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如何看待「长征九号即便是造出来了也面临着落后,中国重型 ...

chren 回答数5 浏览数1407
随着太空探索科技公司(Space X)的可回收火箭事业发展得蒸蒸日上、近日更是被美国国家航空航天局(NASA)选中为登月方案之一。在不断地降低火箭发射成本的同时各种类似于星际飞船(Starship)这类的高大上的「超级火箭」项目进展稳步推进的同时,本人发目前国内的航天圈当中也逐渐涌现出了不少的「唱衰长九」的声音与舆论。他们唱衰长九」不是质疑以我国的航天与火箭技术发展水准来看将来长征九号有没有可能造得出来,而质疑的是将来若干年后即便是长征九号真的造出来了那么也会面临着一出山就即落后」的局面,因为那时美国的以太空探索科技公司的火箭为首的跟长征九号同等甚至更大运载力的火箭发射成本早就已经白菜化」了,所以长征九号根本就是个错误的方向,我国就根本不应该去花费那么多人力物力资源砸那么多钱搞什么长征九号(这种在他们看来应该是技术早已过时的传统型重火箭)。
你们对此如何看?你们觉得在这种局势与情景下我国航天将来到底有没有必要去研发长征九号这么一款属于我们的「土星五号」或者「太空发射系统(Space Launching System)」?
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cz88 | 来自广东
太消极了。
SpaceX 本身走的就不是寻常的路数。
口水战之前,先说点不那么科普的内容。
很多人以为苹果手机刚出道时,妥妥的技术创新,
但实际上,苹果更像是商业模式创新,乔布斯整合了全世界的优秀技术,
当然,整合过程本身也能算技术创新,智能手机横空出世,这个男人也实现了他吹过的牛:改变世界。

那么问题来了,还有哪些行业可以这么干呢?
有人尝试了电视行业,有人尝试了出租车行业,还有人尝试了房地产行业,
每行每业都有人想做乔布斯,有的跑路国外,有的一地鸡毛,有的盆满钵满。
但不管怎么样,大伙都觉得航天领域是肯定不能这么玩的,诶(ěi),美国人就是不信这个邪!

真正的中美第一次科技战
美国这个国家还是很有意思的,把资本的「恶与美」演绎得淋漓尽致。
NASA 的伟大就不多说了,咱们从来不吝啬赞美之情。
不过,牛也有牛的烦恼,那就是太烧钱了!
早些年,NASA 发射卫星主要靠波音和洛马的火箭,这哥俩有多狠呢?
每次发射都要坑走几亿美元,
比如,德尔塔 IV 型中型火箭,可以把 11 吨货送上天(指的是近地轨道),平均每次发射费用 1.6 亿美元,
而中国长征三号乙,同样送 11 吨货,国际上的发射报价只有 6000 万美元左右。
列强又不缺心眼,所以,就出大事了!

1992 年,美国休斯公司为澳大利亚制造的通信卫星,正是通过中国的长征二号火箭打上去的。
这在当年可是大事情,专门发了邮票纪念,
大伙纷纷以为长征火箭从此走出国门,往后不但不花国家钱,还能帮着赚外汇,
只要卯足劲搞生产,凭着价廉物美,包下全球送货业务指日可待啊 ~


美国人哪能看着你走上人生巅峰啊,
于是,就找了个理由,禁止中国火箭发射任何带有美国零件的卫星。
那年月,美帝正是如日中天,谁家能不用美国零件呢?
没办法,逼得中国只能搞一条龙,卫星制造、发射、运行、维护全套服务。
可毕竟是 90 年代嘛,咱们火箭才刚开始利索,卫星就寒碜多了,很多客户只能咬牙买美国货,
所以长征在国际火箭发射市场的占有率就很低。
算起来,这应该是真正的中美第一次科技战。
后来,资本的恶愈加赤裸裸,
波音和洛马开始联手坑爹,价格逐年上升,
大中型火箭的平均报价超过了 4 亿美元,坑得 NASA 直拍大腿!
正是在这种背景下,美国资本又表现出了可爱的一面。

