小時候，當我仰望星空，我看到了漫天的星辰，他們是離我如此的遙遠和飄渺，以星空作為詩作的浪漫派詩人在歷朝歷代都大有人在，可見人們的夢想永遠充滿了浪漫和激情。你看見嫦娥在月亮上翩翩起舞了嗎？你看見牛郎織女相會于鵲橋了嗎？為了實現(xiàn)人類的飛天夢想，人們通過自己的雙手和智慧，實現(xiàn)了人類航天技術(shù)的飛躍，像一曲夢幻變奏曲從技術(shù)狂熱到經(jīng)濟務(wù)實，開啟了航天新時代。

     早期的航天人，想法是相當浪漫的，在他們眼里，其實土星5這個古老的怪物也不算什么的，大家可以看看NASA在阿波羅時期設(shè)想的火星探險用的火箭和切洛梅同志的UR-700，是怎樣的巨無霸。在火箭發(fā)動機領(lǐng)域，則是陷入“指標狂熱”，一味地追求高指標：更大的推力、更高的效率（比沖）。在這個過程中，人類研制出了像F-1、SSME、RD170、RD0120這樣傳世的精品，為輝煌的宇航事業(yè)打下了堅實的基礎(chǔ)。隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束，像阿波羅這種一次發(fā)射燒掉大半條核動力超級航母的活動，再不會有了，宏偉的“星球大戰(zhàn)”這樣的超級航天計劃也被束之高閣。人類的航天活動，呈現(xiàn)出前所未有的現(xiàn)實和功利。于是，從紙面的指標來看，人類的航天技術(shù)，比起30年前是落后多了，甚至產(chǎn)生了“30多年前可以登月，現(xiàn)在反而不行了?？梢姷窃率羌俚摹边@樣的荒謬論調(diào)。

     這真是一曲有趣的變奏曲，高潮時樂曲戛然而止，顯得那么得不真實，讓你懷疑前面高潮的真實性。真的如此么？顯然是不可能的，人類社會總在向前發(fā)展，奴隸社會雖然遠遠沒有原始社會公平公正，但確是人類的巨大進步。

     人類的航天技術(shù)已經(jīng)成熟，所以就更加客觀冷靜，更加實際，開始用理性的眼光來考察火箭和火箭發(fā)動機：指標是干什么的？還不是為了實現(xiàn)用途？為了指標而指標，為了先進而先進，是毫無疑義和極其愚蠢的。所以，在新一代火箭的方案上，各國都把經(jīng)濟性、安全性和環(huán)保性作為最重要的三項要求，不再追求先進技術(shù)和高指標，盡量采用成熟的技術(shù)，這方面的代表，就是EELV系列的宇宙神5和德爾他4，前者是“充分繼承”與“博采眾長”的典范，后者則是“合理規(guī)劃”與“厚積薄發(fā)”楷模。

     長期以來，人們發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律，就是在基礎(chǔ)原理取得突破之前，越是接近指標極限，前進就越是困難，花費就越大，常常會多花一倍開銷，只將指標提高了百分之幾。今天最高比沖的實用型火箭發(fā)動機，波音公司的RL-10B-2，雖然在循環(huán)方式（完全膨脹），推進劑類型（氫/氧）、噴管設(shè)計（大面積比、可伸縮的碳/碳材料噴管）三個主要方面都采取了最有利于提高比沖的措施，比沖仍然只達到了466.5秒，比起它的直系老祖宗，1958年開發(fā)的RL-10只提高了10秒多，可見提高比沖之艱難。

