苏俄的运载火箭中,既有老骥伏枥的“联盟号”,也有新近出炉的“安加拉”,还有以“质子号”为首的一揽子采用毒发的型号:既有发射次数达到4位数的高产大户,也有仅试射过4次、出师未捷身先死的悲情人物;既有领军人物之间的流派之争,也有各大设计局之间的明争暗斗。
前几年,本人调研了一批文献资料,系统且详细地了解了苏联运载火箭以及航天器的相应情况;早期还从网络论坛上收集过一批火箭型谱图片,苏俄火箭如过江的鲫鱼;周围时不时会有人提及运载火箭换代的话题;工作关系,时常会接到或听说“新一轮型谱论证开始了,要论个 XX”;以上是促使我编写此文的四个因素——为什么苏俄需要那么多火箭?
一、苏俄的运载火箭
1.1 苏制运载火箭的发展脉络
从1957年10月Sputnik卫星上天到1991年12月26日苏联解体,这个红色社会主义国家的航天活动开展了50余年(含二战前后对弹道导弹的研究)。俄罗斯继承了苏联绝大多数的航天基础,在近30年的时间内,虽然在维持发展,但显然放慢了前进的步伐。
以下图表整理了17款苏制液体运载火箭。
图1 苏制主要运载火箭发展示意图
表1 十七款苏制液体运载火箭简表
时间跨度达到30年,虽然缺少部分型号的内容,但依然可以清晰地看出苏俄制运载火箭的发展脉络:
a)按研制基础和性质可分为:依托/脱离武器型号开展研制;
b)以SS-6(R7)导弹为基础,研发东方号、上升号、联盟号、闪电号等多型带助推器、采用液氧煤油作为推进剂的中型运载火箭;
c)以SS-4、SS-5、SS-9、SS-18导弹为基础,研发宇宙号、旋风号、第聂伯号等多型串联结构、采用有毒推进剂的中小型运载火箭;
d) 定位商业发射,研发质子号、天顶号大型运载火箭;
e) 定位航天飞机、载人登月等大型工程,研发能源号、N1重型火箭。
1.2 苏俄运载火箭发射记录
本节给出苏俄运载火箭发射记录,见下表。
表2 苏俄运载火箭发射记录表
其中,根据相关文献记载,截止到1991年底的发射总数为2373次(不含亚轨道),头35年的发射总量达到近26年的2.67倍,年平均发射次数67.8次 vs 34.1次。
以下图例按型号或技术基础分类分别给出相应的发射次数、失败次数及成功率的情况。
图2 按型号统计发射次数
图3 按型号统计失败次数
图4 按技术基础统计成功率
本节给出苏俄运载火箭型谱图例(有省略,按主要技术基础各给出一例),也包含了解体前由乌克兰南方局承制的型号。图例既包含实际存在(过)的型号,也包括论证过、构想中的型号:其中许多给出的发次之间仅有细微差异,包括载荷差异、整流罩差异等。
图5 东方号火箭
图6 闪电号
图7 联盟号
图8 宇宙号和旋风号
图9 第聂伯与隆声号
图10 质子号
图11 天顶号
图12 安加拉号
图13 N1火箭
二、苏俄为什么需要那么多火箭
即便忽略同一型号火箭不同发射任务间的细节差异,苏俄依然拥有种类繁多的庞大运载火箭家族,面对琳琅满目、风格迥异的各式火箭,我们不禁在心底暗暗生疑——“苏俄为什么需要那么多火箭”,这个问题实际可细分为“为什么需要那么多种”和“为什么需要那么多发”,这里就简单地眉毛胡子一把抓一锅烩了吧。
2.1 冷战期间的军事需求
冷战催生的巨大需求,促使苏联出于军事目的研制了用途齐备、数量庞大的航天器,并研制了数字惊人的运载火箭将它们送入太空。
从1957年到1991年,苏俄共发射了各种航天器(卫星、探测器、飞船、空间站及其专用舱段等)接近3000个。其中以军用为主的宇宙系列卫星就达到2000余颗,占比接近80%。
