航天发射实力竞赛

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

随着中国航天发射的频率越来越高，以及以美国SpaceX公司为代表的私人公司争夺航天发射市场，现在比较火箭发射次数也逐渐成为网上一个颇受关注的事情，在很多人看来，各国火箭发射数量的对比就好像看一场比赛，中、美、俄三国的航天发射数量交替上升代表了它们航天领域实力的对比，因而极具观赏性和代表性。

但这里要说的是，火箭发射次数不是说一点意义没有，这个指标在一定程度上还是可以反映出各国在航天领域的某些态势，比如航天活动的活跃度，进而也就部分反应了航天工业的能力和军事及民用航天的需求。但是这个意义也不能太夸大，只有进行较为深入的分析，并将部分因素综合考虑进来后，我们才能利用航天发射次数大致评估世界航天竞争的态势。

轨道和质量很重要

首先我们要注意的一个因素是，火箭发射的目的是将一定载荷送入地球轨道或者深空，让这些载荷为人类服务。因此火箭的“枚”数并不一定就决定入轨载荷的参数。大家第一时间可能会想到一个参数：质量。卫星的能力和其重量是直接相关的，谁也不会希望自己的卫星更大更重，都是在加能力保寿命等情况下才不得已斤斤计较地增加重量。因此在不考虑技术水平差异的情况下，同类型的卫星总是越重的能力就更强一些。那么，很显然火箭发射次数只是一方面，火箭发射的卫星重量甚至更关键，像印度的PLSV火箭进行发射，其低轨道运载能力只有3吨左右，这只相当于中国较早型号的“长征”2火箭水平，和俄罗斯6~8吨近地轨道发射能力的“联盟”火箭相比差距很大，我们现在所熟知的美国SpaceX公司的“猎鹰”9火箭的近地轨道运载能力也已经从1.0款的10.45吨，1.1款的13.15吨，加到了最新FT款的22.8吨，而中国正在研制并发射的“长征”5火箭运载能力更是达到了25吨，显然这些大型火箭和那些中小型火箭可以拉开数量级的差距，但是两款不同运力的火箭在发射次数上却是绝对平等的。

除了质量，还有一个就是轨道参数问题。我们看火箭发射报道时经常会见到低地球轨道（LEO）、地球同步转移轨道（GTO）、地球同步轨道（GEO）等，这些轨道相互之间差别很大。低地球轨道距地表200多千米，而地球同步转移轨道则是一个近地点距地表1 000千米以内，远地点距离地面36 000千米的椭圆形轨道，很多火箭的发射能力都标的是地球同步转移轨道，也就是说将卫星送到这个椭圆轨道后，需要卫星以自带的燃料进行变轨机动，最终切入36 000千米高的圆形的地球同步轨道。显然地球同步转移轨道的发射能力其实并不是真正的“入轨”载荷能力，因为卫星要消耗掉自身的大量燃料，减轻重量才能达到最后的目标轨道。但是很多火箭的性能一栏只能写地球同步转移轨道，因为将卫星直接送到地球同步轨道的能力并不是每一款火箭都具备的，同时也不是一般客户需要的，一般的民用运营商不会过于追求自己通信卫星的入轨时间，这一切基本都是提前计划好的。但军方用户不同，其很多大型精密和保密的卫星对入轨的速度、稳定性和重量都有严格要求，这时就需要那些有金刚钻的火箭来揽这个瓷器活了。比如美国的“德尔塔”4重型火箭，一方面其使用了三个通用芯级且装的是强悍的RS-68液氢液氧发动机，另一方面其具有多次点火能力，因此可以将美国军方绝密的重型间谍卫星直接送到地球同步轨道，且地球同步轨道入轨质量可以达到6.75吨，这是十分强悍的能力，要知道如果这款火箭将载荷送到地球同步转移轨道，其运载能力可以达到14吨，至于更低的低地球轨道，其运载能力极限可达28吨。

当然，除了上述这些轨道外，还有像太阳同步轨道（SSO）、发射入月球轨道和发射入火星轨道等。一款火箭往往会在上述这些发射要求下有所侧重，比如中国当年研发的“长征”2E侧重于低地球轨道，而“长征”3号乙则主攻地球同步转移轨道。轨道的不同和卫星的能力之间有着紧密的关系，比如照相侦察卫星需要轨道能低一些，这个很好理解，轨道越低则可以看的更清楚一些。当然也不能太低，轨道越低就越接近大气层上缘，阻力会越大，轨道丧失高度会越快。通信卫星和预警卫星则首选地球同步轨道，当然需要兼顾北极地区的话会选择大椭圆轨道，此外一些电子侦察卫星等也会选择这么高的轨道。

