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【美國】【工業】波音和載人登月(續)
2019/08/07 08:02
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熟悉我的讀者,應該知道我不是一般的時評人:後者是文人的一個子集,他們寫作是爲了抒發情感、引起讀者的共鳴;我的文章則純粹表述科學上的分析和研究,所以表面看來是科普或評論,實際上其核心目的在於要對現實世界裏的重要事件做出正確預測。

這裏的讀者群雖然小,但都是在乎時間一貫性和空間普世性的人。我的分析,不但五年來就擺在博客,供公衆檢驗,而且其實我一再反復要求新讀者先讀完舊文,再參與討論。可惜大陸讀者因爲習慣於閲讀一般時評人的評論,往往頭幾次看了我的新文章就開始反射式地噴。

然而我的250+篇文章、6000+留言回復,包含了大大小小約1000個預言,應該有80%已經被後來的發展證實(至少從獨家意見轉爲主流),另外10%還有待觀察,失敗率大概是10%。如果有其他時評人,在預言幾月或幾年後的世界事件(往往是可能性極多的多選題)上有50%以上的勝率,還請賜教。

但是我也有一小部分文章比較特別,它們的主要目的不是做正確的預測以自娛,而是對業内的相關人士發聲,希望直接改變現實裏的政策和決定。最早的例子是三年前有關大對撞機的辯論,後來對學術界一窩蜂發熱門論文的批評也可以算是這一類。到今年,例子就更多了:《域外管轄權》是寫給華爲聽的,《737Max必須重新認證》則針對航空公司和民航局,然後就是這一篇寫給中國航天人的《波音和載人登月》。

正因爲是寫給行内專家看的文章,所以不須要仔細科普每個技術細節,只要把論證最後結論所需的事實和邏輯都解釋清楚就行了。在這個案例裏,反而是波音如何挾NASA以自肥的歷史,才是中國的航天人所少知的,因而我也就專注在那個議題上。

結果《波音和載人登月》在《觀察者網》首頁登出來之後,絕大多數的留言還是遵循前述一般大陸讀者的習慣,把它當成一般時評人的衛生紙式寫作,亦即偶爾臭不可聞,一貫用後即丟,絕對沒有重復使用五年的必要。結果不但都忽視了正文裏面已經解釋過的事實和邏輯,居然還有指控我居心否測、抹黑長征九號的留言。

我想這一方面是很多讀者對科幻小説太當真了,沒有把娛樂和學術分開。我曾經在《觀察者網》評論過:“請科幻作家來評論現實世界的科技,這和選擧演總統的演員來當總統有什麽差別?”金庸的武俠小説我也喜歡看,但我絕不會想要跑到少林寺練易筋經。至於少林派從來就只是一個詐騙集團的歷史,請重讀四年前的舊文《從少林來談宣傳和迷思》。

另一方面,《波音和載人登月》對技術上的事實和邏輯也的確寫得十分簡略,往往一筆帶過。所以我在這裏補充一下。

首先,100+噸級LEO軌道載重的火箭,除了一次性發射載人登月之外,真沒有任何其他的用途。我以爲已經寫得很明確了,但是沒有受過科學訓練的人性,是自然會對與自已既有認知有衝突的説法,視而不見,而不是去做理性邏輯分析。這也是爲什麽近年來,有“重要的事説三遍”的段子。如果有讀者還是不能接受這個事實,請自問:在Apollo退役之後40幾年,爲什麽到現在才又有開發同一級別火箭的討論。

在改用20+噸級火箭多次發射、軌道並接之後,即使未來在載人登月之外還出現了新任務,效費比仍然會有20倍左右的優勢,那麽不但使100+噸級火箭成爲白象,與其相關的衍生技術也是如此。20倍的費用是什麽概念?有點像把鋁鋰合金拿來做家用冰箱,然後說可以衍生用鋁鋰合金做壓縮機的技術。別説世界上沒有鋁鋰壓縮機的需要,要是真有了,直接去開發不是更快、更便宜、更適切?