败也资本,成也资本
2008 年 NASA 为了教训俩亲儿子,决定收几个干儿子,
于是,推出了「商业运输服务」项目招标,就是给国际空间站送货,当时来了不少人竞标。
其实,美国很多富豪都热衷于送人上天,成立的航天公司多如牛毛,
比如,亚马逊 CEO 贝索斯创办的蓝色起源公司,
英国传奇富豪布兰森在美国创办的维珍银河公司,
谷歌创始人佩奇和施密特创办的行星资源公司,
马斯克在创办 SpaceX 之前,也是一个富豪。
既然是神仙打架,大家都是富豪,那就各凭本事吧!
最终,轨道 ATK 公司和 SpaceX 公司顺利拿下订单。

NASA 最初要求两家分别送 20 吨货,
ATK 公司需要射 8 次,19 亿美元,
SpaceX 公司需要射 12 次,16 亿美元。
这一看,NASA 觉得干儿子比亲儿子厚道太多了,
于是,又续签了几次。

可惜,ATK 公司火箭做得不错,但 PPT 做得不行,
资金很快出了问题,2018 年被军火巨头诺格收购。
而 SpaceX 却混得风生水起,可重复使用的猎鹰火箭光彩夺目,资本家排着队一轮一轮来送钱。

很多人都说 SpaceX 的技术都是 NASA 给的,马斯克老马不过是捡了个便宜,这话也对也不对。
按理说,NASA 是甲方,出钱就行,技术和产品是承包商的事情,
但实际上,NASA 是深度参与过程的。
很多时候 NASA 签约的并不是一项成熟技术,而是个半成品,还得继续烧钱研发,
这个钱经常是 NASA 给的。
这么看,NASA 也算是一个风险投资机构。

2006 年,NASA 看完老马的 PPT 就拿出了 3.96 亿美元,啥也别说了,先打两发试试(这里指的是两次试验飞船的发射费用)。
后来火箭三连炸,直到 2008 年第四次才成功。
NASA 一看,可以了,别折腾了,来签合同吧,
于是就签了 16 亿的送货合同。

然后,2008 年签的合同,2012 年才第一次给空间站送货,那这四年在干嘛呢?
当然还在搞研发嘛,NASA 根据 SpaceX 的研发进展,不断把钱拨给老马,直至技术成熟为止。
如果中间你掉链子了,那就淘汰出局,没钱拿了。
要这么的话,SpaceX 妥妥捡了 NASA 的便宜啊!
别急,NASA 撒钱可不止撒一家,这是个习惯性动作。
这是前些年,NASA 授予各个民营企业的商业合同。


包括波音这种巨头,也会从 NASA 薅一点研发经费,而 NASA 的钱来自国会,
所以这事儿可以理解为国家补贴,这个词咱们就不陌生了。
但是光从 NASA 薅钱,加上老马自己砸的 2 个亿,显然不够火箭烧的。
于是,有趣的美国资本就开始发酵了。
老马一方面利用 NASA 的合同大肆向社会融资,
你们想想,连 NASA 都认了,还有啥不放心的呢?
所以钱哗哗就来了。
另一方面,拿着钱到处挖人,这谁扛得住啊,
其中有不少 NASA 研发人员蹭蹭就跳槽了,
承载技术的终究还是人嘛,人一到技术不就到了嘛,所以老马的技术呼呼就涨了。

这一切,在外界看来,NASA 就等于给老马送钱送人送技术了,
遂戏称 SpaceX 是 NASA 的私生子。
其实这么说还是有失公允的,
首先 NASA 的钱是雨露均沾,众干儿子都拿了,
其次,人才流动是正常现象,美国的太空公司有一大摞,进进出出是难免的。
SpaceX 的崛起离不开 NASA 扶持,这话不假,
但更多的原因是,资本敢于押宝,
而老马擅长让资本押宝。

