睡前消息435文稿:用上限追赶美国下限,中国航天差多远

大家好,2022年5月22日星期日,欢迎收看第435期睡前消息,请静静介绍话题。

上个月,美国两款重型火箭都在测试过程中出现了故障延迟。

4月14日,SLS火箭在发射演练阶段第三次因为问题暂停,燃料加注测试过程中液氢泄露。现在SLS火箭被送回总装大楼检查。原定6月的首次发射很可能推迟。

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https://finance.sina.com.cn/tech/2022-04-18/doc-imcwipii4969027.shtml

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https://blogs.nasa.gov/artemis/?msclkid=e7617ce8c01811ecb6025e4ebd6a3b4f

https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-10731649/NASAs-Artemis-mission-moon-faces-delays.html

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4月25日,SLS被移出发射台

美国另一款正在开发的重型火箭项目,是马斯克的星舰。从2018年底开始,马斯克就批量生产用来测试的飞船与助推器。按照之前的进度,很多人推测,24号飞船与7号助推器可能会组合起来,在今年上半年星舰首次发射。

4月中旬,7号助推器进行了低温加压测试,很快互联网上出现了7号助推器损坏的内部照片,原定于5月进行的发射基本不可能举行了。

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https://spaceexplored.com/2022/04/22/leaked-image-shows-damage-inside-spacexs-starship-booster-7-prototype/

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星舰7号助推器内部损坏照片

美国两款重型火箭同时遇到了故障,是不是说明美国航天发展整体出了问题?

航天话题请高流同学远程来回答,我先休息了。

讨论这个问题,首先需要理解SLS火箭和马斯克星舰火箭的技术定位。

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SLS火箭,是美国在挖掘冷战遗产做技术汇总,在重型火箭领域提供可靠的保底技术方案。

马斯克星舰,是美国在探索21世纪新技术的应用可能性,在重型火箭领域寻求突破式的新方案。

通俗地说,两种火箭,一个保下限,一个破上限,都有复杂的系统集成问题,同时遇到故障,是大概率事件。但这种预料中的故障,基本不影响美国航天继续扩大领先优势。我们反而应该学习美国航天展现的发展战略。

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先说SLS火箭,虽然它最近三次测试都发现了故障,但都不是致命技术问题。4月1号到3号的第一次测试,发射塔底部的正压风扇坏了,发射塔内部无法维持正压,操作不够安全,所以取消了燃料加注,一晚上就解决了故障。

4月4号SLS火箭第二次测试,完成了50%的液氧加注任务,但加注液氢的时候,发射塔泄压阀出了问题,由于到了轮班时间,加注演练取消;

12号到14号进行第三次演练,结果在加注液氢的时候,发射塔脐带又出现泄露,所以再次中止测试。

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这三次故障都不是火箭的问题,而是发射塔地勤保障问题。总体来看,问题都不严重,如果美国政府强行要求立刻准备发射,这些问题都在安全冗余范围内,推迟演练只能说明项目不着急。从最新的消息来看,发射塔维护工作已经基本结束,很快就会再次把SLS火箭转运到发射塔。

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https://blogs.nasa.gov/artemis/page/3/?msclkid=e7617ce8c01811ecb6025e4ebd6a3b4f

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https://blogs.nasa.gov/artemis/?msclkid=e7617ce8c01811ecb6025e4ebd6a3b4f

SLS的项目管理原则,是按部就班推进,确保万无一失,不断抬高项目下限,所以小问题会得到额外重视。而马斯克的星舰正好相反,制订夸张的性价比指标,不断做激进测试,挑战现有技术上限,快速开发新型号,这必然会天天遇到新问题。马斯克做的很多发射测试,本身就是破坏性的。就算接下来星舰首次发射就出现爆炸事故,也在预期范围内,而SLS火箭几乎不能接受失败结果。

现在严格管控的SLS火箭已经走到发射演练最后几步,我估计这些琐碎的问题很快就可以解决,年内会完成首次发射,而且大概率会成功。 

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SLS发射演练任务清单

https://www.nasa.gov/content/artemis-i-launch-countdown-101

我们的节目之前评价俄罗斯制造导弹和轰炸机,往往用“科技考古”来形容重建过去的老型号。现在美国造SLS火箭,是“科技考古”吗?

