实验舱挂载,新增核心舱可以挂载大型载荷。希望上空间站的科学项目很多,国际合作前景广阔。天宫空间站项目规划非常令人满意,甚至于让我不好意思再挑刺了。

  中国载人航天特点鲜明,成功远远多过教训。

  一是目标长远,在长远规划下合理安排节奏;

  二是确保项目成功,项目成功是可持续发展的基础,选择长期可以保留的内容如神舟,或可以抛弃的保守方案如神舟版的货运飞船;

  三是面向可持续发展,方案的可持续性越好,方案越佳;

  四是费用可持续,以不断优化的方案节约成本,抵消不断上升的成本;

  五是基础先行,如首先启动研制大型运载火箭、空间机械臂等,再启动空间站项目。

  完美度欠佳的项目是长征五号运载火箭,千呼万唤不出来。863计划就有大型运载火箭内容,至今还没完成,“种种原因”再多,也说不过去了。长征五号低估了大推力火箭发动机的研制难度,投资强度不足。长征五号一次性挖掘了发展潜力,首发选择最大构型,毕其功于一役,动态论证不足。从大型火箭的角度出发,长征五号发动机多了些,单机推力小了些,虽然设想未来可以不研制大推力发动机,但是大推力发动机的需求只会越来越强烈。本意节约大型火箭投资,未来如果投资大大推力发动机,即是重复投资,造成浪费。从可持续发展的角度,而不是静态角度考察,长征五号规划应能进一步优化。长征五号的思路是NASA官僚病的思路,一个成功的大型项目顶得上十几个分散的小型项目,必然是高风险的。长征五号的延迟,导致中小型火箭换代延迟,长征六号、长征七号等立项比较晚。不过,长征五号的主要问题是投资强度严重不足,导致越延期,项目越不令人满意,倘若按期在2008年首次发射,什么问题都不存在,错过好评的机会窗口。

  中国载人登月论证的第一个目标日期是2025年,研制长征五号超大型构型火箭登月。缺陷是火箭仅用于登月,没有其他需求,用完就扔。2025方案缺乏技术-经济吸引力,算是兜底方案。第二个方案是研制重型火箭,用于2030年以后的登月,投资巨大,难度很高。形成的阶段性主方案是研制500吨级液氧煤油发动机和200吨级液氢液氧发动机,研制时间十年以上。美国虽然实现过登月壮举,重新研制重型火箭依然需要巨大的投资、漫长的研发时间和很高的技术风险,以现在的安全标准来看,土星五号重型火箭根本无法用于载人登月。中国研制重型火箭,缺乏经验不算是困难。

  重型火箭需求很小,除了登月级别的项目以外,只有少数深空探测项目、空间站项目。登月级的竞争项目有登月、登陆小行星、登陆火星。无法寻找到可持续发展内容,单一投资重型火箭不可行。研制大推力发动机是重型火箭的关键技术基础,如果能兼容用于大型火箭,先行争取大推力发动机立项合理,是否研制重型火箭再议。争取重型火箭项目也应该与登月解绑,全面挖掘重型火箭需求,为未来的大规模进入太空做好充分准备,而不应该局限在登月上。

  登月的最大优势是航天部门能够比较好的完成国家任务,欠缺的是技术性目标吸引力不足。可持续发展是载人航天的命脉,过早透支资源有可能引发郑和病,登月论证应贯彻模糊战略,保持开放性,对一系列潜在运用和目标长期深入考察,等待未来情况转变。

  从眼下来看,2020年左右建设空间站,将在轨运行十年,随后有可能建造下一代空间站。2020年后,嫦娥工程告一段落,无人月球基地吸引力充分,启动项目并不意外。2020年后,科学卫星、深空探测器陆续启程,2030年代将进入大发展阶段,现在提出载人登陆小行星等为时尚早。现在尚不能预言2040年左右,需要掌握大规模进入太空能力,登月只有政治吸引力,启动项目远未成熟。

  模糊战略下,争取研制大推力火箭发动机,再争取研制部分替代长征五号的大型火箭,掌握重型火箭关键技术。在大型火箭基础上,视需求开发超大型火箭,满足少量重型载荷需求。条件成熟时,开发重型火箭,选择登陆月球、小行星或火星。(作者:鼎盛论坛 壮丁甲)  

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