这和当年爱迪生忽悠资本家押宝电灯颇有几分类似,
很多人不知道,爱迪生并不是第一个发明电灯的人,
他的工作是改良电灯使之商品化,
而在整个改良过程中,爱迪生最大的贡献,甚至可以说唯一的贡献,就是弄钱。

当然,资本家可不傻,
押宝的背后,是老马走了一条截然不同的航天路线。
本人以前评价 SpaceX 时说过这么一句话:
把航天如此专业的领域大众化娱乐化,
并消耗民间资本去押宝尚不成熟的技术,
究竟利弊几何,或许过个二十年会更明朗。
如果押宝成功,可以参考乔布斯,
如果最终无法盈利,可以参考咱们假老板。
显然,这是低估了老马,才过三年,已经足够我们再做一轮小结,至少他吹的牛不能再等闲视之了。

技术的边界
SpaceX 早期的玩法和苹果类似:
整合全世界的优秀技术,完成一项前所未有的壮举。
这涉及到另一个话题,如果不惜代价,目前的人类科技可以做到什么程度?

通常,这类问题是没啥意义的,
因为风险高、代价大的破事,
除了美苏争霸脑袋发热时会干,
平时资本是不会光顾的,无论是国家资本还是民营资本。
如果没钱,不管啥想法都只能凉拌,
所以,问题的关键是弄钱,
诶(ěi),老马就是有这本事。

弄钱是个商业话题,不在咱业务范围内,反正老马就是弄到钱了。
行了,既然有钱了,那就开始嚯嚯呗!
比如,历来要求精益求精的宇宙飞船,也许用厨房里的 304 不锈钢就能搞定,
老马说:这项目我投了,钱拿去,谁还有梦想?!
所以,SpaceX 公司有不少类似「用不锈钢造飞船」这种匪夷所思的项目,争议自然就难免了。
这事儿见仁见智,咱也不多嘴了,还是说说不锈钢吧。

其实,不锈钢是很好的东西:
耐高温,强度高,易加工,价格还不贵,就是有点重,
这对上天来说,确实是个大麻烦。
就因为太重,导致这么优秀的不锈钢很少用在航空航天领域。

不过,
也有例外。
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molyx2 | 来自辽宁
1,我不管它在世界上算不算先进,它对于现在的我来说是最先进的;
2,我不管它在世界上算不算先进,它对于现在的我来说需求很迫切;
3,我不管它在世界上算不算先进,我知道,我不跨出这落后的一步,永远也不能更先进;
4,我不管它在世界上算不算先进,我知道,世界最先进的,不可能提供给我。

总结:我们现在有能力做,如果不做,后人要骂我们。
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yxeenlz | 来自云南
造,肯定要造,即使造出来就落后了,这样的国之重器不能没有;不过这与承认设计理念落后并不矛盾。这是我的基本看法。
既然还是ppt火箭,那说不定还有改设计的余地。如果说设计定型了,各项技术攻关已经分配到各研究单位了,改不了了,那也只能接受这两个事实:1. 设计理念和管理模式落后于SpaceX这种快速迭代模式; 2. 货架产品性能落后于美国航天工业可以提供的同类产品。
中国的航天工业,不可能走日本那样小而精的路线,只能追求大而全,追求全面的能力。某些方面落后于俄日欧,综合能力强于俄日欧,整体落后于美国,这是完全可以预期、也完全可以接受的
因此,好不好是一回事,有没有是另一回事。比不过老美,也不是什么丢人的事嘛。反而是,不能做到实事求是,这才是更危险的。局座说过(好像说过):什么叫先进?落后美国30年就叫先进
<hr/>题外话,针对某些言必称“氢氧机”的人,火箭发动机只有最合适的,没有最好的。认为氢氧机天然地、无条件地优于其他类型的发动机,这是完全错误的。
氢氧机推力大,比冲长,但是技术和结构复杂,冗余重量大,制造和使用成本高。此外,Raptor和BE-4不约而同地选择了,氧甲烷组合,某种意义上,氢氧机本身,似乎已经没有那么大的吸引力了。