有一定相似之处,但是美国的冷战遗产比苏联要多好几倍,而且SLS火箭也不是像俄罗斯那样,复制冷战型号的山寨版,而是通过系统集成,开发全新型号。

冷战时期,工业基础相对落后的苏联,通过政治动员和资源整合,抢先完成首次卫星发射、首次载人航天,给欧美全社会都制造了文化冲击,被美国人称为“斯普特尼克时刻”。

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由于苏联的刺激,美国成立统筹全国航天资源的NASA,在接下来的登月与航天飞机发展目标上,反过来压倒了苏联。但当时的美国登月计划纯粹是苏联刺激出来的,并没有想好自己要从中得到什么效益,所以重复几次之后就暂停了。航天飞机计划倒是有比较明确的目标,想开发廉价可重复的大载荷轨道运输方案,结果维护费用超支,也放弃了。

在马斯克出现之前,美国航天工业的确有一段松懈期,大量冷战技术和基础设施被封存,一度几乎失去了载人发射能力,宇航员想去空间站要靠俄罗斯飞船。

但是,这种松懈,并不是苏联解体那种破坏性的退化。中国互联网上有个神话,说美国人已经造不出登月用的土星五号火箭了,连图纸都丢了。实际上,所有蓝图都被美国人做成微缩胶卷保存,火箭开发和建造过程也有详细记录。真想再造一遍是可以做到的。

只是用来造土星五号的大量基础设施与设备都已经不是当年的状态了,有的被存放到博物馆,有的改造后重新利用,必须花很大代价才能重建。而且这些落后设备需要对应的技术人员操作,必须翻出档案重新学习旧技术,以重新发明轮子的态度去搞研发。

现在美国的人工成本很高,当然不会去完全重建冷战装备,而是选择利用当时开发的分项成熟技术,搭建一个新型号。这样既可以降低风险,又可以压缩成本,减少开发时间,同时也能给传统航天企业提供一些订单。

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https://newatlas.com/saturn-v-birth-moon-rocket/54867/

现在的SLS火箭在技术上同时继承了土星五号、航天飞机,与战神五号计划的成果。就连SLS这个名字,都是从航天飞机的STS改过来的。SLS的芯级发动机,直接动用了航天飞机库存的18台RS-25,这里面除了2台用于改造研发之外,其他16台当初的可复用发动机,都被当成一次性的发射耗材。预计4次发射用光库存之后,再使用降级版的RS-25D一次性发动机。

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SLS芯级结构主体材料,用的是冷战时期就成熟的2219号铝合金;两个五段式固体助推器,直接继承了航天飞机四段式助推器的大量硬件和设计——前裙、尾裙、金属外壳与矢量推进系统都是过去开发好的。SLS首次发射采用的低温上面级,是德尔塔4火箭的低温子二级改造的,发射测试之后再改用新款。此外,SLS静力试验用了土星5号的设施,发动机试验也是在斯坦尼斯中心原有设施基础上进行。

我们可以认为,SLS火箭是用21世纪技术做系统集成的一次性航天飞机。以不太大的幅度超越了地球上所有国家,但同时用成熟技术确保了成功率。

SLS火箭追求成功率,保住下限。马斯克的星舰要挑战技术上限,预计要推出哪些科幻功能呢?

星舰在底层技术上就要超越冷战时代,几乎每一个技术节点都充满了挑战,项目最初的几年,整体方案反复大幅度修改,最后选择用焊接的304不锈钢作为火箭主体。这在传统航天部门看来完全不靠谱,但是马斯克通过反复的破坏性试验来反馈工艺,硬是把不靠谱的技术路线走成了现实。

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https://www.humanmars.net/p/starship.html

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https://www.reddit.com/r/SpaceXLounge/comments/u8cc2y/starbase_production_diagram_20th_april_2022/

不锈钢焊火箭这种看似粗暴的技术解决方案,在星舰的技术开发中,是一种常态。比如说,星舰返回过程中,要二次点火着陆,这时候液氧箱已经半空,会产生大量气泡影响发动机燃烧,甚至造成机械损伤。Space X公司并没有在液氧箱内部搞复杂结构,而是到星舰顶部增加了一个高位液氧罐,专门在返回阶段给发动机供氧,同时兼顾配重。又比如,飞行器再入阶段往往会遇到等离子体黑障,导致地面测控无法覆盖火箭降落的全程。为了保障数据链,猎鹰9与星舰上安装了多个相控阵遥测天线,利用星链卫星做到全程测控覆盖。