表3 苏联发射的航天器分类统计
苏俄的航天器按用途和工作特点可分为11大类,简要情况见下表所示。
表4 苏俄航天器分类简表
由表中数据可知:苏俄巨大的发射数量背后存在早期航天器设计寿命短、返回式卫星频繁发射等因素;但也存在一些特殊任务的因素。
2.2 阶梯型的能力覆盖需求
由前述内容可知,苏俄的运载火箭起飞规模覆盖数十吨到数千吨,当然发射频度最高的还是几百吨级别的中型运载火箭,基于R7的火箭发射次数占比达到一半以上。
表5 苏俄运载火箭起飞规模一览
小载荷用小火箭,大载荷用大火箭,苏俄的火箭研制遵循了这一朴素的思想,能力覆盖范围重叠的型号有限,且多用于冷战时期高密度发射需求,在发展后期最常露脸的也就是联盟系列、质子号了。
图14 苏俄运载火箭起飞规模阶梯图
2.3 不同的发展路线长期并存发展
苏俄的第一枚洲际导弹、搭载第一颗人造卫星的运载火箭,采用的是液氧煤油动力,后续发展出具有实战应用价值的采用有毒推进剂的洲际导弹。有毒和环保,两个在某种意义上背道而驰的发展方向——一个能长期贮存、使用性能好,但有剧毒;另一个(半)低温、准备时间较长,但环保无毒无污染。
在发展早期,两种路线齐头并进的情况并不罕见,美国也是如此;但随着各国喜好也好、重视环保也罢,几十年下来欧美早已摈弃使用有毒推进剂为主的运载工具,下图给出的即是曾经活跃在发射舞台上的两型欧美运载火箭;但在俄罗斯依然可见到两种技术路线并驾齐驱,你方唱罢我登场。
看起来种类繁多的苏俄制运载火箭,时至今日,扛大旗的主力型号还是苏联的遗产,换代型号迟迟未步入快速发展道路。
图15 两型已退出现役的欧美运载火箭
如前所述,按照研制基础来划分,苏俄的运载火箭又可以分为:依托和脱离导弹武器基础开展研发两类。刨去由伪战略导弹发展起来的联盟/闪电/上升/东方系列运载火箭,实际由具备实战价值的导弹发展而来的运载火箭并不算多,也就宇宙、旋风、第聂伯、隆声四大家族,并不占主导地位,发射数量不到总量的30%,且后两型是导弹武器服役到期后的弹改箭的直接产物。
两种路线并存的情况在苏俄研制的战略导弹领域也是如此,固体和液体两种技术路线长期并存发展。
2.4 庞大的工业基础成为负担,竞争激烈
苏俄的航天工业体系发达,据不完全统计,主要航天研制机构达到35家,且多家机构都具备研发运载火箭、发动机、上面级的能力。其中,能源火箭航天集团、赫鲁尼切夫国家航天科研生产中心、中央特别设计局、南方设计局是4家耳熟能详的大型生产联合体。
下图给出了俄罗斯(含乌克兰)主要航天工业机构地理分布示意。
图16 俄罗斯主要航天工业机构地理分布示意图
航天机构在各州市的数量分布如下图所示:
图17 航天机构在各州市的数量分布情况
苏联解体后,原有的工业体系并未按实际需要进行彻底改革、精简、裁撤,在需求锐减的大环境下,各家一方面在寻找新的客户,尽力维持原有的产品品类来维持生产制造能力,另一方面积极推介新的发展计划,如:安加拉系列、轻型联盟号、联盟-5、旋风-4,还有新的重型火箭等等。
美国SpaceX公司带来的外部环境巨变,使以往能占据一定市场份额的质子号江河日下,其退役计划已提上日程,其候选替代者之间的竞争也未见明朗。也许在不久的将来,诸多大名鼎鼎、功勋卓著的苏俄火箭,都只能存在于博物馆和人们的记忆中了。就像互联网上关于拜科努尔废弃的苏俄航天飞机及其厂房的图文,让人目睹帝国余晖后只剩下唏嘘不已——红色帝国的鼎盛时代是何其风光无限。
2.5 俄罗斯会研制一型包打天下的火箭吗?