(配图来自Everyday astronaut,我超喜欢Tim Dodd这家伙)
RS-25,最优秀的氢氧机,研发至今仅有一次意外shut down,接近100%成功率(指引擎本身的可靠性,航天飞机事故是隔热瓦的锅,跟引擎无关),送过航天飞机,还要送SLS,说它是迄今为止最具代表性、最先进、最可靠的氢氧机,没有问题。
但是,我们仔细观察图中的参数就会发现,氢氧机除了因为燃料组合导致的高比冲,在其他方面并没有显著的优势。论推力,在上图排倒数第二;论推重比,排倒数第一,甚至不如当年的F-1(土星五号下面级)。而充满了穷人气息的Merlin,经过长期改进,推重比竟然接近惊人的200:1;普遍认为改进潜力有限的Raptor,推重比也超过了100:1。
PS:某航天专门答主的答案下,还有杠精孜孜不倦地问土星五号nb在哪里,事实就是,土星五号的F-1发动机,大部分参数放到今天都是非常优秀的。
比冲是氢氧机最大的优势,但是我们可以发现,与Raptor对比,RS-25的海平面比冲并没有领先太多。RS-25最厉害的是真空比冲,超过了400s,这是极少化学发动机可以达到的,所以氢氧机作为上面级的用处很大,但是作为下面级,各项指标并不比其他竞争者好(甚至都不算突出)。我个人的理解,SLS能有堪比土星五号的运载能力,跟RS-25关系不大,跟它左右两个固推(solid rocket booster)关系更大。按照NASA的说法,2台booster提供了75%的推力,4台RS-25只提供25%的推力,总推力在3000t左右。
忘了说了,SLS不可复用,RS-25成本多少呢?4000万美元,是的,一台RS-25差不多相当于发射2/3次猎鹰9号,将来SLS发射一次绝对是天价。
另外,我们还需要考虑,更加可靠的火箭控制系统本身,也会对发动机的研发思路产生影响。一些人看完三体就会说“化学火箭么有未来”,虽然不爽,但也不能说他们有错。上面说到,F-1很多参数放到今天都是非常优秀的,某种意义上也可以说,基础的材料学、火箭发动机原理、化学燃料等,这半世纪以来真的没啥突破,举凡材料、结构、燃料组合,我们能想到的科学家都试过了,我们想不到的科学家也试过了。剩下的要不就是客观条件不够,要不就是经济性太差或者压根没戏。而现在,我们至少有一个重大进步,那就是微电子技术。大量成熟可靠的商用技术使得火箭的可靠性大幅上升,多发并联不再遥不可及,苏联的N1没有实现的东西,现代技术使之成为了现实。不仅如此,过去不可靠的根源,在现代技术的加持下,反而成为了冗余度的来源。3月18号的starlink任务,猎鹰9号在上升阶段有一台Merlin引擎熄火,但是最终仍然把载荷送上轨道(回收失败),说明猎鹰9号的多发并联不仅没有使系统不可靠程度上升,反而提供了更高的冗余度。那么,当我们有更好的办法保证系统可靠性时,“推力不够,数量来凑”就是很自然的想法了。而当多发并联被越来越多地使用,单发氢氧机在比冲方面的优势还有那么明显吗?对于无力使用昂贵氢氧机的商业航天公司而言,氢氧机就不是一个好的选项。
再从燃料组合的角度来说,液氧甲烷组合之所以过去没有引起重视,是因为一方面,有液氧液氢这种性能更高的组合,另一方面,还有液氧煤油这种成熟、引擎结构简单的组合(当然还有各种毒发)。液氧甲烷属于高不成低不就,很尴尬。但是如果进一步考虑载人探索火星的可能性,那么相对容易制备的甲烷显然比需要开采火星地下冰层再融化、然后耗费大量电力电解生成的氢气要优越得多。而另一方面,液氧甲烷几乎不产生积碳,性能与液氧液氢的差距并不太大。在新任务、新目标的背景下,综合评估,选择最合适的燃料组合才是最正确的做法。
上面这些,并不是说研制氢氧机没有意义。对于中国航天而言,研制氢氧机至少可以:促进中国航天各部门的平均技术水平,攻克很多科研难关,让中国快速拥有与SLS、starship同级别的大型火箭(相对于重新评估新的方案而言),等等。
(无责任口胡:航天集团内部并不是对BE-4,Raptor这些液氧甲烷引擎不感兴趣,只是,谁知道10年前液氧甲烷引擎还名不见经传,今天却突然变成航天新世代的潮流了?氢氧机研制到一半,不能就这么扔一边啊,某种意义上,这是沉没成本)
我只是想说,氢氧机不是无条件的最优选择,对于我们,既然走了这条路,那多半是无法掉头了,箭在弦上不得不发,结果也未必差,说不定也挺好;对于美国人而言,或许商业航天新形势下,氢氧机甚至可以说是一种坏选择。
重申一遍,火箭研发工程是当下技术水平和任务目标之间相互妥协、取得平衡的过程,反映到引擎研发上就是,只有最合适的引擎,没有最好的引擎。
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water743 | 未知
专业徽章受之有愧,这条回答中有些数据没有经过严格考证,不够严谨,希望各位予以理解,今后如果再次回答此类问题一定会更加注意。
以下为原文