     半個世紀以來，為了提高航天運載的效率，人們在提高火箭發(fā)動機比沖方面作了很多努力，但是收效不大。想大幅度提高火箭的比沖，不外乎三種方法（其實都讓上面提到的RL-10B-2做到極致了）：更強的推進劑、更好的循環(huán)方式、更大的噴管面積比。但是經(jīng)過長期的摸索，上述三條路線，都是困難重重：目前比沖最高的實用型推進劑組合是液氫/液氧，其實人類試驗過的更強的推進劑還有很多：更強的燃料有金屬鈹、非金屬硼，鋁氫化物、硼氫化物等，更強的氧化劑有氟氣、氟氧化物、氯氧化物等等。這些東西，在相似的燃燒壓力、噴管面積比下可以將比沖提高到500秒以上。但是有高中化學(xué)知識的人，都能看出這些東西都是集劇毒、強腐蝕、不穩(wěn)定于一身的威猛藥品，而且價格比傳統(tǒng)燃料高出2個數(shù)量級，反應(yīng)產(chǎn)物也大多劇毒，是無論如何也難以實際應(yīng)用的，除非愿意將發(fā)射場做成一次性的。最強的化學(xué)推進劑組合是什么呢？是臭氧/金屬鈹/氟氣三組元推進劑，三個組分都是劇毒，但是誰敢用？有趣的是，世界上還真有氫/氟發(fā)動機，譬如前蘇聯(lián)的RD-301，用于上面級（誰敢用在第一級？）實際比沖只有381秒，完全沒有發(fā)揮氟的巨大威力嘛，還不如氫氧。美國的RL-10也做過多次氫/氟循環(huán)的試驗，結(jié)論是只需要小小改動，就可以改燒氫/氟推進劑。但這些方案最終都沒有付諸實施。

     在循環(huán)方式改進方面，常見的循環(huán)方案也就4種：膨脹、分級燃燒、抽氣、燃氣發(fā)生器，前兩者為閉式，后兩者為開式。其中膨脹循環(huán)的效率自然最高了，完全膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機的比沖是最高的，誰也不要與之相比，但是這種發(fā)動機推力小，只適用做上面級。日本開發(fā)了獨特的LE-5部分膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機，可以提高推力，但仍然不足以做第一級。抽氣循環(huán)很少用，效率最低。于是競爭就在分級燃燒循環(huán)與燃氣發(fā)生器循環(huán)之間展開了。

     與燃氣發(fā)生器循環(huán)相比，分級燃燒效率高、比沖大、污染小，是不爭的事實。但是，相應(yīng)的，研制難度大，投資高、風險大、機構(gòu)體積重量大，反而降低了提高效率帶來的好處。以燃氣發(fā)生器的王者：F-1發(fā)動機與最強的分級燃燒發(fā)動機RD-170相比，后者的燃燒壓力相當于前者的3倍，比沖也從260秒提高到303秒，而兩者的發(fā)動機推重比，卻發(fā)現(xiàn)只是從76提高到了78，極其有限。當然，由于火箭發(fā)動機推力極大，而自身重量占總重比例又極低，所以該指標對總體推進效率影響極其有限。但是，RD-170四個燃燒室、四個噴管的復(fù)雜構(gòu)造帶來研制成本、風險隱患的提高，卻是極為可觀的。同樣，在氫氧發(fā)動機領(lǐng)域，古老的燃氣循環(huán)發(fā)動機J-2的推重比達到67，遠遠超過俄國最好的分級燃燒氫氧機RD-0120的57.6。在研制投資方面，分級燃燒發(fā)動機的投入要大得多，需要更好的材料、更多的測試、更多的時間和金錢。巨大的RD-170發(fā)動機在1993年之前，試車達911次之多，SSME定型前總試車時間達到30.9萬秒，這些每秒吞吃數(shù)百公斤燃料的巨獸，光試驗燒掉的燃料，就要數(shù)以萬噸計。歐洲在論證阿里安火箭的HM-60發(fā)動機的方案時，經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，如果投資增加13%以內(nèi)，使用分級燃燒循環(huán)就是劃算的，但是以當時的基礎(chǔ)工藝、設(shè)備狀況，上分級燃燒得增加投資30%，于是毅然選擇了燃氣循環(huán)方案。日本的H2火箭成本居高不下，競爭力差，很大原因就是采用了投資巨大的分級燃燒發(fā)動機。別的不談，大推力分級燃燒發(fā)動機那巨大的燃燒壓力就不是那么好處理的，簡化版H-2：H-2A火箭的一個重要改進就是降低發(fā)動機的壓力。同樣，雖然有RD-170、RD-180在前，俄國搞縮小版的RD-191M依舊困難重重，直接導(dǎo)致“安加拉”運載火箭從1993年難產(chǎn)至今，到2010年也無法服役。