2.5.1 包打天下的Falcon9
在SpaceX横空出世之前,每型火箭似乎都有自己的专属任务:
a)质子号以前是发射礼炮号空间站的,现在加个上面级承担GTO/GEO发射任务;
b)联盟号是发射载人/载货飞船,兼顾低轨发射任务;
c)阿里安-5专打一箭双星GTO任务。
SpaceX的Falcon9可好,GTO、SSO、LEO都要发射,还打载人飞船,芯级并联一下就成为重型构型(当然Delta4-H也是芯级并联,单芯级串联构型4M不多见罢了)。卫星运营商/研制方选运载火箭,可不是看菜谱点菜,可不是菜单越长越好,不追求多样性,看的是性价比、可靠性。
2.5.2 两代铱星发射部署
铱星发射部署所选运载火箭的类型也是一个典型的例子。
铱星系统是低轨全球移动通信系统。第一代系统由美国摩托罗拉公司设计,20世纪90年代完成部署,总计66颗卫星,分布在6个近地轨道面上,1998年完成部署。第一代铱星部署(含补充星),选用了4型火箭:其中60颗,以一箭五星的方式由Delta2 7920-10C重型发射12次完成部署;21颗,以一箭七星的方式分3次由Proton-K/DM-2发射完成;剩下的,都以一箭双星的方式完成,CZ-2C/FP发射了6次,Rockot/Breeze-M发射了1次。
图18 四型发射一代铱星的运载火箭
1999年8月,铱星公司提出破产申请,2000年3月正式破产,其资产于2001年被一家私募基金公司收购,恢复了通信业务,并于2007年启动了第二代铱星计划。第二代铱星部署只选用了一型火箭,就是SpaceX Falcon9,主要以一箭十星的方式发射入轨。到2019年1月,成功完成了8次发射任务,完成了二代铱星的部署。
图19 铱星星座示意图
图20 Falcon9与第二代铱星
2.5.3 SpaceX实际有好多型火箭
在新四大发明横行的今天,谁还记得曾经琳琅满目的DC、DV、计算器、录音笔、电子词典、游戏机呢?上点岁数的人还记得,小孩子只认识Pad、智能手机了。各国各型专注于一种任务的运载火箭就好比曾经的DC、DV这些功能单一的电子设备,SpaceX的Falcon9就好比Pad、智能手机了。
当然,在一型火箭这个问题上,SpaceX有点耍花样,其Merlin发动机经过多次改进,还有发动机布局、垂直回收、整流罩回收等多项技术改进,要按咱们的标准完全可命名为Falcon 9A、B、C、D、E、F、G嘛。但外行人一看,长相差不多,就是一根棍子,顶多有个重型,一根长棍子+两根短点的棍子嘛。
还有个短命的Falcon1,为何早早弃之不用?屡屡出师不利,不吉利?恐怕真正的原因是不看好单发小载荷发射市场,与公司的发展理念不符吧:仅仅是个早期技术验证或者赢得投资的工具?嗯,国内的民营火箭公司也可以效仿。另有个只停留在纸面上的Falcon5也就不再多提了。
2.5.4 包打天下需要可重复使用技术
现在大家纷纷仿效SpaceX推出一系列垂直返回可重复使用火箭研制计划。以前,大家都在讨论“大马拉小车”不划算,阿里安这样的一箭双星火箭,常常还因为要凑两名合适的乘客,而耽误发射计划。现在,“大马拉小车”又何妨?剩下的能力可以返回发射场嘛,能力富余不多就找艘驳船落脚,坐船回来。——垂直回收/可重复使用火箭技术的应用,书写了人类探索空间的新篇章。
暂且不论其真正工程化可重复使用后,经济账到底如何,仅仅是一次次地在天际画出炫目的亮线,如天兵天降般回归大地、大海,而不是一团火球、一个炸弹掉下来,就足以赚足眼球,并博得多方喝彩了,卖参观门票都要比一般火箭有看点不是?加之SpaceX适宜的价格政策、FalconH把小车送往火星、媒体对老板传奇经历的宣传,低成本、高性价比的运载火箭明星更是冉冉升起了。
质子号也是能力很强的火箭,搭配上面级,能力也几乎覆盖所有典型轨道任务,甚至富余很多,但没有重复使用的炫酷技术,外加有毒,再有本国安加拉系列的换代计划,怎么看都是前景黯淡。
俄罗斯会走SpaceX的道路,再研制一型能力很强,包打天下、既载人又载货还能回收重复使用的运载火箭吗?
三、总结
本文结合历史文献资料与部分网络资源,对苏俄运载火箭发展脉络、发射记录、火箭型谱图例等进行了资料整理与归纳;对苏俄为什么需要那么多(种、那么多发)火箭进行了讨论,认为存在冷战军事需求、阶梯型能力覆盖、不同发展路线长期并存、庞大工业基础成为负担与竞争激烈,共计4方面的原因;还对包打天下的火箭这一问题进行了简析。
苏俄未来会保留几款运载火箭?载人的还要靠联盟号……质子号宣传停止接单、安加拉接班似乎还有待时日、天顶号受俄乌关系影响未来也不可期,糊里糊涂的一个局面。
参考文献:
[1]www.spacelaunchreport.com
[2]www.cjdby.net
[3]吴荣华,苏俄战略火箭军全史,中国长安出版社,201603
本文来自微信公众号:理念世界的影子 (ID:spaceodyssey1968),作者:狼牙风风