我的观点是有必要,绝对有必要,赶紧造,搞快点。
我相信这样一点:我们国家的发展路线虽然可能有很多细节上的问题,但总体的方向是对的。
<hr/>一:我们为什么需要长征九号?
上世纪60年代,阿波罗计划执行时曾经有多个飞船方案被提出,其中有一个方案是使用运力较小的火箭分别发射服务舱、返回舱、登月舱,并在近地轨道组装完成。这一方案由于环节过多导致风险和成本增加而被否决,NASA的科学家认为一步到位的方案会更加安全和经济,从而设计出了传奇的土星五号火箭。
我们的目标是星辰大海。目前来看,航天发动机技术的突破遥遥无期,要使用目前的化学火箭实现月球、火星的载人往返则必须要有近地轨道百吨级别的运力。
另一方面来讲,中国作为一个大国,必须要拥有打破垄断的能力。或许我们做不到行业顶尖,但该有的东西必须要有。
是的,长征九号可以说是中国的土星五号,将来中国航天是需要这种火箭的。


图片来自百度百科

二:长征九号和其他火箭有何异同?
从目前能够找到的资料来看,长征九号是由助推器和三级的芯级构成的“三级半”结构,很显然是为深空探索设计的。


图片来自百度百科

火箭的终极目标是将载荷送入预定的轨道,针对不同类型载荷的火箭自然会有很大不同。根据作用的不同,载荷的轨道和质量也各不相同。对于重量相近的火箭,载荷的轨道高度直接影响分级的设计。
根据齐奥尔科夫斯基的火箭公式,一个火箭中推进剂(燃料)质量占总质量的比例越大,可以获得的速度增量(Delta-v)越多。随着燃料的消耗,这个比例逐渐降低,如果不能及时将多余的质量抛弃,就会将这些无用的质量随着载荷一起加速,造成浪费。理论上来说,最理想的火箭应该随时将任何多余的重量抛弃,但这是不现实的,因此火箭需要通过分级抛弃多余的重量。


2019年12月27日,长征五号运载火箭将8吨重的实践二十号卫星送入地球同步轨道。
2020年5月5日,长征五号B运载火箭将22吨重的新一代载人飞船试验船送入近地轨道。
这两次任务所使用的长征五号火箭的不同在于分级数量——前一个长五是“二级半”结构,即芯级分为两级(一子级、二子级),捆绑四个助推器;而后一个长五B则是“一级半”,芯级仅有一级,捆绑四个助推器。


