航天發射實力競賽

DOI:10.19486/j.cnki.11-1936/tj.2017.24.007

隨著中國航天發射的頻率越來越高，以及以美國SpaceX公司為代表的私人公司爭奪航天發射市場，現在比較火箭發射次數也逐漸成為網上一個頗受關注的事情，在很多人看來，各國火箭發射數量的對比就好像看一場比賽，中、美、俄三國的航天發射數量交替上升代表了它們航天領域實力的對比，因而極具觀賞性和代表性。

但這里要說的是，火箭發射次數不是說一點意義沒有，這個指標在一定程度上還是可以反映出各國在航天領域的某些態勢，比如航天活動的活躍度，進而也就部分反應了航天工業的能力和軍事及民用航天的需求。但是這個意義也不能太夸大，只有進行較為深入的分析，并將部分因素綜合考慮進來后，我們才能利用航天發射次數大致評估世界航天競爭的態勢。

軌道和質量很重要

首先我們要注意的一個因素是，火箭發射的目的是將一定載荷送入地球軌道或者深空，讓這些載荷為人類服務。因此火箭的“枚”數并不一定就決定入軌載荷的參數。大家第一時間可能會想到一個參數：質量。衛星的能力和其重量是直接相關的，誰也不會希望自己的衛星更大更重，都是在加能力保壽命等情況下才不得已斤斤計較地增加重量。因此在不考慮技術水平差異的情況下，同類型的衛星總是越重的能力就更強一些。那么，很顯然火箭發射次數只是一方面，火箭發射的衛星重量甚至更關鍵，像印度的PLSV火箭進行發射，其低軌道運載能力只有3噸左右，這只相當于中國較早型號的“長征”2火箭水平，和俄羅斯6~8噸近地軌道發射能力的“聯盟”火箭相比差距很大，我們現在所熟知的美國SpaceX公司的“獵鷹”9火箭的近地軌道運載能力也已經從1.0款的10.45噸，1.1款的13.15噸，加到了最新FT款的22.8噸，而中國正在研制并發射的“長征”5火箭運載能力更是達到了25噸，顯然這些大型火箭和那些中小型火箭可以拉開數量級的差距，但是兩款不同運力的火箭在發射次數上卻是絕對平等的。

除了質量，還有一個就是軌道參數問題。我們看火箭發射報道時經常會見到低地球軌道（LEO）、地球同步轉移軌道（GTO）、地球同步軌道（GEO）等，這些軌道相互之間差別很大。低地球軌道距地表200多千米，而地球同步轉移軌道則是一個近地點距地表1?000千米以內，遠地點距離地面36?000千米的橢圓形軌道，很多火箭的發射能力都標的是地球同步轉移軌道，也就是說將衛星送到這個橢圓軌道后，需要衛星以自帶的燃料進行變軌機動，最終切入36?000千米高的圓形的地球同步軌道。顯然地球同步轉移軌道的發射能力其實并不是真正的“入軌”載荷能力，因為衛星要消耗掉自身的大量燃料，減輕重量才能達到最后的目標軌道。但是很多火箭的性能一欄只能寫地球同步轉移軌道，因為將衛星直接送到地球同步軌道的能力并不是每一款火箭都具備的，同時也不是一般客戶需要的，一般的民用運營商不會過于追求自己通信衛星的入軌時間，這一切基本都是提前計劃好的。但軍方用戶不同，其很多大型精密和保密的衛星對入軌的速度、穩定性和重量都有嚴格要求，這時就需要那些有金剛鉆的火箭來攬這個瓷器活了。比如美國的“德爾塔”4重型火箭，一方面其使用了三個通用芯級且裝的是強悍的RS-68液氫液氧發動機，另一方面其具有多次點火能力，因此可以將美國軍方絕密的重型間諜衛星直接送到地球同步軌道，且地球同步軌道入軌質量可以達到6.75噸，這是十分強悍的能力，要知道如果這款火箭將載荷送到地球同步轉移軌道，其運載能力可以達到14噸，至于更低的低地球軌道，其運載能力極限可達28噸。

當然，除了上述這些軌道外，還有像太陽同步軌道（SSO）、發射入月球軌道和發射入火星軌道等。一款火箭往往會在上述這些發射要求下有所側重，比如中國當年研發的“長征”2E側重于低地球軌道，而“長征”3號乙則主攻地球同步轉移軌道。軌道的不同和衛星的能力之間有著緊密的關系，比如照相偵察衛星需要軌道能低一些，這個很好理解，軌道越低則可以看的更清楚一些。當然也不能太低，軌道越低就越接近大氣層上緣，阻力會越大，軌道喪失高度會越快。通信衛星和預警衛星則首選地球同步軌道，當然需要兼顧北極地區的話會選擇大橢圓軌道，此外一些電子偵察衛星等也會選擇這么高的軌道。