载荷的性能很关键

大约从1966年开始，苏联的航天发射次数就开始快速超过美国，甚至达到美国很多倍。在冷战时期，有很多年苏联甚至保持每年上百次的火箭发射，而目的则是部署各种军事卫星，但不难发现，在保持同时在轨的军事卫星数量上，苏联却从来没有什么优势。这又是为什么呢，苏联往天上射的火箭都钻黑洞了吗？原因是苏联的卫星往往寿命极短，比如1985年苏联就发射了33颗照相侦察卫星，但这些侦察卫星的寿命只有几周，也就是说，只要这种发射活动停止一个月，地球轨道上就基本没有苏联的照相侦察卫星了。苏联人自然只能是一枚接一枚地往天上发射。相比之下，冷战时美国一般发射的是类似“锁眼”这样的携带大量燃料，可以在轨工作几年乃至十几年的重型间谍卫星，那么当一国在一年内发射一颗卫星在轨工作10年，和另一国每年发20颗寿命3星期的卫星连续射10年，在实际使用效果上其实并无大的差别。当然，冷战时期的例子稍显极端，但基本的逻辑是不难理解的，而且当代还有另一个侧面的极端例子，那就是纳米卫星，印度现在一箭几十颗卫星的事情也干了不止一次，自然不会有人觉得印度在世界卫星领域独占鳌头了，那种大学生手工也可以做出的“土豆卫星”，在能力上是无法替代真正的大型卫星的。

因此如果谁想通过航天发射任务来评估各国航天活动的情况，与其只是简单地数一数火箭发射了多少枚，不妨多从其他角度来做评估。

首先注意一下这些发射仅仅是国际商业发射还是本国的载荷发射。一次火箭发射收费几千万到一亿美元很普遍，而一颗卫星则动辄几亿美元。因此哪怕从产值角度看，一次发射任务中的载荷是谁造的，比这枚发射它的火箭是谁造的其实更重要。中国用“长征”3火箭发射一枚本国研制的遥感卫星的意义，显然远超欧洲阿里亚娜公司用“阿里亚娜”5火箭发射一颗国际运营商从美国采购的通讯卫星。

其次看看是哪款火箭。如果以俄罗斯“联盟”火箭作为一个参照，更重型火箭如“德尔塔”4、“质子”、“长征”5、“阿里亚娜”5等的发射费用本身就会比较昂贵，而其搭载的载荷要么在军事上，要么在民用应用或者科学研究上有重要价值，这种重型火箭发射的数量是实打实航天实力的体现，它们的发射次数显然需要乘上一个大于1的加权指数。而那些低地球轨道运送能力只有2~3吨或者更小的火箭，比如印度的PLSV、美国的“米诺淘”、中国的“长征”2甲乙丙等型号，显然需要乘以小于1的系数。当然，这里只是一个大致的粗略评估，并不是要把问题绝对化。

那么最后要注意的就是被发射载荷本身的技术水平和价值了。我们所熟知的“卡西尼”号土星探测器计划花费30多亿美元，重达6.4吨，要被送往十几亿千米外的土星，所以就要依赖当时最强力的火箭之一“大力神”4号发射，而“好奇”号火星探测器计划的花费则达到25亿美元，用的“宇宙神”5火箭发射，并且采用了4台固体助推器的541大推力构型来发射。至于美国军方的卫星，像大型侦察卫星、预警卫星等都是凝聚了巨额的投资和尖端技术，一般也都是几亿到十几亿美元的价格。

事实上每年美国官方的发射数量并不算多，单看国际空间站建成而航天飞机退役后的这个时期，主要有这么几大类，就民用而言，首先是为国际空间站提供补给的货运飞船，这个任务是由美国SpaceX公司的“龙”飞船和“天鹅座”飞船负责，至于载人运送任务暂时是由俄罗斯的“联盟”飞船负责。其次是NASA的深空探测器，如2006年发射的“地平线”号冥王星探测器，还有就是各种民用通信卫星、气象卫星、科学研究卫星等。而军方及情报机构的载荷主要有预警卫星、光学侦察卫星、电子侦察卫星、GPS导航卫星、军事通信卫星等。