在上周的博客留言欄討論裏,有人提出因爲港珠澳大橋的實際使用率,只有原估算最低底綫的1/3,現在中共當局已經開始重新正視和警惕這類浮誇的面子工程;這和我所知的長九計劃基本停擺是相合的。此外,有大陸讀者說中國航天界已經提出921火箭的設計,所以長五載人登月必然是次優的。這個説法在邏輯上完全錯誤;正確的解讀是行内人必然是知道長九已經死透了,才會拿出替代方案,否則就是自打嘴巴、自找麻煩。至於921火箭的技術價值,我們來詳細討論一下。

首先,載人火箭的安全性要求,天生就遠高於衛星和機器,後者又遠高於燃料和貨物。定量來説,NASA在21世紀所訂的載人級別標準(Human Rating)是全任務事故率必須小於0.4%,所以發射過程的事故率絕不能超過0.2%,如果使用N個發動機,單個發動機顯然頂多(假設所有其他部件都100%可靠)只能有0.2%/N的事故率。開發大推力發動機已經夠難了,但是載人任務要求遠超過99.9%的可靠性,這和衛星和機器所需的~99%,或燃料和貨物需要的~90%,根本不是同一回事。看起來是同一型的引擎,其實費用差別和開發/製造難度就可能是幾十倍。

1960年代的歷史,也證實上面的論點:蘇聯的N1載人登月火箭,由於沒有超大推力引擎可用,第一級就用了30個中推力的NK-15並聯,結果正因爲無法保證全部30個引擎都正常工作,結果計劃完全失敗。

Apollo的Saturn V用的是5個F1引擎,所以維持可靠性就容易了6倍,再加上美國的工業實力更加扎實,這才成功了。但是實際上,Apollo的事故率依舊遠高於現代標準:除了Apollo 13的著名事故之外,Apollo 11 和12都有一個罕爲人知的設計錯誤,在重返大氣層的過程中,儀器艙的脫離過程太簡略,很可能會撞上返回艙。NASA在太空人報告了兩次驚險之後,才趕緊修改設計。大家想一想,7次登月就有3次是險象環生,這種事故率是21世紀人類能接受的嗎?(雖然這些事故不是全發生在發射階段,但仍然證明相信Musk吹噓的人太過天真;見下文。)

那麽921火箭是怎麽回事呢?它基本是在抄襲SLS(本身又是Saturn V的現代化版本)的長九無法上馬之後,改爲抄襲SpaceX的BFR(名義上是Big Falcon Rocket的縮寫,但是實際上大家都知道是Big Fucking Rocket)。因爲Elon Musk宣稱可以省錢,所以就希望用同樣的論點來做類似的圈錢。

但是BFR的第一級就用了35個Raptor引擎,比蘇聯的N1還多。35個貨物級別(Cargo Rated;SpaceX至今的所有火箭,雖然有發送衛星的記錄,實際上都還是貨物級別的,而且用的是舊式的Merlin引擎,Raptor根本還沒有首飛)的Raptor或許會比SLS的4發載人級別的RS-25便宜,但是如果要求同樣的安全級別,那麽單發Raptor的事故容錯率必須達到低於0.0057%,也就是十萬分之五。人類歷史上還沒有造出任何一個如此可靠的火箭發動機,更別提價錢必須低於RS-25的十分之一。不管你們信不信Musk,反正我只相信物理和工程定律。

改用ACES/Depot方案之後,長征五號只需要運送燃料,這可以有高達10%的容錯率,宇航員則繼續飛已經千錘百煉的長征二號F,那麽即使不看20倍的價差,孰優孰劣還是一目瞭然的。

總結來説,在決策核心對面子工程有高度警惕的今日,中國要在未來20年載人登月的唯一希望和可能,就只有Depot方案。剛好它還多快好省,以極低的價格和極高的安全性,在10年内就可以完成。我本來以爲只有像波音這樣壞的,才會反對這樣的計劃;但是顯然無知可以比自私更糟糕。

【後註】2021年1月16日,NASA的SLS引擎進行臺架實驗,徹底失敗,連進一步研究用的數據都沒有搜集齊全,詳情參見《After a decade, NASAs big rocket fails its first real test》

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11樓. Submarine
2021/10/28 20:10

王先生怎么看待最近英美媒体持续炒作的[中国试射的可携带核弹头的高超声速导弹]?是和往常一样的要军费行为还是真的被刺激到?

