美国为何会向俄火箭发动机低头,源于人才流失和资本的私心

作为世界上综合实力最强大的国家,美国在太空探索方面拥有绝对的优势;比如上世纪60年代的“阿波罗”登月,到现在都没有其它国家研制成功的航天飞机等。

但鲜为人知的是冷战后美国居然和俄罗斯在航天方面展开合作,并购买俄制发动机作为其运载火箭的主要引擎。

尽管从一开始就有美国人对这种做法表示不满,但在人才流失和资本逐利的双重影响下美国航天竟然离不开俄制火箭发动机。

那么这样的奇闻是怎么发生的,对中国又有何启示呢?

美国为何会向俄火箭发动机低头,源于人才流失和资本的私心

火箭

强大的美国航天科技,却因经济原因购买俄发动机

提到人类航天的突出成就,我们首先想到的就是美国和苏联在冷战时期的太空竞赛。二战之后纳粹德国的导弹技术被美苏瓜分,苏联在1957年用R-7洲际导弹改造的运载火箭发射了第一颗人造地球卫星。

这时美国才发现自己的相关领域落后,1958年才发射了一颗2千克重的卫星。美国在太空竞赛初期的落后遭到了国内外舆论的一片嘲笑,故1961年新上任的美国总统肯尼迪发誓要夺回这个领域的优势。

美国拥有最强大的综合国力,故而在成立NASA以国家力量推动航天发展之后,美国的火箭技术很快后来居上。比如为了能够登上月球,美国在冯•布劳恩主持下研制了土星五号运载火箭。

该火箭的第一级使用了五台F1型液氧煤油发动机,单台推力高达690吨。而航天飞机的主发动机SSME推力达170吨,成为有史以来推力最大的氢氧发动机。

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土星五号运载火箭

但美国创造的航天辉煌背后也存在巨大的隐忧,那就是NASA实在是太浪费钱了。

在冷战之后美国人盘点发现一枚土星五号运载火箭的造价居然相当于一艘“企业”号核动力航空母舰,而航天飞机最后单次发射费用居然超过了传统的运载火箭。

这样在苏联解体太空竞赛结束后,美国也被迫削减相关投入。冷战后如何制造或寻找廉价的运载火箭,成为了西方航天界的共识。

上世纪90年代美国NASA派人到俄罗斯访问,发现处在经济崩溃中的俄罗斯航天投入削减得更加厉害。

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美国NASA

这让被本国高价火箭折磨的NASA高层眼前一亮,认为可以利用俄罗斯急需美元的时机以抄底价来购买先进的火箭发动机。

俄罗斯当时也有相同的想法,于是双方一拍即合。由美国出钱俄罗斯出技术,研制全新的RD-180型煤油液氧火箭发动机。美俄1997年签署了101台RD-180发动机的买卖合同,价值约10亿美元[1]。

该发动机不但令“宇宙神”2R火箭走向了成功,更让“宇宙神”5火箭大放异彩[2]。因为使用了俄制发动机“宇宙神”5火箭的综合成本降低了25%,比竞争对手—波音公司的“德尔塔”4火箭占据性能和价格双重优势。

“宇宙神”5火箭不但为美军发射多颗卫星,连著名的“新视野号”和“朱诺”号行星探测器都是用它发射的。

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“宇宙神”5火箭

苏联航天科技独门秘籍,高压补燃煤油机让美国垂涎

有人肯定会困惑美国既然能搞定推力达690吨的F1型液氧煤油发动机,为什么会对俄罗斯这款RD-180发动机情有独钟呢?

原来虽然火箭发动机技术上美苏整体殊途同归,但是苏联却利用其独特的资源优势;研发出了在全世界首屈一指的高压补燃液氧煤油发动机。

液氧煤油发动机顾名思义就是以煤油为燃料、液氧作为氧化剂,在发动机燃烧室内剧烈燃烧产生高温燃气的火箭发动机。

而以美国F1为代表的传统型液氧煤油发动机,其基本工作原理是在发动机旁边设置了一个预燃室让部分液氧和煤油剧烈燃烧,产生的高温废气驱动涡轮泵。

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F1火箭发动机

然后涡轮泵带动煤油泵和液氧泵将大量煤油和液氧运到火箭燃烧室内并被点燃,从涡轮泵排出的废气则用单独的管道排放。这种原理简单可靠但是浪费也很严重,这也是为何美国不再生产F1发动机的原因。

