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2021年,这些火箭首飞缘何“打水漂”?

本文转自【中国航天报】;

随着点火口令下达,火箭发动机发出震耳欲聋的巨响,随后运载火箭从烟雾中缓缓上升,逐渐加速并直插云霄,这就是运载火箭起飞的画面。但火箭在首飞前,需要历经长达数年的研制时间,而过程中出现的任何问题都有可能导致首飞时间一推再推。例如,众多火箭曾言之凿凿于今年首飞,但2021已临界末尾,一通盘点过后,依然还有不少火箭的首飞打了水漂,放了“鸽子”。

又慢又贵的“鸽王”重型火箭

要论近几年火箭领域的“鸽王争霸”,第一名要数美国重型火箭领域的当家花旦——太空发射系统(SLS)。这种集美国宇航局万千宠爱于一身,由美国国会在经费和政策上“双重”护航,基于航天飞机成熟技术“堆砌”而成的重型火箭,于2011年正式立项研制。

美国SLS运载火箭

该火箭原定于2016年首飞,但随后历经8次重大推迟,截至目前已研制长达10年,累计花费212亿美元后仍在推迟。之前,SLS定于今年末首飞,但因近期芯一级发动机的控制器失效更换等一系列问题,最新首飞时间已经推至明年初。

纵观人类航天史,重型火箭由于体量大、难度高,有所推迟是正常现象,但SLS不同以往,其构型并无创新性的设计理念。恰恰相反,SLS的设计相对于可部分重复使用的航天飞机而言称得上是倒退,它抛弃了重复使用设计,算是航天飞机技术遗产的重新组合。

火箭芯一级采用4台航天飞机使用的RS-25主发动机,并将航天飞机的四段式固体助推器延长至五段,而芯二级派生自即将退役的德尔塔4系列火箭的芯二级,安装有单台RL-10发动机。

SLS火箭安装的4台RS-25主发动机

纵观全箭,各主要分系统都是成熟的技术和产品,尤其是RL-10作为美国第一种氢氧发动机,自1963首飞至今已可靠服役超过半个世纪。

得益于成熟技术的堆砌,SLS在诞生之初,美国宇航局就将它定位为一种可快速研制成型的低成本、一次性火箭,以期替代复用成本高昂的航天飞机。然而,随着SLS的不断推迟和耗资暴涨,单次发射成本已高达20亿美元。

由于SLS承担着维持航天飞机时代供应链体系的责任,供应商体系依然庞杂、昂贵且低效。除供货、协调等低效产生的延期外,部分试验环节的不顺也加剧了项目节点后移。

“星舰”首飞遭多种因素拦路

说到曾计划今年首飞的重型火箭,不得不提进度上正在奋起直追的“星舰”。相对于SLS的磨洋工,“星舰”研制可谓飞速,从2019年首台原型机开始制造至今不过两年。

正在组装的“星舰”

今年初,马斯克曾豪言要在年内进行首次轨道发射,跟SLS拼个高下,结果事与愿违,两者均推迟到明年。

“星舰”

“星舰”推迟的原因首先是自身设计的不断迭代,设计方案改了又改,导致SN-12、13、14、16等原型机制造一半或未经试飞就被拆毁或报废。

其次是“星舰”贮箱所用不锈钢牌号不断修改,厚度有所减薄,翼面尺寸及位置也几经调整,近期又在增加发动机数量,换用2.0版猛禽发动机,并进一步拉长火箭二子级,这都是“星舰”首次轨道试飞时间不断推后的原因。

再次是“猛禽”的可靠性不足也拖累了“星舰”进度。SN-8~11四艘“星舰”的10公里亚轨道试飞失败均与“猛禽”有关。还有是严重低估了轨道级发射台的工程量,推进剂贮存设施、新设计的回收机构至今仍在调试。

SN-10落地后侧翻爆炸

最后是美国监管当局冗长的环评及发射许可流程,迄今仍无结果,年内进行首次轨道发射彻底成为泡影。

ULA巧“箭”难为无“机”之飞

12月1日是美国联合发射联盟公司(ULA)创办15周年的纪念日。该企业自成立以来,145次发射任务全部成功的业绩十分耀眼。但实际上,ULA在今年是“哑巴吃黄连,有苦说不出”,原定今年首飞的火神新一代火箭因芯一级由蓝色起源公司研制的BE-4发动机迟迟不能交付,被迫推迟到2022年,如果继续推迟到宇宙神5火箭退役还不能接班的话,ULA将出现“无箭可用”的尴尬境地。