据国内航天航空圈子的反馈,这次英国金融时报应该是闹了个大乌龙,三个多月前试射的是航天科技一院的RBCC动力两级入轨方案的运载器部分演示和验证机试飞(运载器是可重复使用的升力体式火箭基组合动力运载器,垂直起飞水平降落,在卡门线附近释放载荷),英国媒体报道的偏离20英里载荷很可能是运载器的火箭助推器,这一次RBCC应还没有和验证机结合。

另外,去年9月,航天六院11所研制的RBCC首飞“超圆满成功”,所以他们的总师还赋诗一首发到微信公众号。看起来航天科技的RBCC方案比航天科技的TRRE和中航的TBCC要快得多。

這種高度機密的軍事議題,内幕消息往往比邏輯分析更有效得多;很不幸的,我只有後者。
當然從邏輯出發,這裏有兩個可能:(1)美軍爲了要經費,故意向媒體吹大中國威脅,但在消息轉手的過程中,細節被誤解到面目全非;(2)中方反復討論的七月試射,和英美所談的八月實驗,完全是兩回事,是沒有真正否認的否認。我覺得前者的機率固然較大,後者也不完全爲零。 王孟源2021/10/29 01:48回覆
10樓. AbzX5
2021/07/22 15:19

王先生对大陆最近发射的亚轨道重复使用运载器有何评论? 新闻说"可作为升力式火箭动力重复使用航天运输系统的子级"是什么意思? 是不是意思是完整系统是回收火箭 + 回收运载器? 之所以选择亚轨道飞行, 是不是亚轨道飞行重回地面的时候, 由于速度相对航天飞机小, 运载器的烧蚀小得多, 所以好做些?

這類科技的保密程度都是很高的,原因是它沒有什麽商業經濟效益,只有軍事和情報上的用途。我不喜歡胡猜,所以沒辦法細談;不過可以確定的是,絕大多數的網絡文章都是YY胡扯。換句話説,我不知道細節,但我知道那些人也不可能知道細節。
如果最終目標就是亞軌道飛行,那麽可能是要驗證高超音速轟炸機(不過我對這整個技術路綫並不看好);若只是研發的第一步,暫時在亞軌道以驗證結構和飛控,那麽放大之後可以成為新一代的航天飛機,用來捕捉/回收人造衛星。 王孟源2021/07/23 02:31回覆
9樓. K.
2019/08/23 16:29
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呃,我的意思就是,其他國家的精英不是傻子,他們早就明白,不需要等到中國載人登月來提醒他們,而其他國家的普通人,由於美國媒體掌控著他們的頭腦,中國載人登月也沒用

美國宣佈載人登火不需要真的實現,只是對沖中國載人登月的策略,只要再拖10-20年就好,過幾任總統取消,到那時根本不會有人在意
我對歐洲人的觀察是,他們會尊重這類和平的科技成就,例如去年嫦娥四號成爲人類首次在月球背面著陸的飛行器,在歐洲(包括英國)的媒體基本看不到任何酸葡萄的言論,連一向仇中的群衆(例如Daily Mail的讀者留言欄)都是一面倒地讚好。載人登月比嫦四重要百倍,宣傳效果也會是百倍。 王孟源2019/08/23 18:03回覆
8樓. K.
2019/08/23 14:00
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您好,我看了一下您在八月12日的八方論壇訪問視頻,有一個疑問,請指教。
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您說如果中國未來數年內開戰,如果沒有合理性,載人登月可以創造一個,因此要盡快載人登月,我覺得理由不太充分,因為如果中國這麼做了,美國媒體必定全方位貶低這一成就,例如:
1) 美國70多年前就成功載人登月了,中國依然落後70多年(一種常見話術)
2) 像當年貶低蘇聯一樣,儘管中國成功載人登月,但其他地方很差,是面子工程
3) 畫個載人登火星的大餅,為期10年,吹捧這是更大的成就(不需要真正實現,反正大多數人連10個小時的記憶都沒有)
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歸根結底,如果人類尚未登月,這還可以考慮,但美國畢竟已經成功登月,它可以用宣傳將這一競爭扭曲為「中美並未發生競爭,只是中國趕上了美國70多年前的成就」(除非是顯而易見的更加偉大的成就,例如建立月球基地)
當然這不能欺騙所有人,但是,如果一個人不會被這種話術欺騙,那他也不會被其他話術欺騙,早已準確認識到中國的實力;
如果一個人已經被其他話術欺騙,那他很有可能依然被這種話術欺騙,依然不會改變看法。(更不用說,大多數人只會相信他希望相信的信息……)
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再者說,如果因為台獨勢力越過紅線而開戰,那麼無論有沒有這種合理性都是必須要打的,而台海戰爭必定是短期戰爭,打完之後就解決了您所說的先有雞還是先有蛋的問題。
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我絕對支持載人登月,也十分支持盡快載人登月,但我不認為中國會為了、或者應該為了您所說的理由載人登月,現有的其他理由已經足夠了。