这种简单循环不但效率低,而且导致火箭发动机排气的压力只有80个大气压。要想驱动数百吨甚至上千吨的火箭高速前进,火箭排出的燃气温度高没有意义压力大才重要。

而无论是传统的液氧-煤油还是液氢-液氧组合,在火箭燃烧室内都只能是以液体状态燃烧。但是液体-液体燃烧效率太低,这就从根本上限制了火箭发动机性能的提高。

于是前苏联著名火箭专家伊萨耶夫就想到如果将液-液燃烧转变成液-气燃烧,整个燃烧效率就会大幅提高从而增加燃气的压力。

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火箭发动机

办法是在预燃室内用少量的煤油和全部的氧气生成高温富氧燃气,然后将气体注入火箭发动机燃烧室内与剩下的煤油进行混合燃烧。

这时煤油与燃气形成了更加高效的液-气燃烧,从而使发动机的排气压力增加到230个⼤⽓压。这就意味着消耗等量的燃料和氧化剂时,火箭发动机推力和喷气速度会大幅提高。

1974年前苏联正式上马了“能源”火箭项目,苏联/俄罗斯动力机械科研生产联合体为其研制了了RD-170高压补燃煤油机,也就是RD-180的技术原型。

RD-170的设计推力高达740吨,成为了有史以来单台推力最大的火箭发动机。但因为出现燃烧不稳定的问题于是采用了四个燃烧室,也就是说它每四个喷口其实是一台发动机。

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RD-170发动机

而同一时期美国也不是不知道高压补燃的好处,但因为没有前苏联那么高质量的煤油后来干脆放弃了这项技术路线。

RD-170发动机虽然性能强大,但是苏联解体之前“能源”运载火箭一共只发射了两次。

第一次发射“极地”太空武器失败,第二次是将无人状态的“暴风雪”航天飞机发射入轨。

苏联解体后“能源”火箭和“暴风雪”航天飞机被彻底废弃,RD-170发动机似乎也只能卖废铁。

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暴风雪航天飞机

人才流失加资本短视,国产化之路屡屡失败

但美国人的到来,让俄罗斯人终于看到了将其起死回生的希望。既然美国要求新型火箭发动机推力为422吨只有RD-170的一半多,那么俄罗斯专家就把四个燃烧室减成RD-180的两个。

同时采用了新的高压分级燃烧循环,据估算RD-180发动机70%的零件与RD-170通用。这样其前期投入少再加上那时俄罗斯急需美元救命,所以RD-180的造价被压得极低。

到去年底俄罗斯共向美国交付了122台RD-180火箭发动机,其中98台已经被用于“宇宙神”运载火箭。

但是虽然双方签署RD-180协议时美俄关系尚属蜜月期,但美国航天界许多人仍然认为同俄罗斯合作无异于资敌。因此从一开始要求将RD-180国产化的呼声不绝于耳,但是看起来没什么技术难度的仿制替代却接连遭遇滑铁卢。

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RD-180火箭发动机

美国联合发射联盟和蓝色起源公司合作研发的BE-4火箭发动机与其性能相当,却屡屡因为各种问题试验失败。

美国政府问责署只能表示由于该发动机研发的失败,美国未来几年不得不继续采用RD-180火箭发动机。目前美国国防部购买的“宇宙神-5”火箭订单已经排到2025年,甚至在2028年前可能一直需要购买RD-180火箭发动机。

这些失败的背后是美国航天技术的相对衰败。

首先由于美国之前就自己放弃了富氧燃烧这条技术路线,因此在短时间内攻克相关技术需要大量的人才和资金投入。偏偏美国在冷战前期做错了事,导致其人才储备出现了偏差。美国将所有人力投入战争,导致了科学和技术领域人才严重不足。

此外,虽然美国为了弥补人才短缺的空实行了双轨制人才吸引政策,但国安管理方面加强了监控,若外籍人有反对美国政府的倾向就会被驱逐出境,其中为我们所熟知的就有钱学森。

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钱学森年轻时候

事实上新中国刚成立时钱学森还没有特别强烈想离开美国的意愿,可美国麦卡锡主义泛滥后坚持认为钱学森“通共”,就无理剥夺了他参与美国正常科研的权力。

在美国航天局一些人看来,当初把著名火箭专家钱学森赶出美国就是一个愚蠢的举动。

以至于钱学森老师冯•卡门在其回国后,曾经发出这么感慨:“美国把火箭技术领域最伟大的天才,最出色的火箭专家钱学森,拱手送给了红色中国!”钱学森都遭到这样的对待,其他科学家的待遇可想而知。

