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全球航天這十年 ? 運載火箭篇

 wujinlan吳金蘭 2020-01-26

航天新觀察

2020/1/1


                                                    第 228期





今天的陽光,醒得比你早。這是新年第一個清晨,這是新一個十年的第一天。

從單純滿足國家政治、軍事和重大科技需求到逐步倚重商業(yè),上個世紀90年代開始興起的“新航天”大潮在過去十年間真正地席卷全球,空間探索事業(yè)沿著降成本、求創(chuàng)新的河道,留下太多大事,發(fā)生了太多變化——當然,在地球與宇宙的歷史中,這都是微不足道的瞬間;畢竟,人類航天器第一次飛出大氣層至今,不過63年。

從運載火箭、人造地球衛(wèi)星、載人航天到深空探測,宙叔為你梳理這十年發(fā)展。今天,我們先看看國外的運載火箭。十年前的運載火箭主力與當前大不相同,幾乎有70%已被替代,人類對運載工具的研究、發(fā)展、更新從未停歇。

曾經(jīng)的全球發(fā)射量第一,俄羅斯輝煌不再

十年前,俄羅斯憑借聯(lián)盟號、質(zhì)子號、隆升號、第聶伯、天頂號等運載火箭,穩(wěn)居全球火箭發(fā)射能力最大的國家,年發(fā)射次數(shù)也連續(xù)多年保持第一。2010年的全球74次發(fā)射中,俄羅斯的火箭(含烏克蘭)占據(jù)了42%——也就是說全球的航天發(fā)射,近一半是用俄羅斯研制的火箭完成的。2011年全球84次發(fā)射中,俄羅斯的火箭占據(jù)39%。

十年前的俄羅斯以強大的研制能力、巨大的航天投入、火箭運力的多元化以及火箭優(yōu)質(zhì)的可靠性,穩(wěn)居火箭發(fā)射市場第一位。以商業(yè)發(fā)射市場為主要方向的質(zhì)子號火箭、在海上平臺發(fā)射的天頂號3SL火箭、承擔俄羅斯軍星發(fā)射和空間站貨物運輸及宇航員往返任務(wù)的多面手聯(lián)盟號火箭等多種型號的火箭,支撐了各類發(fā)射需求,讓十年前的俄羅斯火箭有著廣闊的展示空間。

然而,由于俄羅斯火箭經(jīng)濟性不足、成本高昂且發(fā)射市場需求不飽滿,到了2019年,只有聯(lián)盟號火箭在挑大梁了——發(fā)射了17次。天頂號火箭、第聶伯火箭退出歷史舞臺,老質(zhì)子號的后續(xù)制造幾乎停止但又不得不消化剩余產(chǎn)能,近兩年轉(zhuǎn)為發(fā)射政府或軍用衛(wèi)星。新的火箭型號服役遙遙無期,老火箭型號紛紛退役,未來很長一段時間內(nèi)或?qū)⒂陕?lián)盟號獨擔大任。

從領(lǐng)跑全球發(fā)射到如今的發(fā)展前景不明,俄羅斯運載火箭的局面正是“新航天”淘汰的結(jié)果:巨額投入的火箭產(chǎn)業(yè)沒有經(jīng)濟性作為支撐,必然陷入青黃不接的困局。

2010年全球發(fā)射次數(shù)(來源:Wikipedia)

后航天飛機時代,美國持續(xù)顛覆火箭產(chǎn)業(yè)

美國航天發(fā)射次數(shù),曾多年保持全球第二。十年前,其主力運載工具為航天飛機、德爾它4、德爾它2、宇宙神5、米諾陶火箭等。雖然種類不如俄羅斯豐富,也基本上也做到了大中小型齊備、以大中型為主。