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https://www.teslarati.com/spacex-starship-super-heavy-upgrades-changes-2022/

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https://www.teslarati.com/spacex-starship-plasma-blackout-starlink-test/

除了这些简单粗暴开脑洞的技术方案,星舰还有很多冷战期间开脑洞也组合不出来的高精尖技术。比如说,火箭最核心的部件是发动机,而发动机的核心部件是涡轮泵。当初开发猎鹰火箭的默林发动机时,还是靠NASA提供技术支持,直接用阿波罗登月舱下降发动机的针式喷油器,以及X-34飞行器上的Frastrac发动机涡轮泵,提供涡轮泵技术支持的供应商也是同一家,巴伯-尼科尔斯(Barber-Nichols)公司。

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X-34

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https://www.barber-nichols.com/products/rocket-engine-turbopumps/

但发动机型号开发到默林1C的时候,Space X已经自己消化了涡轮泵技术,后续产品都是自己研发,还用再生喷嘴替代了原来的碳纤维烧蚀喷嘴。到了默林1D发动机,涡轮泵总质量不变,输出功率是默林1A的4倍。这意味着开式循环的液氧煤油发动机,在保持低积碳优势的前提下,比冲已经接近闭式循环水平。

造涡轮泵需要铬镍铁合金,默林发动机用的还是传统的718号合金,但到了星舰的猛禽发动机,这些成熟的材料满足不了需求。因为猛禽发动机考虑到长期维护,以及深空任务的燃料中继,选择了液氧甲烷燃料组合。液氧甲烷组合燃料可以减少发动机积碳,未来执行火星任务的时候,还可以在火星上利用萨巴捷反应合成甲烷,提供二次发射的燃料。

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https://zh.m.wikipedia.org/wiki/%E8%96%A9%E5%B7%B4%E6%8D%B7%E5%8F%8D%E6%87%89

甲烷燃料密度比煤油低,要想达到同等水平的比冲,必须靠超高内部压力提高性能,传统合金在这种高温高压环境下会烧熔、碎裂。Space X公司专门为此开发出了超强的SX300与SX500单晶镍合金。现在猛禽发动机的涡轮泵最高压力达到800个大气压,作为对比,国内长征五号火箭用的YF-100只有500个大气压;猛禽燃烧室300个大气压,YF-100只有180个大气压。

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https://www.nextbigfuture.com/2019/02/spacex-casting-raptor-engine-parts-from-supersteel-alloys.html

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https://twitter.com/i/status/1096722006450462721

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SpaceX用超强合金铸造猛禽发动机部件

https://www.nextbigfuture.com/2019/02/spacex-casting-raptor-engine-parts-from-supersteel-alloys.html

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https://spaceflight101.com/spx/spacex-raptor/

http://zhuanti.spacechina.com/n1489207/n1489341/n1489366/c1503021/content.html

猛禽发动机选用的构型,是效率最高、技术难度最大的全流量分级燃烧循环(FFSCC),为此也要克服最多的技术难题。之前世界上相同构型的发动机只有两款,一款是苏联的最强毒发RD-270,刚测试成功就因美国抢先完成登月而放弃;另一款是美国在2006年开发出来的集成动力验证器,听名字就知道只是个技术验证平台。可以说,使用猛禽发动机的星舰,是唯一准备实用的全流量分级燃烧循环发动机火箭。

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https://36kr.com/p/1723941158913

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苏联RD-270发动机与UR-700火箭计划

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集成动力验证器

采用了最激进的技术方案之后,Space X还对已经验证过的方案做了一系列大胆优化。比如,氧涡轮泵布置在推力室上方,与推力室同轴,涡轮出口就是推力室的入口;氧预燃室做成环形,集成到涡轮泵内部,同时直接利用供氧来冷却轴承和预燃室;用推进剂升温换热蒸发,给贮箱增压,集成到高温组件内部;用火炬式点火器替代传统化学点火。超复杂的发动机进一步被压缩,现在猛禽2号的海平面推重比达到了200,相当于一个成年人举起一辆汽车,刷新了Space X自己在默林1D创下的世界纪录。