在科学研究上人才是最为重要的一环。就拿前苏联来说如果没有谢尔盖•科罗廖夫,就没有第一颗人造卫星和第一艘宇宙飞船。但是科罗廖夫在1967年因心脏手术而意外去世后,整个登月火箭项目就彻底失败。

而钱学森回国之后在新中国一穷二白的状态下,短短的20多年就让中国造出了世界一流的运载火箭,其个人的技术水平和领导能力可见一斑。

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钱学森

和人才流失更加恶劣的是资本家的贪婪。

中国的工业化源于前苏联的156项目,所以我国从一开始走的是仿苏路线;但由于坚持政治上的独立自主,才要求尽可能每一个工业产品都要国产化同时也能降低成本。

但是对于90年代的美国来说,RD-180的国产化可不是赚钱的买卖。原因就在于当时俄罗斯经济极度困难,无论是挖人才还是购买成品都可以压到白菜价。而当时美国却已经出现了去工业化的问题,无论是工资还是研发费用都极高。

因此负责“宇宙神”火箭项目的洛马公司经过计算后认为直接从俄罗斯进口RD-180发动机,不但不会危害美国的太空安全还可以省下大笔研发费用。

美国为何会向俄火箭发动机低头,源于人才流失和资本的私心

工业

事实上当时美国人也存在严重的骄傲自满情绪,认为俄罗斯已经彻底举手投降永远不会再威胁美国利益。同时如果美国主动拒绝进口俄罗斯发动机,俄罗斯就会因此而付出沉重的经济代价。

他们怎么都没想到在新世纪普京政府上台之后俄罗斯经济全面复苏,同时也开始在外交层面变得更加强硬。而美国此时却仍然沉醉在世界霸主的美梦中,直到发现其航天飞机退役后居然对俄罗斯的“联盟”飞船产生了依赖。

同时他们也发现国际空间站虽然是多国共建但是核心仍然是美国和俄罗斯舱段,而目前国际空间站的运行全靠俄罗斯舱段的动力系统。

这让俄罗斯有了坐地起价的资本,不断增加美国宇航员乘坐“联盟”飞船的费用。

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普京上任

近期受国际局势的影响美国政府对俄罗斯进行全面制裁,甚至威胁要彻底取消同俄罗斯在太空领域的合作。

没想到俄罗斯反击要给美国断货,逼得美国NASA局长比尔·纳尔逊公开宣布要继续购买RD-180发动机。

以至于现在美国人都非常生气当年为什么要为了蝇头小利而购买俄制发动机,又为什么没能一口气将其国产化。

以至于现在自己既要高呼“反俄”口号,又得硬着头皮和俄罗斯合作。

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比尔·纳尔逊

合作引进技术有风险,独立自主才能坚持走下去

美俄研制RD-180发动机,本来是世界科技史上平衡技术先进与经济可承受的典型案例。如果美俄在政治上不出现分歧,那么完全可以成为一个教科书级的完美案例。

可我国在发展“两弹一星”为代表的高科技产业时,就明确将独立自主放在首位。因为我们经济困难是现实的,可一旦由于政治因素导致合作泡汤,损失的金钱和时间就会更加惊人。

最惨痛的教训莫过于上世纪80年代我国民用航空技术极度落后,就一度把同美国合作搞大飞机作为提升自身能力的好办法。

可没想到我国自己拆毁了运-10生产线,又耗费巨资从美国麦道公司购买相关生产设备和材料后;麦道公司突然宣布和波音公司合并,并彻底淘汰原有的麦道客机项目。

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波音飞机

这样的变故导致我国在这场合作中没有收获分文,却白搭了数十亿美元和14年的时间。之后我国又在汽车、芯片等产业连连栽跟头,才在近几年树立了全产业国产化的共识。

虽然在航天领域我国基本实现了独立自主,但是在火星探测上却试图搭俄罗斯便车。

结果由于2011年俄罗斯“福布斯-土壤”探测器的失败导致我国“萤火一号”也彻底损失[3],反而让印度抢先将国产探测器发射到火星轨道。

所以RD-180的案例警示我们在所谓经济全球化的大背景下,不要忘记各国自身利益是随时会有冲突的。

因此必须要把国之重器的核心技术牢牢掌握在自己的手中,即使要付出更大的经济代价也比在关键时刻被人卡脖子好。