火神运载火箭发射想象图

“宇宙神5”之所以要强制退役,要从1994年美国空军发起的“改进型一次性运载火箭”计划说起。当时美国空军选定“德尔塔4”和“宇宙神5”分摊国防发射任务,但美国政界却对“宇宙神5”芯一级使用的俄制RD-180发动机耿耿于怀,担心俄罗斯借“机”威胁美国的国家安全,于是策动“国家安全发射”项目,重新选定两种火箭,且要求必须采用美制发动机以除后患。随后,ULA的“火神”雀屏中选。

实际上,“火神”芯一级发动机当时的可选项有两家,除了蓝色起源公司外,另一家是由洛克达因公司研制的AR-1发动机。ULA考虑到洛克达公司因近年来的研制能力下降,采购报价也水涨船高,最终冒险选择了蓝色起源公司的BE-4液氧甲烷发动机。

BE-4液氧甲烷发动机

BE-4采用分级燃烧循环,设计推力240吨。选定后,BE-4的研制遭遇了严重技术问题,于是2019年初将整个预燃室-涡轮泵系统推翻重来,之后经两年研制仍无法稳定工作在额定推力上,迟迟未能交付。

为尽可能减少对进度的拖累,ULA只能重排试验进度,单独将芯一级贮箱拉到发射台开展测试,上演了一场巧“箭”难为无“机”之飞的尴尬戏码。

一机“坑”两箭,推迟本常态

BE-4的研制窘境不仅拖累ULA,也影响了蓝色起源公司自家的新格伦火箭的研制进度。“新格伦”原定今年末的首飞日期早已不提。常言道,“屋漏偏逢连夜雨”,今年蓝色起源公司在登月舱合同中落败SpaceX公司后,创始人杰夫·贝索斯不依不饶,不断抗议、投诉乃至起诉美国宇航局,要求重发或为其额外颁发合同,并公开抨击SpaceX公司的登月舱方案。

新格伦运载火箭想象图

这一系列行为引起了公司部分员工的不满,在社交媒体上公开称不同意公司的观点。加之蓝色起源公司自身管理的积弊已久,于今年秋天爆发了一场核心员工离职潮,一系列动荡使“新格伦”的研制进度雪上加霜。

上文这些“放鸽子”的火箭只是冰山一角,近年来航天领域新研制火箭进度推迟,经费上涨几成常态。例如,欧洲的阿里安6火箭受新冠肺炎疫情、发射台建设缓慢、资金不足等原因影响,发射推迟至2022年末。

阿里安6运载火箭发射想象图

日本的H-3火箭芯一级采用了新型LE-9氢氧发动机,膨胀循环的LE-9真空推力高达140吨,但今年LE-9的试车屡出状况。受此影响,H-3首飞从最早的2020年推迟至2022年。

日本H-3运载火箭想象图

另外,还有俄罗斯的安加拉A5火箭的首次带载荷试飞,已经推迟至明年。还有一些初创航企的今年首飞计划,也已被人遗忘在日历和新闻中。

竖立在发射台上的安加拉A5运载火箭

其实,运载火箭的进度推迟有着各种各样的原因,最主要是技术问题,例如,设计难以定型,方案朝令夕改;或对新技术风险的认知和预研不足,导致关键技术难以攻克;也可能是试验条件限制或不够充分。另外是管理协调的低效和带来的成本增加,例如,SLS庞杂的供应商体系直接导致了“今年复明年,推迟何其多,经费涨涨涨,最终成鸽王”的窘境。

还有就是资金、定位和监管带来的影响。部分火箭型号因为定位模糊,加上拖期导致市场竞争力下滑,而资金不足又反过来拖累其研制,最终造成恶性循环。而如何能够合理安排一个型号的研制进度,推动其又好又快地进行,无疑是全世界航天人都需要解决和面对的一个重要问题。



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原文地址《 2021年,这些火箭首飞缘何“打水漂”?》发布于2021-12-28
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