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《星舰动力特点及再入过程推进剂流动仿真研究 》;2021

《梅林和猛禽液体火箭发动机技术研究与启示》;2020

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猛禽1号与猛禽2号

https://www.nasaspaceflight.com/2022/02/starships-self-sustaining-city-mars/

优化之后的发动机紧凑结构,必然导致管线和零部件扭曲,用传统工艺加工,保证不了强度。所以Space X采用了大量先进加工技术,使用激光烧结3D打印生产零部件,连燃烧室都是打印出来的。这在传统航天领域,属于制造额外风险的技术大跃进。

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https://electrek.co/2015/07/22/elon-musks-recent-ludicrous-announcement-hints-at-more-synergy-between-tesla-and-spacex/

所以,SLS因为技术故障推迟发射是追求技术稳妥性。而星舰遇到技术问题,完全是跨越式发展的结果。只要解决了这些技术问题,哪怕是在爆炸中解决技术问题,美国也会因此拥有20世纪人类想象不了的航天发射能力。

中国现在综合国力等级开始接近美国了,如果也希望拥有类似的航天技术,应该在哪些方面学习美国呢?

20世纪,各国航天工业都要靠行政拨款才维持运转,项目必然带有强烈的计划特征。现在美国政府想要抢救冷战遗产,开发SLS火箭,必然是一个妥协项目,既要对技术方案妥协,也要对现有的航天单位利益做妥协。

计划经济的运行方式是做任务分解,各个协作单位都要优先保障自己分配到的任务。既然上级定好了方案,就算某些技术节点在接下来可以进一步提升指标,也不能因此去给其它单位找麻烦,最多是在自己的系统框架内做有限优化,没法反过来推动整个项目方案升级,不会提高整体的效益,所以主动创新没好处,反而可能会给自己找不痛快。

而且一个型号走完开发周期后,设计指标很可能会永久冻结,很多人一辈子就干这一个型号,在技术上陷入了舒适区。当大多数协作单位都开始享受稳定的采购订单和利润之后,行业利益集团就会形成求稳的共识,各分包单位也懒得搞技术改进验证,从而阻碍产品迭代升级。最后关键技术的更新换代,往往都要等到上级忍无可忍,发布新型号任务。

因此,哪怕美国把冷战技术晾了20年,用新方案来组合SLS火箭,还是会遇到冷战时期的问题。立项决策优先考虑的不是性能指标,而是某些群体的利益最大化。

前面提到,SLS首次发射采用的过渡型上面级,是直接从德尔塔4改过来的,负责改造的单位就是老企业波音。他们找NASA要了1.75亿美元,改造内容仅仅是增加液氢贮箱长度,增加姿态控制氦气瓶,以及调整航电系统设计。

而SLS火箭未来的新型上面级,找了有锐气的企业航空喷气-洛克达开发,尺寸从13.7m增加到18.3m,推进剂加注量从27吨提高到129吨,采用新发动机,一共也才花了1.74亿美元,比波音还便宜。

所以,航天工业想要不断进步,就必须有竞争,有淘汰,不断有新企业和新团队进来,让形成惰性的团队有失业压力。NASA扶持马斯克,就是用新团队给美国航天工业整风。

苏联没有这样的市场手段,每次在航天竞赛中遇到重大挑战,往往就只能靠行政施压,逼迫各单位大干快上,最后在混乱和妥协中制造重大事故,直到快解体还是这样。80年代,苏联为了迎接里根星球大战的挑战,快马加鞭冒险开发80吨重的大型轨道激光武器卫星(Skif-DM),最后因为一个程序上的失误,卫星发动机突然点火,刚入轨就坠毁了。

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我们经常说Space X是商业航天企业,这话不完全准确,从美国的整个航天行业来看,Space X的运行模式算是计划框架内的有限市场。只不过美国太有钱,切出来的这个有限市场太大,大到超过其它国家航天产业规模,再加上之前积累的分项技术太多,所以Space X在商业上显得特别成功。

