航天大國的困境

張雪松

蘇聯(lián)在冷戰(zhàn)時期是數(shù)一數(shù)二的航天強國。蘇聯(lián)解體后，俄羅斯繼承了它的航天遺產(chǎn)，仍然是頂尖的航天強國。然而俄羅斯長期以來對航天工業(yè)投資不足，外加技術(shù)隊伍的老化，現(xiàn)在航天工業(yè)疲態(tài)盡顯。即使是俄羅斯最驕傲的運載火箭領(lǐng)域，現(xiàn)在老火箭即將退役、新火箭舉棋不定，航天強國的根基正在動搖。

物美價廉已成往事

在蘇聯(lián)時代，作為大型火箭的“質(zhì)子”進行了約200次發(fā)射，中型火箭“聯(lián)盟”更是發(fā)射了約1200次，造運載火箭真是“造香腸”一般！這兩種主力運載火箭的研制成本和試驗費用都由蘇聯(lián)政府承擔(dān)，而得益于蘇聯(lián)時代的大規(guī)模生產(chǎn)能力，火箭制造成本也相對低廉。因此在冷戰(zhàn)結(jié)束后，俄羅斯的這兩種運載火箭因為物美價廉，成為國際發(fā)射市場上的新寵。

20世紀90年代美國一次性火箭和復(fù)用的航天飛機都缺乏商業(yè)競爭力。歐洲的阿里安4和阿里安5火箭雖然相當(dāng)成功，但俄羅斯運載火箭的性價比更高。在美俄友好的國際環(huán)境下，雙方商業(yè)合作也相當(dāng)順利，1995年美國洛克希德公司、俄羅斯赫魯尼切夫中心和能源集團聯(lián)合成立了國際發(fā)射聯(lián)盟（ILS），使用“質(zhì)子”和“宇宙神”火箭參與國際商業(yè)發(fā)射競爭，對抗歐洲的阿里安宇航公司。ILS名義上說是美俄聯(lián)合，但“宇宙神”火箭價格太高，爭奪商業(yè)發(fā)射合同基本靠“質(zhì)子”。“質(zhì)子”雖然最大運力遜色于阿里安5火箭，“而且成功率并不算太高，幾乎每10次發(fā)射就有1次失敗，但因為價格優(yōu)勢大，競爭力還是很突出，拿到了大量訂單。商業(yè)發(fā)射也回饋給俄羅斯航天企業(yè)大量利潤，度過了青黃不接的艱難歲月。

“聯(lián)盟”同樣得到了商業(yè)發(fā)射市場的青睞，尤其是歐洲航天局在阿里安4中型運載火箭退役后，手里只有費盡九牛二虎之力研制出來的阿里安5大型運載火箭。但阿里安5火箭價格昂貴，用于發(fā)射中型衛(wèi)星載荷費效比實在太差。歐洲航天局不得已轉(zhuǎn)向東方，相中了俄羅斯“聯(lián)盟”。

歐洲公司不僅付錢給俄羅斯，使用“聯(lián)盟”發(fā)射衛(wèi)星，阿里安宇航公司還買來“聯(lián)盟”，在庫魯發(fā)射場建立了“聯(lián)盟”的發(fā)射工位，獨立運作“聯(lián)盟”的發(fā)射任務(wù)。目前賣給阿里安公司的“聯(lián)盟”，就已經(jīng)在庫魯發(fā)射場進行了18次發(fā)射。未來還有“一網(wǎng)”公司下的21次商業(yè)發(fā)射訂單。

但俄羅斯運載火箭商業(yè)發(fā)射的輝煌即將成為過去，航天專家和愛好者對這一幕都不感到意外。美國有漸進一次性運載火箭（EELV）計劃下的宇宙神5和德爾塔4火箭，歐洲航天局有阿里安5火箭，日本有H-ⅡA火箭。中國新一代的長征五號、六號和七號火箭都已經(jīng)投入使用。而俄羅斯卻仍在用幾十年前研發(fā)的“聯(lián)盟”和“質(zhì)子”扛大梁。隨著時光的流逝，這兩種老火箭的研制成本早已被攤薄到不值一提，但技術(shù)落后卻導(dǎo)致制造成本不斷上升。“聯(lián)盟”發(fā)射報價已經(jīng)增加到約6000萬美元，“質(zhì)子”就更貴了。老式火箭的成本優(yōu)勢早已時過境遷。