載荷的性能很關鍵

大約從1966年開始，蘇聯的航天發射次數就開始快速超過美國，甚至達到美國很多倍。在冷戰時期，有很多年蘇聯甚至保持每年上百次的火箭發射，而目的則是部署各種軍事衛星，但不難發現，在保持同時在軌的軍事衛星數量上，蘇聯卻從來沒有什么優勢。這又是為什么呢，蘇聯往天上射的火箭都鉆黑洞了嗎？原因是蘇聯的衛星往往壽命極短，比如1985年蘇聯就發射了33顆照相偵察衛星，但這些偵察衛星的壽命只有幾周，也就是說，只要這種發射活動停止一個月，地球軌道上就基本沒有蘇聯的照相偵察衛星了。蘇聯人自然只能是一枚接一枚地往天上發射。相比之下，冷戰時美國一般發射的是類似“鎖眼”這樣的攜帶大量燃料，可以在軌工作幾年乃至十幾年的重型間諜衛星，那么當一國在一年內發射一顆衛星在軌工作10年，和另一國每年發20顆壽命3星期的衛星連續射10年，在實際使用效果上其實并無大的差別。當然，冷戰時期的例子稍顯極端，但基本的邏輯是不難理解的，而且當代還有另一個側面的極端例子，那就是納米衛星，印度現在一箭幾十顆衛星的事情也干了不止一次，自然不會有人覺得印度在世界衛星領域獨占鰲頭了，那種大學生手工也可以做出的“土豆衛星”，在能力上是無法替代真正的大型衛星的。

因此如果誰想通過航天發射任務來評估各國航天活動的情況，與其只是簡單地數一數火箭發射了多少枚，不妨多從其他角度來做評估。

首先注意一下這些發射僅僅是國際商業發射還是本國的載荷發射。一次火箭發射收費幾千萬到一億美元很普遍，而一顆衛星則動輒幾億美元。因此哪怕從產值角度看，一次發射任務中的載荷是誰造的，比這枚發射它的火箭是誰造的其實更重要。中國用“長征”3火箭發射一枚本國研制的遙感衛星的意義，顯然遠超歐洲阿里亞娜公司用“阿里亞娜”5火箭發射一顆國際運營商從美國采購的通訊衛星。

其次看看是哪款火箭。如果以俄羅斯“聯盟”火箭作為一個參照，更重型火箭如“德爾塔”4、“質子”、“長征”5、“阿里亞娜”5等的發射費用本身就會比較昂貴，而其搭載的載荷要么在軍事上，要么在民用應用或者科學研究上有重要價值，這種重型火箭發射的數量是實打實航天實力的體現，它們的發射次數顯然需要乘上一個大于1的加權指數。而那些低地球軌道運送能力只有2~3噸或者更小的火箭，比如印度的PLSV、美國的“米諾淘”、中國的“長征”2甲乙丙等型號，顯然需要乘以小于1的系數。當然，這里只是一個大致的粗略評估，并不是要把問題絕對化。

那么最后要注意的就是被發射載荷本身的技術水平和價值了。我們所熟知的“卡西尼”號土星探測器計劃花費30多億美元，重達6.4噸，要被送往十幾億千米外的土星，所以就要依賴當時最強力的火箭之一“大力神”4號發射，而“好奇”號火星探測器計劃的花費則達到25億美元，用的“宇宙神”5火箭發射，并且采用了4臺固體助推器的541大推力構型來發射。至于美國軍方的衛星，像大型偵察衛星、預警衛星等都是凝聚了巨額的投資和尖端技術，一般也都是幾億到十幾億美元的價格。

事實上每年美國官方的發射數量并不算多，單看國際空間站建成而航天飛機退役后的這個時期，主要有這么幾大類，就民用而言，首先是為國際空間站提供補給的貨運飛船，這個任務是由美國SpaceX公司的“龍”飛船和“天鵝座”飛船負責，至于載人運送任務暫時是由俄羅斯的“聯盟”飛船負責。其次是NASA的深空探測器，如2006年發射的“地平線”號冥王星探測器，還有就是各種民用通信衛星、氣象衛星、科學研究衛星等。而軍方及情報機構的載荷主要有預警衛星、光學偵察衛星、電子偵察衛星、GPS導航衛星、軍事通信衛星等。