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《SpaceX 公司组织结构及业务运营浅析》;2021

说这些倒不是鼓吹航天工业全面市场化,市场也只是个制度工具,有具体的适用边界。如果我们要学习美国,一方面要学习残酷的淘汰制,准备解散一批企业团队。另一方面,我们要把节约下来的政府资源用到合适的地方。因为航天工业的体系建设的确有大量看不见短期回报的沉没成本,美国人可以用金融市场的预期来填成本,我们暂时还得用更多的政府投入计划去补缺口。

接下来几年,美国两种重型火箭会同台竞技,继续对其他国家保持压倒性优势。我们只有承认差距,才能准确地给自己挑毛病。

美国这两种重型火箭,哪一个影响更大呢?

肯定是马斯克的星舰。SLS火箭是传统技术整合,再强大,也是其他国家可以追赶的。当年英国人开发出无畏战列舰,虽然性能上压倒全世界,但各个强国立刻仿造,反而在数量上削弱了英国的海军优势。如果美国只有SLS火箭,中国反而没什么可担心的。

但是星舰项目,是一个能赚钱,能自己扩张的项目。和我们熟悉的工程类比,更像台积电造芯片。一旦在技术上打通整个产业链,星舰将会拥有廉价服务费优势,同时建立极高的工程技术门槛,抢走全世界大多数航天市场,后来的竞争者很难找到一个相对优势领域作为追赶入口。

马斯克之前的航天领域,特点是发射成本高,电子集成度低,所以载荷越大,携带燃料越多,航天器的功能越强、寿命越长,平摊到每一年的使用成本就越低。所以当时各国都争夺高轨道和低频段资源。

最近十几年,电子设备集成度上升,锂电和光伏出现产业升级,相同功能的卫星可以做得很小、很便宜。马斯克敏锐地发现了这个新变化,开发了廉价火箭,所以能发射成千上万的低轨小卫星,还制造经济效益。在轨道资源方面,马斯克并没有和传统的航天企业抢资源,而是直接把过去的贫瘠轨道开发成新沃土。

本来这片土地谁都可以占,但是马斯克的发射能力太强,其他国家根本追不上,也用不起,所以才给他机会抢占最优质的低轨轨道。最近的乌克兰战争证明,星链低轨星座,可以在战场上形成全面信息压制。

下一步,马斯克的廉价重型火箭马上要上天了,大幅度降低向月球乃至火星运输设备的成本。美国企业可能会因此抢占一些外星球最稀缺的开发资源。比如说月球表面有800万吨水冰,先拿到的国家,可以进一步降低自己的月球基地维持成本,后来的国家就算在20年后照抄了廉价火箭,开发月球的成本也要高出几倍。 

所以,中国必须严肃规划自己的航天体制,不能总是对着马斯克或者美国搞道德批判。苏联和美国当年搞航天竞赛,都是用实力做批判的。

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https://www.visualcapitalist.com/the-cost-of-space-flight/

这两年中国也在开发重型火箭,比如载人火箭921,还有长征九号。目前进展怎么样?

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进展不快,不仅不如马斯克这样的新型团队,而且明显落后于美国重建冷战技术的保底团队。换句话说,我们现有航天团队的计划上限,低于美国未来十年的技术下限。

美国的重返月球计划,的确被冷战老团队拖后腿了,但从最近几个故障的等级看,也到了最后收尾阶段。预计SLS火箭将在2025年后执行首次载人登月任务。

中国的类似项目,原来是要等长征九号火箭技术成熟,按美国60年代阿波罗计划方案执行。考虑到美国最新的竞争压力,中国登月火箭改版成了长五并联登月版的“921”火箭(CZ-5DY),准备2028年首飞,2030年登月。新的应急方案开始参考马斯克的猎鹰重型方案。如果没有马斯克的成功案例在先,这种方案多半会因为技术冒险,被内部否定。

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长征九号旧版方案

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长征五号登月火箭方案

http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/202203/dd7fa12051c7464fa2e6b5fce2f38cd1.shtml

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https://spacenews.com/china-to-develop-two-super-heavy-launchers-for-moon-missions/