另一方面，西方火箭的技術(shù)革新帶來成本降低。美國獵鷹九號火箭憑借技術(shù)先進性也做到了更低的成本，幾乎搶光了“質(zhì)子”的商業(yè)訂單。歐洲航天局新一代的阿里安6號火箭將于2020年發(fā)射。它不僅設(shè)計上兼顧中型和大型構(gòu)型，而且大大降低了發(fā)射成本。日本正在研制的H-Ⅲ火箭同樣顯著降低了發(fā)射成本，預(yù)定2020年左右發(fā)射。在西方新一代火箭的擠壓下，俄羅斯的老火箭發(fā)射價格高、技術(shù)水平低、發(fā)射成功率低的劣勢卻日益明顯，淡出商業(yè)發(fā)射市場是必然的結(jié)果。

新火箭研制舉步維艱

西方、中國以及印度都在研制新一代運載火箭，俄羅斯雖然沒有固步自封但卻是心有余而力不足。俄羅斯早在20世紀90年代就提出了能源-M、“安加拉”等一系列構(gòu)想，最終決定研制模塊化的“安加拉”運載火箭家族，想一舉取代現(xiàn)役全部火箭，包括俄羅斯自行制造的“聯(lián)盟”和“質(zhì)子”、與烏克蘭合作生產(chǎn)的“天頂”，以及“閃電”和“轟鳴”等小型運載火箭。

◎設(shè)計出色的“安加拉”

俄羅斯對“安加拉”火箭寄予厚望，從1992年開始招標(biāo)，最早計劃在2005年首飛。但夢里走了很多路，醒來還是在床上。隨著20世紀90年代俄國經(jīng)濟蕭條預(yù)算緊缺，導(dǎo)致航天工業(yè)人員流失和工業(yè)基礎(chǔ)衰退，嚴重困擾著“安加拉”火箭的研制。1994年赫魯尼切夫中心拿到研制合同，但直到1998年才完成基本設(shè)計。同年俄羅斯發(fā)生金融危機，“安加拉”火箭的研制剛剛開始就被擱置。直到2004年后俄羅斯經(jīng)濟的恢復(fù)，“安加拉”才開始加速研制。

2002年左右赫魯尼切夫中心和韓國航空宇宙研究院合作，為韓國第一種火箭KSLV-1研制提供支持。實際上，KSLV-1火箭第一級幾乎就是“安加拉”通用模塊URM-1模塊的試驗品。URM-1使用單發(fā)RD-191液氧煤油發(fā)動機，可以作為火箭第一級芯級單獨使用；也可以再捆綁兩枚或四枚URM-1，構(gòu)成重型火箭的第一級。第二級則使用裝RD-0124A液氧煤油發(fā)動機的URM-2模塊。這樣就構(gòu)成了“安加拉”1、“安加拉”A3和“安加拉”A5三種火箭。俄航天局還打算采用這兩種模塊構(gòu)成更加豐富的型號，形成運力覆蓋小型到大型火箭的“安加拉”家族。

俄韓合作為赫魯尼切夫中心帶來了寶貴的資金。但俄方在“合作”中，不但不向韓國轉(zhuǎn)讓任何技術(shù)，甚至不允許韓國人觀看URM-1的測試、燃料加注等射前準(zhǔn)備工作。KSLV-1三射兩敗，第三次才把衛(wèi)星送進了軌道。而三次飛行的費用全都是韓國承擔(dān)的。實際上，韓國充當(dāng)了“冤大頭”和“小白鼠”，俄航天局卻對URM-1進行了飛行驗證、積累了經(jīng)驗。在此技術(shù)上，2004年，“安加拉”火箭完成詳細設(shè)計并開始制造。

◎黯然下馬的“羅斯M”

理論上“安加拉”火箭可以一統(tǒng)天下，取代蘇聯(lián)時代研制的各種火箭。但俄羅斯不僅繼承了蘇聯(lián)航天的雄厚基礎(chǔ)，也沿襲了山頭林立的格局。

2008年俄羅斯航天局宣布“安加拉”火箭研制順利，首次發(fā)射有望在2010年進行，但隨后又向能源集團下屬的俄進步設(shè)計局投資，研制“羅斯M”火箭。該火箭使用RD-180液氧煤油發(fā)動機，幾乎就是俄羅斯版的宇宙神-5火箭家族。它的運載能力和“安加拉”火箭高度重合，但核心任務(wù)是發(fā)射載人飛船。財大氣粗的美國當(dāng)時正在同時推進宇宙神-5和德爾它-4兩種大型火箭的研制。俄羅斯也打算同時研制兩種新一代火箭。但這樣的研制費卻是其承受不起的。