關于發射成功率

中國人都為我國火箭發射的成功率而自豪，中國航天人在這一點上做的確實不錯。但值得注意的是，經過半個多世紀的摸索實踐，現在各主要航天技術競爭者的主要運載火箭的航天發射成功率基本上都很不錯。

我們先來簡單盤點一下，首先美國的主力運載火箭ULA的“宇宙神”和“德爾塔”系列可靠性就相當高，連續成功發射超百次，可靠性那是杠杠的，有著近乎百分百的成功率。這當然也是美國軍方等部門強力需求下的成績，畢竟他們的那些衛星動輒十幾億乃至幾十億美元，隨便炸一次也是吃不消的。至于新崛起的后起之秀SpaceX的成績也不差，迄今為止在40多次發射中，除了一次空中爆炸，一次算是大部分成功，小部分失敗（損失了一個次要載荷，而主要載荷“龍”飛船和國際空間站成功對接）外，其它都成功了，這個成功率也超過96%，即使把地面測試而并非發射時爆炸的那枚算上，其成功率也有接近94%，并不低。

接著說說日本火箭。一直以來都有日本火箭技術不錯但可靠性很差的傳言，事實上日本自從1999年開始，到現在快20年的時間里，其H-2A、H-2B火箭連續發射30多次，只失敗過一次，成功率約97%，著實是不低的。有些人也許執著于回憶20年前H-2火箭爆炸的那兩次，并打算靠它繼續高興幾十年，但如果真要探討技術問題本身，老黃歷確確實實要丟掉了，正視對手才是真正的自信。

相比之下俄羅斯的火箭發射則是處于表面不錯但暗藏危機的狀態。因為現在其航天發射主要就是靠幾十年來的老牌同時也是金牌火箭“聯盟”給撐起來的。說起來這款“聯盟”火箭確實是個傳奇，其記錄在很長的時期內可能都不會被打破，因為到現在為止，它已經發射了超過1000枚，總成功率接近97%，因此它的一個亞型號被用來發射“聯盟”載人飛船支持國際空間站，也是很讓人放心的。但俄羅斯除了這撐場面的“聯盟”火箭外，還有個發射重型載荷的“質子”火箭，這個型號的可靠性就不是那么讓人放心了，最近幾年幾乎是穩定在十射一炸的水平上，顯然不能讓人滿意。

而歐洲的表現也很不錯，其主力火箭“阿里亞娜”5在早期發射時遇到過一些問題，其中1996年的第一次試射就炸了，但后來逐漸走上正軌，截止2016年初，更是創造了連續發射70次成功的良好記錄?？傮w來說技術也是很成熟的，不過隨著SpaceX大量爭奪國際商業發射合同，歐洲會面對相當大的壓力。

從上述我們不難發現關于火箭發射的一些基本規律，首先就是長期使用的老火箭可以比較容易達到穩定且較高的成功率，俄羅斯的“聯盟”火箭就是個典型范例，在其早期發射史中失敗次數并不少，但一款火箭在幾十年里堅持進行成百上千次的發射，并從中總結經驗教訓，持續對各種出現的問題進行改進優化，如果這樣還不能最終進入一個十分成熟的穩定態，那就真的是出了邪了。我國的“長征”火箭也是如此，其最早脫胎于“東風”洲際導彈，而帶有濃重洲際導彈影子的“長征”2火箭后來又衍生出“長征”3、“長征”4等系列火箭，也就是說從“長征”1到“長征”4，整個火箭譜系的技術脈絡是在一個基礎上持續演進的關系。這種態勢就可以讓一些比較容易出問題的環節被徹底地發現和較好地控制，比如說前期型號解決好了火箭一二子級的技術問題后，后續型號沿用這個一二子級就可以在這部分上面減少出問題的幾率。因此我們會發現，中國運載火箭的失敗也是早期比較多，尤其是“風暴”火箭和“長征”1的時代，把所有研發和發射過的這些火箭都算上，成功率是92.11%，這與世界范圍內從1957年開始至今的超5000次發射的成功率約91%相比差不多。而如果不算“風暴”等火箭，只是計算“長征”系列火箭，發射超過250次，成功率是94.4%左右。這個成功率可以說很不錯，和美俄的金牌火箭系列基本相當，都在一個水平線上，如美國的“德爾塔”系列火箭迄今發射300多次，成功率約95%。

對照“長征”火箭在歷史上出過的問題可以發現，如果某個亞型號改動少，就可能成功率高一些，而如果新亞型改動比較大，新技術采用的較多，事故概率就有可能高一些，如“長征”3號乙、“長征”5等都是在其型號發展完成開始執行發射任務的早期出的問題。這同樣是個很容易理解的規律。就如“阿里亞娜”5首射就炸，但最終卻成為了連射70發全部成功的金牌火箭一樣，“長征”5出一兩次問題同樣不是什么克服不了的災難，針對出現的問題排查和優化，最終可能會成為新一代神器。