关于发射成功率

中国人都为我国火箭发射的成功率而自豪，中国航天人在这一点上做的确实不错。但值得注意的是，经过半个多世纪的摸索实践，现在各主要航天技术竞争者的主要运载火箭的航天发射成功率基本上都很不错。

我们先来简单盘点一下，首先美国的主力运载火箭ULA的“宇宙神”和“德尔塔”系列可靠性就相当高，连续成功发射超百次，可靠性那是杠杠的，有着近乎百分百的成功率。这当然也是美国军方等部门强力需求下的成绩，毕竟他们的那些卫星动辄十几亿乃至几十亿美元，随便炸一次也是吃不消的。至于新崛起的后起之秀SpaceX的成绩也不差，迄今为止在40多次发射中，除了一次空中爆炸，一次算是大部分成功，小部分失败（损失了一个次要载荷，而主要载荷“龙”飞船和国际空间站成功对接）外，其它都成功了，这个成功率也超过96%，即使把地面测试而并非发射时爆炸的那枚算上，其成功率也有接近94%，并不低。

接着说说日本火箭。一直以来都有日本火箭技术不错但可靠性很差的传言，事实上日本自从1999年开始，到现在快20年的时间里，其H-2A、H-2B火箭连续发射30多次，只失败过一次，成功率约97%，着实是不低的。有些人也许执着于回忆20年前H-2火箭爆炸的那两次，并打算靠它继续高兴几十年，但如果真要探讨技术问题本身，老黄历确确实实要丢掉了，正视对手才是真正的自信。

相比之下俄罗斯的火箭发射则是处于表面不错但暗藏危机的状态。因为现在其航天发射主要就是靠几十年来的老牌同时也是金牌火箭“联盟”给撑起来的。说起来这款“联盟”火箭确实是个传奇，其记录在很长的时期内可能都不会被打破，因为到现在为止，它已经发射了超过1000枚，总成功率接近97%，因此它的一个亚型号被用来发射“联盟”载人飞船支持国际空间站，也是很让人放心的。但俄罗斯除了这撑场面的“联盟”火箭外，还有个发射重型载荷的“质子”火箭，这个型号的可靠性就不是那么让人放心了，最近几年几乎是稳定在十射一炸的水平上，显然不能让人满意。

而欧洲的表现也很不错，其主力火箭“阿里亚娜”5在早期发射时遇到过一些问题，其中1996年的第一次试射就炸了，但后来逐渐走上正轨，截止2016年初，更是创造了连续发射70次成功的良好记录。总体来说技术也是很成熟的，不过随着SpaceX大量争夺国际商业发射合同，欧洲会面对相当大的压力。

从上述我们不难发现关于火箭发射的一些基本规律，首先就是长期使用的老火箭可以比较容易达到稳定且较高的成功率，俄罗斯的“联盟”火箭就是个典型范例，在其早期发射史中失败次数并不少，但一款火箭在几十年里坚持进行成百上千次的发射，并从中总结经验教训，持续对各种出现的问题进行改进优化，如果这样还不能最终进入一个十分成熟的稳定态，那就真的是出了邪了。我国的“长征”火箭也是如此，其最早脱胎于“东风”洲际导弹，而带有浓重洲际导弹影子的“长征”2火箭后来又衍生出“长征”3、“长征”4等系列火箭，也就是说从“长征”1到“长征”4，整个火箭谱系的技术脉络是在一个基础上持续演进的关系。这种态势就可以让一些比较容易出问题的环节被彻底地发现和较好地控制，比如说前期型号解决好了火箭一二子级的技术问题后，后续型号沿用这个一二子级就可以在这部分上面减少出问题的几率。因此我们会发现，中国运载火箭的失败也是早期比较多，尤其是“风暴”火箭和“长征”1的时代，把所有研发和发射过的这些火箭都算上，成功率是92.11%，这与世界范围内从1957年开始至今的超5000次发射的成功率约91%相比差不多。而如果不算“风暴”等火箭，只是计算“长征”系列火箭，发射超过250次，成功率是94.4%左右。这个成功率可以说很不错，和美俄的金牌火箭系列基本相当，都在一个水平线上，如美国的“德尔塔”系列火箭迄今发射300多次，成功率约95%。

对照“长征”火箭在历史上出过的问题可以发现，如果某个亚型号改动少，就可能成功率高一些，而如果新亚型改动比较大，新技术采用的较多，事故概率就有可能高一些，如“长征”3号乙、“长征”5等都是在其型号发展完成开始执行发射任务的早期出的问题。这同样是个很容易理解的规律。就如“阿里亚娜”5首射就炸，但最终却成为了连射70发全部成功的金牌火箭一样，“长征”5出一两次问题同样不是什么克服不了的灾难，针对出现的问题排查和优化，最终可能会成为新一代神器。