项目规划之后,落实技术方案又是另一回事。长征九号说了很多年,到现在也没正式立项,长五登月火箭也只是航天科技集团内部的开发计划。从一些公开消息看,过去我们在长征九号旧版方案上,已经取得一些分项成绩,比如,480吨液氧煤油发动机、220吨氢氧发动机,都完成了半系统试车与整机装配,500吨级固体发动机试车,10m级大直径箭体的设计、生产技术都有进展。

但从最近的报告会来看,长征九号又改成了星舰方案,一级火箭准备用26台200吨推力的液氧甲烷发动机。临时换赛道,意味着之前的成果又要归零。

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https://www.sohu.com/a/454240356_116237

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http://www.xinhuanet.com/mil/2021-07/29/c_1211265065.htm

http://www.spacechina.com/n25/n2014789/n2014804/c3333534/content.html

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http://www.stdaily.com/cehua/Oct20th/2021-10/20/content_1227046.shtml

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对于中国来说,重型火箭可预期的经济和军事回报不明朗,难以说服上级领导,至少比马斯克说服金融部门要难,所以立项必须反复权衡目标,避免出现失败之后,多年拿不到后续资金。

旧版的长征九号方案看上去最稳妥,技术条件也最充分,但很可能跟不上未来的市场形势,所以才又根据马斯克的方案做了修改。可是我们只仿效了马斯克的方案,没有学习美国航天工业的体制优势。

星舰这种激进方案不确定性因素太多,工程迭代次数也会非常多。在计划体系下,很难大幅压缩单次迭代周期,至少几十轮大规模迭代在经费申报上就是个问题。如果在计划指令体系下搞平行开发,那只是靠订单和行政压力来模拟市场,最后事倍功半。苏联经验证明,行政压力或许可以解决有无问题,却没法跟进商品迭代,最终项目还是要烂尾。

所以,中国修改后的重型火箭方案也不太适合中国体制。与其两个方案合一,搞妥协版的火箭,倒不如学习美国,直接两条腿走路。老单位做老方案,保住航天能力的下限;激进的方案扔给市场,靠竞争性团队来开发。

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目前国内的民营航天企业还很弱小,在液氧甲烷发动机方面走得最远的,是民营企业蓝箭航天。蓝箭现在定型的发动机天鹊12,推力只有80吨,为了降低技术难度,用的还是开式循环,应该是为开发迷你版星舰做准备。国内的民营航天起码还需要十年以上的孵化周期,才有能力开发重型火箭,来不及应付美国这一轮挑战了。

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https://spacenews.com/starship-lookalike-among-chinas-new-human-spaceflight-concepts/

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https://web.archive.org/web/20210226032903/http://landspace.com/engine/show.php?id=127

美国是冷战的胜利者,是世界上唯一的超级大国。航天又是美国的优势领域,认输一次也没什么丢脸的。但是我们必须明白自己输在什么地方,把美国的体制优势学过来,然后才可能考虑下一轮竞争赶上去。

在政府作用方面,应该充分发挥政府的统筹作用,搞举国体制,就彻底搞举国体制,建一个中国版的NASA,停止计划经济下的“九龙治水”。

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http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/2020-11/09/content_1041962.shtml

另外,火箭的测试、运输,无论是国有单位来做,还是民营单位来做,都对技术设施有硬性要求。成昆铁路设计的时候,就要考虑西昌发射基地运输火箭的需求,调整弯道和隧道的几何尺寸。美国当年开发土星五号时,对交通设施做过全面规划,现在的SLS火箭各部段转运,都在在沿用当年的公路、运河路线,Space X公司的火箭开发,也靠冷战设施大幅压低了成本。所以中国就算开发一遍保守版的航天器方案,从整个行业基础设施的规划建设角度来说,也是非常大的进步。

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在这两个任务之外,政府应该充分对市场开放航天产业,不要让每个单位都能用自己的安全理由占用天空,不要让具体的服务机构只给对口企业做测试,不要企图去具体指导企业的开发逻辑,更不要把每一次成功都夸耀成民族之光,当然也就不会在失败的时候打击整个行业的热情。

尊重技术规律,建立相应的利益激励体制,我们才可能拥有突破上限的航天企业,在下一轮航天竞争追赶美国。

435期睡前消息到此结束,文字内容随后会发在睡前消息编辑部公众号。欢迎各位帮我们转发。我们周二再见!

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