图片来自百度百科

这是因为发射至高轨道所需要的速度增量更大,必须通过更多次分级将多余的重量抛弃才可以获得更多的速度增量。大家所喜闻乐见的土星五号火箭,为了满足登月任务所需要的巨量Δv,总的分级数量达到了六级之多(这里是指算上了阿波罗飞船)。而同样的土星五号火箭,在发射比阿波罗飞船更重、轨道更低的天空实验室时就仅仅使用了三个分级。
一般的情况下,轨道高度高的载荷需要的速度增量较大,因此需要较多的分级,而轨道高度低的载荷需要的分级较少。
两个芯级、两个助推器的重型猎鹰看似数据惊人,但这个结构并不能提供深空探索所需要的大量Δv,其定位是将大量沉重物体送入低轨的廉价手段,和长征九号对比有点不公平。
而那个神奇的BFR,两级火箭真的足够从地球起飞并登陆火星吗?考虑到从地球到火星的转移以及在火星表面降落所需要的巨量Δv,我表示怀疑。但目前的资料似乎显示BFR上级的starship要在入轨后加注燃料,那没事了。


图片来源:http://www.3snews.net/domestic/244000054722.html

顺便再提一下猎鹰9号,这种两级火箭和长五B一样适合低轨任务,基本上是没有能力将载荷直接运到高轨道的。除非载荷自带发动机和推进剂。
说回到长征九号,它是一个三级半的火箭,这样的设计有利于提高Δv,因此更适合将载荷发射到更高的轨道。这才是探索月球和火星所需要的。
既然提到了老马的猎鹰火箭,就不得不说火箭回收的事情了。
可回收的火箭固然是香,但是如果要兼顾回收的需要,会导致运力大打折扣。此外,火箭中靠上的分级(例如猎鹰9号的二级)是难以被回收的,因为分离时它的速度可能已经非常高,甚至已经进入了轨道,需要消耗大量燃料才能回收。
重型猎鹰适合用于低轨道任务。在回收芯一级和助推器的情况下,它并不能将太多的重量送到高轨。因为它的芯二级实在是太小了。有些吹捧重型猎鹰的人只看到它大推力、可回收的优点,但是缺乏相关的知识,不了解它的局限性。重型猎鹰的第二次发射任务中发射到地球同步轨道的阿拉伯星6A卫星重量仅有6吨,从侧面证明了这一观点。至于传说中LEO63.8t的数据,那个数据是没有考虑到回收的。
再说BFR,两级火箭能够提供的Δv本就不高,还要回收一级,我觉得不太行。
最后我们说回长征九号。从它的设计来看,回收助推器和芯一级是可行的,其余部分回收难度较大。
综合来看,我们也没有什么理由不研究长征九号。

三:我们能否造出更好的火箭?
综上所述,如果是为了进行月球和火星任务,在推进技术出现突破之前,长征九号这个类型的重型火箭仍然是合理的选择。
化学火箭的优势是推力大,而缺点在于喷出推进剂的速度(即比冲)过低。目前已经有了多种高比冲的推进方式的设想,有一部分已经得到了应用——例如电推进。但这些方案有一个共同的缺点,那就是推力不足,只适用于太空环境。


不要盲目乐观,化学火箭在可预见的未来中很久都不会被淘汰,甚至可能被使用到本世纪末。即使那些高效率的推进方式得以实现,我们可能仍然需要使用化学火箭从地面起飞。
在没有更先进的推进手段的情况下,长征九号这种化学火箭是不会落后的。
中国航天需要长征九号。

最后,尽管我们的目标是星辰大海,在仰望星空的同时也不要忘记了脚踏实地。我们很高兴看到中国航天科研人员们为我们创造出一个又一个的成就,而祖国的发展需要各行各业的人们共同努力。
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