正是因為航天發射活動對可靠性有著很高的要求，而火箭這么復雜精密的體系想做到這一點又很難，因此各國航天人在技術上采取穩健的路線，俄羅斯幾十年來一直依靠“聯盟”和“質子”兩款老火箭，中國則一直在使用“長征”2、3、4系列，直到近期才轉向新的“長征”5、7系列。相比之下，美國對于保持航天技術領先地位，在世界航天中算是最激進的了：20世紀60年代早期開發了“紅石”火箭、“大力神”火箭等應急，然后開發了“土星”1B和“土星”5火箭完成了載人登月，然后到20世紀80年代就全面轉向依靠航天飛機經營近地軌道的載荷發射，之后又繼續研發“大力神”系列、“德爾塔”系列和“宇宙神”系列火箭。在冷戰結束后尤其是近20年來，以NASA和ULA為代表的美國航天的“國家隊”是逐漸趨于保守的，但現在允許私人航天進入后，又有了SpaceX公司的“獵鷹”系列火箭，軌道科學公司的“安踏瑞斯”火箭等，可以說不斷有新的火箭系列在研、發射、使用，而每個新系列都可能帶來早期的高事故率，如“獵鷹”1火箭四射三炸，“安塔瑞斯”火箭發射的次數不多，但在2014年也炸掉了一艘“天鵝座”飛船。在世界火箭發射史中，美國總的發射成功率是比較一般的，不如俄羅斯，也不如中國。但如前所述，這主要就是兩個原因，一個是1957年蘇聯發射了第一顆衛星后，美國為了太空競賽，在20世紀50年代末和60年代初趕工發射了大量不成熟的火箭和載荷，那個時期的失敗率是相當高的，再一個就是不斷嘗試研制新型號也帶來較高的發射失敗率。但這只是體現在總的發射記錄上，具體到不同的火箭系列上就是另一番景象，比如其執行主要航天載荷發射任務的，如“德爾塔”系列、“宇宙神”系列等成功率都是非常高的。

但現在的新問題就是，在SpaceX這種“鯰魚”來攪局之后，這種穩定態不可能永久持續下去了，如前所述ULA擁有近乎完美的發射記錄，但現在不管是NASA，還是軍方，都開始將一些發射任務交給SpaceX公司。而且從現在的趨勢來看，不管是美國的ULA，俄羅斯的“質子”和“聯盟”，還是歐洲的“阿里亞娜”，其航天發射任務訂單都在流向SpaceX公司。隨著今年該公司的發射數量開始猛增，這個趨勢還在加快。未來可能會導致這樣的馬太效應，也就是說，如果訂單下降的太多，不管是俄羅斯還是歐盟的火箭，發射頻率都將會下降，而這又會導致維持成本分攤下去后單次發射成本高企，從而使得訂單進一步流失。這樣持續幾年下來，國際航天發射市場就要發生巨大的變化了。這實際上是逼迫著各國各公司都不得不開始一輪對新技術的追逐，長期沉寂的局面已經逐漸被打破。

ULA現在正開發新一代的可以回收發動機的“火神”火箭，替換掉現在成功率極高的“德爾塔”和“宇宙神”，這顯然是迫于降低成本的壓力，以前ULA因為具有極高的發射報價而被稱為“黑店”，讓美國政府又愛又恨，現在有了競爭者，好日子一去不復返了。而俄羅斯也在資源緊缺的情況下發展完善“安加拉”火箭，歐洲也在規劃新一代火箭等。不過從目前的情況來看，僅僅這些舉措還不足以應對來自SpaceX和未來藍源等私營公司的競爭。隨著“獵鷹”9火箭進入每年的大批量發射，其可靠性也會像“聯盟”火箭一樣沉淀在一個相當高的水平，低成本和高可靠將使得SpaceX公司成為一個低成本快速發射載荷服務的提供者，航天發射成本降低已經成為一個可以預見的未來圖景了，世界各國的競爭者都需要對此作出自己的應對。需要提一句的是，在這個新局面里，中國的局面比歐洲、俄羅斯都要有利一些。因為中國的國家體量十分巨大，內部民用和軍用需求都非常旺盛，在以前中國就并不依靠國際發射業務，那么新私營公司搶奪國際市場訂單對中國影響就很小。因此“長征”5為代表的新一代火箭是新的起點，新時代洗牌后的世界航天競爭會更精彩。