正是因为航天发射活动对可靠性有着很高的要求，而火箭这么复杂精密的体系想做到这一点又很难，因此各国航天人在技术上采取稳健的路线，俄罗斯几十年来一直依靠“联盟”和“质子”两款老火箭，中国则一直在使用“长征”2、3、4系列，直到近期才转向新的“长征”5、7系列。相比之下，美国对于保持航天技术领先地位，在世界航天中算是最激进的了：20世纪60年代早期开发了“红石”火箭、“大力神”火箭等应急，然后开发了“土星”1B和“土星”5火箭完成了载人登月，然后到20世纪80年代就全面转向依靠航天飞机经营近地轨道的载荷发射，之后又继续研发“大力神”系列、“德尔塔”系列和“宇宙神”系列火箭。在冷战结束后尤其是近20年来，以NASA和ULA为代表的美国航天的“国家队”是逐渐趋于保守的，但现在允许私人航天进入后，又有了SpaceX公司的“猎鹰”系列火箭，轨道科学公司的“安踏瑞斯”火箭等，可以说不断有新的火箭系列在研、发射、使用，而每个新系列都可能带来早期的高事故率，如“猎鹰”1火箭四射三炸，“安塔瑞斯”火箭发射的次数不多，但在2014年也炸掉了一艘“天鹅座”飞船。在世界火箭发射史中，美国总的发射成功率是比较一般的，不如俄罗斯，也不如中国。但如前所述，这主要就是两个原因，一个是1957年苏联发射了第一颗卫星后，美国为了太空竞赛，在20世纪50年代末和60年代初赶工发射了大量不成熟的火箭和载荷，那个时期的失败率是相当高的，再一个就是不断尝试研制新型号也带来较高的发射失败率。但这只是体现在总的发射记录上，具体到不同的火箭系列上就是另一番景象，比如其执行主要航天载荷发射任务的，如“德尔塔”系列、“宇宙神”系列等成功率都是非常高的。

但现在的新问题就是，在SpaceX这种“鲶鱼”来搅局之后，这种稳定态不可能永久持续下去了，如前所述ULA拥有近乎完美的发射记录，但现在不管是NASA，还是军方，都开始将一些发射任务交给SpaceX公司。而且从现在的趋势来看，不管是美国的ULA，俄罗斯的“质子”和“联盟”，还是欧洲的“阿里亚娜”，其航天发射任务订单都在流向SpaceX公司。随着今年该公司的发射数量开始猛增，这个趋势还在加快。未来可能会导致这样的马太效应，也就是说，如果订单下降的太多，不管是俄罗斯还是欧盟的火箭，发射频率都将会下降，而这又会导致维持成本分摊下去后单次发射成本高企，从而使得订单进一步流失。这样持续几年下来，国际航天发射市场就要发生巨大的变化了。这实际上是逼迫着各国各公司都不得不开始一轮对新技术的追逐，长期沉寂的局面已经逐渐被打破。

ULA现在正开发新一代的可以回收发动机的“火神”火箭，替换掉现在成功率极高的“德尔塔”和“宇宙神”，这显然是迫于降低成本的压力，以前ULA因为具有极高的发射报价而被称为“黑店”，让美国政府又爱又恨，现在有了竞争者，好日子一去不复返了。而俄罗斯也在资源紧缺的情况下发展完善“安加拉”火箭，欧洲也在规划新一代火箭等。不过从目前的情况来看，仅仅这些举措还不足以应对来自SpaceX和未来蓝源等私营公司的竞争。随着“猎鹰”9火箭进入每年的大批量发射，其可靠性也会像“联盟”火箭一样沉淀在一个相当高的水平，低成本和高可靠将使得SpaceX公司成为一个低成本快速发射载荷服务的提供者，航天发射成本降低已经成为一个可以预见的未来图景了，世界各国的竞争者都需要对此作出自己的应对。需要提一句的是，在这个新局面里，中国的局面比欧洲、俄罗斯都要有利一些。因为中国的国家体量十分巨大，内部民用和军用需求都非常旺盛，在以前中国就并不依靠国际发射业务，那么新私营公司抢夺国际市场订单对中国影响就很小。因此“长征”5为代表的新一代火箭是新的起点，新时代洗牌后的世界航天竞争会更精彩。