美國的新一代載人登月計劃已經搞了近20年,也就吹噓了20年。如果中國趕在他們前面,美國媒體當然會換一套話說,不過大概只有美國人才會相信。世界其他國家會看明白的,而他們也才是廣告的對象。

美國的另一個反應,應該是會上馬載人登火;這下花真正的大錢不説,大概會死人了。

王孟源2019/08/23 15:10回覆
7樓. 上大人-中國領袖(上)
2019/08/13 12:11
沒能力﹐沒價值。

人類現在的太空科技﹐最有用就是放一堆衛星在軌道﹐做定位和通訊的功能﹐同樣也是加強本國自衛和攻擊的能力。 至於到月球或火星﹐因為技術還未到﹐但成本超高﹐對人類來說是毫無意義的事。

科幻片除了想像人類在其他星球生活﹐就是從其他星球挖礦﹐帶回地球﹔這些就是其他星球對地球最實用的地方﹐但以現在的科技是不可能的事﹐所以除非有突破﹐不然這錢和時間是白花的。

所以美國要登火星,就讓他去。中國如果提前載人登月,美國浪費在火星計劃的錢更多。 王孟源2019/08/13 22:06回覆
6樓. !#@$%^&*()_+
2019/08/09 18:58
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從實用的角度看,可以大規模量產、短期內極大規模發射是航天的唯一可行方向。

幾乎所有的航天計畫都有窗口。發射人造衛星和補給ISS的窗口通常很寬。登陸月球的窗口也還可以。如果不是特別要登陸什麼地點,降落在黎明的位置就有半個月的陽光。、

但是距離越遠,窗口就越窄。火星差不多是每兩年有幾個月可以節約燃料。如果沒趕上窗口,下一次就要等兩年。

如果真要開發火星,就必須每兩年大規模發射一次火箭。就是說,最好使用很多技術成熟穩定的小型火箭,在最短時間內檢查、發射。很多小火箭比一個大火箭實用。


火星探測花錢極多、風險極大、回報極少,還是不要做太多計劃,先把門口的事做好。

SpaceX搞回收有些成就,但這是因爲它免費繼承了NASA幾十年的預研,然後所開發的Merlin引擎,又以效率為代價,選擇了世界上最簡單的設計(Open Cycle)。現在下一代的Raptor引擎,用的是世界上最複雜的設計,不但采用新燃料甲烷,而且是Full Flow Staged Cycle,偏偏Musk在性能指標上,硬要在Aggressive上面再加20%。當然他有一個熱情而且自由(亦即花錢做研發的自由,參見《科技發展與美式自由無關》)的團隊,但是高效率、高產出是有極限的。

王孟源2019/08/10 01:43回覆
5樓. 大一統理論
2019/08/09 03:55
中國應該研發可重複使用的運載火箭,最廉價進入近地軌道的方式還是用火箭,問題是目前的火箭除SpaceX的獵鷹9號, 其他的火箭都採用用完一次就丟的設計,但是自從馬可斯搞出可以重複使用多次的火箭以後,發射成本的確被降低了很多,歐盟亞利安納火箭和聯合發射聯盟發射一次報價是2億美元,俄羅斯質子M運載火箭在之前一直是最低成本的報價7000萬美元,而目前獵鷹9聽說已經下殺到4000萬美元導致2018年俄羅斯的質子M發射任務和客戶被搶掉少了很多次發射,假如未來真的達到馬斯克的目標一枚火箭可以從複使用100~1000次,最大成本只剩下燃料成本(幾千噸燃料而已),那麼的確可很大程度降低成本,火箭還可以採用高效率的設計方式。當年NASA太空梭的設計,因為過度複雜導致低可靠性結果沒有達到NASA期望的可重複使用目標,蘇聯發射過一次暴風雪號太空梭,但是在無人狀態發射的,所有模塊都採用成熟的技術,而能量號火箭第一次發射並不是發射暴風雪太空梭而是「極地號衛星」這個衛星重量超過100噸上面搭載了斯基泰人-D天基化學雷射的武器平台,當年得技術沒辦法把雷射縮小尺寸,而且更加的設計是火箭的載荷(極地號衛星)可以採用外掛的方案而沒有放進整流罩裡