2011年，時任航天局長波波夫金決定取消“羅斯M”火箭項目。他表示，即使航天局投入37%的年度預(yù)算投入研制，“羅斯M”火箭也不可能在2015年首飛。

“羅斯M”火箭的挑戰(zhàn)落幕了，載人飛船將使用“安加拉”A5P火箭發(fā)射，但“安加拉”火箭的研制和試驗進度卻不盡人意。2013年第一枚“安加拉”1.2PP火箭才運往普列謝茨克發(fā)射場進行測試和合練。它只是無捆綁的小型火箭，首次發(fā)射還是一次亞軌道發(fā)射。其實這也不奇怪，蘇聯(lián)航天的輝煌屬于蘇聯(lián)，而俄羅斯新型運載火箭研制時沒幾個老專家了，完全可以說是年輕人的第二次創(chuàng)業(yè)，進度不盡人意也在情理之中。

◎“聯(lián)盟”火箭的改進

由于“聯(lián)盟”火箭的可靠性高，俄羅斯還在繼續(xù)改進它，發(fā)展了“聯(lián)盟”2系列火箭。包括數(shù)字化改進的“聯(lián)盟”2.1火箭和二級升級的“聯(lián)盟”2.1b火箭，更有第一級改用NK-33液氧煤油發(fā)動機的無捆綁輕型“聯(lián)盟”2.1v火箭。

“聯(lián)盟”火箭的改進，擠壓了“安加拉”火箭的生存空間，比如“聯(lián)盟”2.1v就搶走了“安加拉”1.2小型火箭的飯碗。更搞笑的是，俄羅斯近兩年又啟動了“聯(lián)盟”5火箭的研制，進步設(shè)計局也跑來分一杯羹。“聯(lián)盟”5現(xiàn)在計劃使用RD-171MV液氧煤油發(fā)動機做第一級，等于是俄羅斯全國產(chǎn)的“天頂”火箭。它被打算用于發(fā)射“聯(lián)邦”號載人飛船。這樣一來，本來就被擱置的“安加拉”A3火箭方案再無翻身之日。總而言之，俄羅斯原計劃用模塊化的“安加拉”火箭家族取代老式運載火箭的嘗試，已經(jīng)在現(xiàn)實面前支離破碎。

研發(fā)機構(gòu)債務(wù)纏身

“安加拉”火箭現(xiàn)在只有“安加拉”1.2和“安加拉”A5兩個型號，都在2014年進行了首次發(fā)射。這本應(yīng)是俄羅斯新一代運載火箭投入使用的起點，但兩次試驗后就沒了下文。俄羅斯航天還是在依靠“質(zhì)子”、“聯(lián)盟”等老火箭發(fā)射航天器。其中原因，既有俄國各個設(shè)計局之間的勾心斗角，也因為原定的東方發(fā)射場“安加拉”工位遲遲沒有建成，赫魯尼切夫中心本身的經(jīng)營也大有問題。

由于航天預(yù)算砍了又砍，俄羅斯能用于新一代火箭研制和替換上的錢實在不多，這也是“安加拉”火箭雖然試驗發(fā)射成功，但一直沒有替換老火箭的根本原因。2019年“安加拉”火箭將在普列謝茨克發(fā)射場開始商業(yè)發(fā)射，東方發(fā)射場要從2021年開始發(fā)射。至于“聯(lián)盟”5火箭的研制和發(fā)射，那就是更遙遠的事情了，甚至不排除俄再拿出一個紙面火箭取代“聯(lián)盟”5。

重型火箭遙不可及

雖然新一代火箭的研制舉步維艱， 但俄羅斯從來不缺乏紙面計劃，最近他們又在積極討論重型火箭了。

美國航宇局為了重返月球，曾經(jīng)打算研制“戰(zhàn)神”系列重型火箭。俄羅斯也不甘落后，提出了不少紙面重型火箭方案。美國航宇局后來取消了“戰(zhàn)神”，但2011年在國會壓力下繼續(xù)研制重型火箭，這就是計劃2020年首飛的空間運載系統(tǒng)。俄羅斯各個設(shè)計局也在競相發(fā)布重型火箭方案，它們基本都以“能源”重型火箭留下的RD-170/171液氧煤油發(fā)動機和RD-0120液氧液氫發(fā)動機為基礎(chǔ)，但也有使用液氧甲烷發(fā)動機的方案。