     至于噴管上的文章，也是大有可做的，噴管面積比達到3000，普通發(fā)動機也可以達到500秒的比沖。但是，如此之大的噴管，火箭根本就塞不進去。現(xiàn)在的火箭和導(dǎo)彈為了增大噴管面積比，都采用可伸縮的噴管，但是盡管如此，也很難將面積比提高到100以上，遑論3000了。當然也可以用其它的技術(shù)，譬如美國在90年代的X-33試驗的洛克達因公司XRS-2200線性氣動塞式噴管發(fā)動機，噴管面積比達到173，在燃燒壓力與SSME相比下降三分之一的情況下，真空比沖竟然相差無幾。

     由于提高比沖很困難，得不償失，所以現(xiàn)在的火箭發(fā)動機研制的潮流是：將比沖指標持平，甚至降低一點，來換取在三性（經(jīng)濟、安全、環(huán)保）方面的顯著提高，同時，充分利用先進的設(shè)計方法和生產(chǎn)技術(shù)，來降低成本和提高質(zhì)量。美國現(xiàn)在與未來的主力火箭發(fā)動機：RS-68正是這方面的杰出代表。從指標上，是落后了很多，但是從其他方面看，則是巨大的進步：首先，運用先進計算機三維設(shè)計技術(shù)，RS-68大大降低了研制周期和研制費用，從設(shè)計到實驗只有15個月，相當于SSME和J-2的三分之一，研制費用雖然沒有公布，但是比起SSME的25億美元和J-2的17億美元，肯定是成倍減少。低廉的研制費用，使之在最重要的經(jīng)濟性上就占得先機。其次，盡可能的使用繼承性的成熟技術(shù)，提高了可靠性，降低了費用；采用先進工藝，大幅度降低零部件數(shù)量和工時。以渦輪泵為例，與SSME相比，零件數(shù)由200個降低到30個?？偭慵?shù)目只有SSME的7%，總工時由171000降低到8000，這是巨大的飛躍。第三，采用大量簡化工藝，降低成本的工藝，燃燒室不采用電鑄，噴管用燒蝕型，等等。與美國指標最高的分級燃燒發(fā)動機SSME相比，推力提高了50%，比沖只降低了15%不到，而這一切確是在主要工況顯著降低下實現(xiàn)的（渦輪泵溫度相當于SSME的62%，轉(zhuǎn)速相當于60%，冷卻量和壓力只有50%和45%）。所以，RS-68是先進的設(shè)計理念、設(shè)計方法的集中體現(xiàn)，是當代火箭發(fā)動機的優(yōu)秀代表。不但是德爾它4火箭的主力發(fā)動機，在美國“重返月球”的計劃中，也成為承擔當年土星5任務(wù)的“戰(zhàn)神-5”巨型火箭的第一級主發(fā)動機。

     我國下一代重型運載火箭長征5及其配套的120噸分級燃燒煤油-液氧發(fā)動機和燃氣發(fā)生器循環(huán)50噸氫氧機的方案，早已確定，現(xiàn)在正在緊鑼密鼓的實施之中。這種火箭意義極其重大，是未來20年我國航天的基石。應(yīng)該說，這種無毒無污染火箭的設(shè)計，充分考慮到了未來太空應(yīng)用的需求，并引進了先進的模塊化、通用化的設(shè)計理念，是一個重大進步。

     需要說明的是長征5號是一個系列火箭，系列中最大推力的火箭能夠提高我國LEO和GTO軌道約3倍的運載能力（LEO25噸，GTO14噸）。網(wǎng)上有人說長征5號如果研制成功將作為我國載人登月飛船的運載工具，其實單看運載能力就知道這是不可能的了，長征5號其實是作為長征1號至4號火箭的替代產(chǎn)品而研發(fā)的，它的任務(wù)是完成未來20年我國各軌道衛(wèi)星、載人飛船、空間站、深空探測等“常規(guī)工作”，全面替代技術(shù)落后的長征1號至4號火箭。

     前面說了很多技術(shù)問題，你看到這里也許一頭霧水，也許很有同感并明白了新時代航天領(lǐng)域的“奇怪”變化。在短短不到一個世紀的時間里，人類把自己送上了月球，利用航天科技造福了全人類，人們從對航天技術(shù)的瘋狂追求到注重經(jīng)濟務(wù)實，新時代航天領(lǐng)域已經(jīng)進入了嶄新的高度，人類將進入普及大眾的真正航天時代。中國航天人，他們無私奉獻，他們勤奮務(wù)實，他們夢想依舊，迎頭追趕航天技術(shù)強國的腳步從來就沒有停止，也永遠不會停止，為了全人類……