詳細發射細節請參考這部影片

1987年5月15日,蘇聯能源號重型運載火箭發射“極地一號”

http://bilibili.com/video/av10591216/


值得一提的是能源號運載火箭的發動機RD-170到目前為止還是人類歷史上推力最大的發動機,而且還是液態氧+煤油燃料的,俄羅斯把RD-170切一半賣給美國就變成擎天神5號運載火箭Atlas V的引擎,RD-180、RD-170比美國阿波羅登月土星5號搞出的氫氧發動機經濟性更好,至於要到遠距離的天體如果有核子動力火箭+會更好,前蘇聯和俄羅斯都有核動力火箭發動機這種技術,如果未來需要發展太空武器、或是大型科研設備例如宇宙射線觀測設備 大型太空望遠鏡,但是我不認為太空任務有對地球任何經濟性回報,百年之內有意義的事情就是純科研+發展太空武器之用
載人登月在未來20年,只有兩個實用目的:1)探勘月球南北極的水冰含量;2)在月球背面建立一個無綫電望遠鏡(可以完全避免地球來的雜訊)。前者是非常早期的工程預研,後者則是純基礎科研,都沒有任何經濟上的緊迫性。 王孟源2019/08/10 01:23回覆
4樓. 膠柱鼓瑟
2019/08/09 00:47
退一百步講
退一百步講如果考量加速G力問題的話,那至少物資和燃料用電磁發射,人還是靠火箭發射,那只要一個小得多的火箭即可。

總認為一根尾端爆炸噴火的鐵管,這種進太空方式並非長久之計,更不是最終答案。

很不幸的,火箭仍然是目前已知唯一在工程上可行的方案。

宇宙太宏大,人類太渺小,偶爾到地球門口探望,大概就是21世紀的極限。

王孟源2019/08/09 01:48回覆
3樓. 膠柱鼓瑟
2019/08/09 00:19
為何所有人總在火箭兩字上轉?

人都一直在火箭這兩字去想,我常在想一種電磁軌道,目前電磁砲困境在於要濃縮放在車船上造成的眾多問題,但如果一種地面式的發射裝置,放在青藏高原上傾斜的掘地坡道溝裡,其不受砲管長度限制所以能長達幾公里或十幾公里,速度也只須達到脫離地球的速度就夠。

透過漫長的軌道逐級加速,難道真沒可能進入太空嗎
這種固定裝置是一種設施,所以有無限大的空間可以放各種電能控制裝置和旁邊的發電廠,各種冷卻系統。

人如果離開地球只有靠火箭這種唯一方法,我看普及化的太空時代再過一千年也到不了,終究困死在一顆星球上。

你這個想法其實並不太離譜,科幻小説界真正在乎現實的大師,例如Arthur C Clark就研究過,不過一般是設想在月球上,全真空,而且重力只有地球的1/6。

在青藏高原當然也可以研究,但是要進入軌道,最低的那幾公里,其實無足輕重,真正消耗能量的是1)要剋服300公里的爬升進入軌道高度;2)然後必須保持第一宇宙速度(First Cosmic Velocity),大約7+km/s,相當於海平面的Mach 20+。

現在你應該可以看出問題的所在:如果主要依靠自由彈道爬升到軌道高度,那麽初速必須在Mach 25左右,這樣的摩擦生熱,連實心彈丸都無法承受,空心的飛行艙基本很快解體。

用大飛機載到同溫層(~20公里高)發射火箭,比較靠譜些,但是所得不大,在尺寸上和方便上的犧牲卻不小,目前還不能確定是否會有經濟性。
王孟源2019/08/09 01:45回覆
2樓. 馮紀游陸游:恆星/日出北方
2019/08/08 20:24

感謝澄清了許多疑點!

讚啦

你是指正文中有關BFR的討論嗎?其實還可以再詳細一些,例如Musk號稱35個Raptor有一兩個失靈也沒有關係;當然這也是忽悠,不過我想技術細節不必窮追到底,畢竟這個博客不是專業的航天智庫。 王孟源2019/08/08 20:37回覆