美國的運載火箭以可靠性為最大優(yōu)勢,十年前至今一如既往。與俄羅斯不同的是,美國NASA、政府部門和國防部并未在發(fā)射數(shù)量上有刻意的爭取,即便年發(fā)射次數(shù)有所下降也不會很在意。例如,2010年至2012年年發(fā)射次數(shù)分別為15、18、13次。目前如果不計算獵鷹火箭,美國的其他發(fā)射次數(shù)加起來甚至還不如十年前。但美國仍然多年來順水推舟地支持SpaceX公司火箭發(fā)展壯大,同時順水推舟地促使老牌火箭退役。目前,美國十年前的所有運載火箭無一例外均已進入退役行列。2011年完成最后一飛的航天飛機曾是人類天地往返的巔峰時刻,卻不得不因為高昂的費用和安全問題黯然謝幕。

美國火箭在2019年的發(fā)射次數(shù)為21次,其中13次來自獵鷹9。第二位的是電子號火箭,6次發(fā)射。其它次數(shù)是老牌火箭加在一起貢獻的。可見,以市場機制、經(jīng)濟性為重要考量,美國這十年基本完成了運載火箭的更新?lián)Q代。比如SpaceX的獵鷹9火箭,2010年至今,從剛剛成功發(fā)射衛(wèi)星、剛剛開始考慮傘降回收一子級的1.0版本,發(fā)展到了今天一子級回收常態(tài)化、回收再發(fā)射流程固化、1.2版本的B5型火箭,并將回收能力擴展至獵鷹重型、“星船”火箭,徹底顛覆了火箭產(chǎn)業(yè)。

雖然美國火箭發(fā)射總次數(shù)十年來變化不大,但無論是獵鷹9、獵鷹重型這類大中型火箭還是電子號小運載,都是對產(chǎn)業(yè)的巨大革新,將火箭發(fā)射帶入了一個全新時代。

2010年,獵鷹9首飛(來源:SpaceX

反正阿里安多項全能,歐洲火箭懶得創(chuàng)新

十年前后,歐洲運載火箭格局沒有太大變化,以阿里安5火箭作為大中型運載的主力,織女星火箭作為小型運載進行補充,發(fā)射次數(shù)也一直在5到10次之間浮動。對航天發(fā)射次數(shù)歐洲從不奮力追求,甚至連未來新型火箭的研發(fā)也似乎沒有太多想法。在研的新型號阿里安6火箭,也是在受到SpaceX公司獵鷹火箭的競爭壓力下半推半就一點點成型的,未來發(fā)射預(yù)計也不會如計劃中那么快。而近十年來歐洲更多的火箭研發(fā)工作,僅僅是對阿里安5火箭的一級、二級及助推器做各種改進,以形成不同運力的版本。似乎這就是歐洲火箭的風格:不求創(chuàng)新與改變,很難增加新型號,也不愿過早淘汰老型號。

歐洲火箭十年不變的主要原因,一在阿里安5火箭確實是一款可靠性極高的火箭,近20多年來106次發(fā)射僅有2次失敗和3次部分成功,而且失敗和部分成功還主要集中于最早期的發(fā)射任務(wù)。如果除去那幾次發(fā)射,阿里安5火箭幾乎全部成功。織女星火箭任務(wù)雖然很少,2012年服役以來也一直保持成功記錄,直到2019年7月11日令人意外地遭遇一次失敗。這兩款火箭近十年來運力互補且穩(wěn)定性極高,讓歐洲并沒有太多動力去改變。

原因之二在于,阿里安5屬于大型火箭,但往往又執(zhí)行雙星或3星的多顆主星發(fā)射任務(wù),其發(fā)射能力涵蓋了市場上(包括軍事在內(nèi))幾乎所有的大中小型(單星重量1噸到7噸)衛(wèi)星發(fā)射需求。即使沒有織女星火箭作為補充,阿里安5也能承擔全球幾乎所有的發(fā)射需求——不考慮檔期和價格的話。

火箭能力更新?lián)Q代的動力不足,導致歐洲火箭十年前和現(xiàn)在幾乎無異。SpaceX公司的獵鷹火箭悍然“攪局”,也未能讓歐洲摒棄火箭發(fā)展領(lǐng)域的惰性。當然,雖然進度并不樂觀,阿里安6和織女星后續(xù)新型號的研發(fā)仍在進行中,也算是在尋求改變吧。

 勞模阿里安5火箭(來源:ESA)

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