2013年俄羅斯赫魯尼切夫中心提出了“葉尼塞”5重型火箭方案，芯級使用3臺RD-0120發(fā)動機，捆綁的4個助推器各使用1臺RD-171M發(fā)動機，近地軌道運力可達125噸。能源集團提出了“能源5K”方案，芯級1臺RD-171M發(fā)動機，4個助推器各1臺RD-171M發(fā)動機，第二級使用液氧煤油的RD-191V發(fā)動機。其特點在于全液氧煤油推進劑，不過近地軌道運力只有79噸。進步設(shè)計局提出了STK火箭方案，芯級是4臺RD-0164液氧甲烷發(fā)動機，捆綁2枚/4枚/6枚助推器調(diào)節(jié)運力，每枚助推器使用2臺RD-0164發(fā)動機。俄航天局則在“暴風(fēng)雪”號航天飛機飛行25周年紀念儀式上宣布，將制定路線圖，用超重型火箭執(zhí)行飛向月球、小行星和火星的載人飛行任務(wù)，以及建立月球有人居住基地。俄航天局還表示，俄重型火箭將使用類似美國SLS的分階段升級方式，第一階段近地軌道運力80噸級，第二階段運力升級到150噸。

愿望是美好的，前途是光明的，但現(xiàn)實是殘酷的。2014年8月15日俄羅斯Lenta網(wǎng)站報道，俄羅斯航天局為重型火箭研制申請了2146億盧布的預(yù)算。但航天預(yù)算反復(fù)縮水讓這一切成了鏡中花水中月。俄航天局一度提議取消普列謝茨克和和東方發(fā)射場的備份“安加拉”發(fā)射工位，集中資金用于研制重型火箭。但重型火箭的研制需要花費巨資，俄羅斯航天局曾預(yù)測，完成研制需要7000億盧布。取消兩個備用工位，省出來的錢也不夠用。2015年3月俄重型火箭研制被迫無限期推遲。

官方囊中羞澀時，赫魯尼切夫中心提出了“安加拉”A5V火箭方案。它第一級發(fā)動機增推10%左右，上面級換用液氧液氫發(fā)動機，編號中的字母V來自俄語Vodorod（氫）這個單詞。“安加拉”A5V火箭近地軌道運力提高到35-38噸，同步轉(zhuǎn)移軌道運力可達12噸以上。一次載人登月任務(wù)需要4次“安加拉”A5V火箭發(fā)射。但它研制費用只需要370億盧布，屬于俄羅斯承擔(dān)得起的選擇。然而，對比威武雄壯的美國SLS火箭，“安加拉”A5V火箭性能差得太多，俄羅斯政界也有很多人不滿意，甚至認為這是要扼殺俄羅斯的重型火箭研制能力。

出于政治需要，2017年俄羅斯又一次啟動重型火箭的研制，能源集團的“能源”5V方案勝出。“能源”5V火箭芯一級和助推器使用RD-171MV液氧煤油發(fā)動機，第二級使用RD-150液氧液氫發(fā)動機，第三級使用RD-58MF液氧煤油發(fā)動機或是RD-0146液氧液氫發(fā)動機。俄航天集團公司估算，“能源”5V火箭研制和發(fā)射等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要約1.5萬億盧布投資，這還是“能源”5V和“聯(lián)盟”5火箭共享設(shè)計，芯一級和助推器使用4.1米直徑和RD-171MV發(fā)動機的結(jié)果。

在航天預(yù)算極其有限的條件下，俄羅斯仍然要用“安加拉”火箭進行換代，研制新的“聯(lián)盟”5火箭和“聯(lián)邦”號飛船，還要研制重型火箭，這實在讓人眼花繚亂。然而，紙面項目可以自由提出，沒錢還是搞不出型號的。2018年8月塔斯社報道，重型火箭研制將花費約250億美元！這相當(dāng)于把至少10年的航天預(yù)算全用于研制重型火箭和配套地面設(shè)施。2028年俄羅斯重型火箭發(fā)射升空這個想法，實現(xiàn)起來那可是“相當(dāng)?shù)睦щy”。