兵韬志略｜美国航天发射对俄难说不，替代产品研发任重道远
热点新闻：据《华尔街日报》报道，近日美国防部宣布，将继续向联合发射联盟公司（ULA）购买安装俄罗斯RD-180发动机的“宇宙神”-5火箭,直至2024或2025年。报道称，由于美国自身研制和应用国产发动机需要的时间超出预期，在2028年前可能一直需要从俄罗斯购买火箭发动机。点评：美国和俄罗斯都是航天大国，都具有雄厚的航天技术实力。随着近些年美俄综合国力差距不断拉大，美国在航天领域很多方面都已经超过了俄罗斯，成为了当之无愧的头号航天强国。但作为航天发射的关键部件，美国在火箭发动机上却长期依赖俄罗斯，作为其主力运载火箭之一的“宇宙神-5”使用俄制RD-180发动机已是公开的秘密。
近年来，出于国家安全考虑，美国国内研制RD-180发动机替代品的呼声迅速高涨，寻找RD-180替代方案成为美国当前的一个紧迫事项。但由于种种因素限制，美国在短期内还是很难摆脱对RD-180发动机的依赖，替代产品的研发仍任重而道远。
美俄国际合作的典范
俄罗斯是世界老牌航天强国。苏联解体后，虽然俄经济实力遭到沉重打击，制约了航天技术的发展，但依靠其雄厚的技术积累，在包括运载火箭、卫星、飞船等领域依然能与美国抗衡。
RD-180火箭发动机属于俄罗斯几大高技术产品之一，是由俄罗斯动力机械科研生产联合体生产制造的一款双燃烧室、双喷嘴的火箭发动机。该发动机由RD-170系列衍生而来，并继承了RD-171的富氧预燃室设计，采用共享涡轮泵，推进剂为液氧和煤油，使用高压分级燃烧循环，使发动机效率更高，真空推力超过400吨、比冲3052米/秒，性能非常卓越。无论是推力、重量，还是可靠性，该发动机均优于美欧的同类产品，是大推力火箭发动机的首选，也是目前世界上同级别产品中最优秀的一种。
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俄罗斯RD-180火箭发动机
从应用历程来看，该发动机曾应用于前苏联的“能源号”重型运载火箭第一级。冷战结束后，美国利用苏/俄急于投向西方怀抱的机会，积极获得这种令西方眼馋的火箭。1990年，美国运载火箭开始使用RD-180发动机发射军用卫星。1997年，美国与俄罗斯签订了总额为10亿美元的销售合同，使得美国成为俄罗斯RD-180发动机的唯一用户。根据合用，俄罗斯将在2018年底前共向美国交付101台RD-180发动机，用作“宇宙神-5”运载火箭的芯一级发动机。
“宇宙神-5”火箭是美国空军的改进型一次性运载火箭，承担着美国重要卫星的发射任务，是美国的当前主力运载火箭——这也使RD-180发动机在美国航天发射任务中发挥了关键的作用。20多年来，美国共发射该火箭70多次，先后启动了月球、火星、冥王星和木星探测任务，仅出现过一次故障。2017年7月，俄动力机械科研生产联合体火箭发动机公司执行长伊戈尔·阿尔佐佐夫宣布，将如期继续向美国提供11台RD-180发动机。这不仅进一步加深了美国对该发动机的依赖性，也使得RD-180成为美俄合作的典范。
物美价廉的优势选择
当然，美国航天依赖俄制火箭，主要并非技术原因。火箭发射属于一次性装备，成本控制是个很大的问题。冷战结束后，美国航天部门的预算大幅缩减，急需一款性能稳定且价格便宜的火箭发动机。从价格上来看， RD-180发动机大致相当于1000万美元一台，而美国航空喷气公司提出的LOX AR-1型火箭发动机方案，单台LOX AR-1型火箭发动机的报价就是2500万美元，还没有分摊美国10亿美元的研发费用，成本超过进口俄罗斯的两倍还要多。因此，RD-180发动机的低价格成为美国火箭发动机无法比拟的优势。
据此，美国防部副部长罗伯特·沃克表示，如果一旦放弃RD-180发动机，美国的火箭发射成本将大大增加。例如，以单次发射费用至少要增加40%左右的数字来算，美军在6年内将会增加15亿至50亿美元的支出。而且，在美国军方制定的未来15年计划中，对火箭项目的拨款是排在隐形战机、战略导弹、核潜艇、航母等海空军项目之后的，相对有限的资金投入更使得火箭发动机的研发项目前途堪忧。而继续使用RD-180发动机，则会节省大量资金，从而更好地完成美海空军计划的优先项目。
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美国“土星-5”号运载火箭装备的F-1发动机，是有史以来人类制造的推力最大的单燃烧室液体火箭发动机，推力略低于俄制RD-170火箭发动机。尽管美苏冷战期间在航天领域互不相让，但冷战后对俄制火箭发动机的长期以来也损害了美国原本强大的研发体系。
从研发实力来看，长期以来，美国大部分卫星发射任务均由美国空军和国家航天局（NASA）完成。但自2006年起，美国空军开始将发射“宇宙神-5”型火箭的任务分包给了联合发射联盟公司，该公司作为一家民间企业，为追求最大利润，长期以来只依赖采购的俄制RD-180发动机，而不再研发同级别的发动机，从而导致其研制火箭发动机的能力逐渐衰退。因此，在当前的背景下，使用物美价廉的RD-180发动机是美国目前最佳的选择
替代产品研发短期难以完成
虽然RD-180发动机性能可靠、价格便宜、供货稳定，但事关美国国家安全的火箭发射任务若一直依赖俄制发动机，肯定是美国政府的一个隐忧。如果继续使用RD-180发动机，那么美国在火箭发动机领域的核心技术难免空心化，使得整机进口受制于人。在美俄关系转冷的情况下，一旦俄方断货，就会给美国航天发射制造不小的麻烦。而事实是，乌克兰危机爆发后，俄罗斯确实宣布向美国禁运RD-180发动机，更令美国对火箭发射的供应链可靠性问题感到担忧，也使得研制RD-180发动机替代品的呼声在美国国会和其他各处的呼声迅速高涨。
2016年2月27日，空军部长德博拉·李·詹姆斯在参议院听证会上表示，逐步摆脱对俄制发动机的依赖是美国军方当前工作的重点。美国空军声称，正在与其他公司洽谈，可能在未来公布更多火箭发动机研制合同，目的是满足国家航天发射安全的需要，摆脱对外国的战略依赖，并支持美国航天领域私企在全球市场上的商业竞争力。而在此之前，美国众议院武装军兵种战略力量委员会在起草2015财年国防预算法案时就已建议，拨款2.2亿美元研制RD-180发动机的替代品。此外，负责监察秘密情报卫星项目的众议院特别情报委员会也在致力于为RD-180发动机替代品投资。
从目前情况来看，NASA和美国空军已经开展了替代性研究项目，其中包括蓝源公司的BE-4液氧/甲烷发动机、洛克达因公司的AR-1液氧/煤油发动机以及马斯克的“重型猎鹰”火箭研制计划等。2016年2月29日，美《防务新闻》报道，美国空军已经授予联合发射联盟公司一个4660万美元的合同，用于发展“火神”火箭的BE-4助推火箭发动机。据蓝源公司创始人贝索斯透露，BE-4发动机将完全由美国设计和制造，利用计算机仿真和增材制造等最新技，采用甲烷液氧燃料，发动机推力约2446千牛。如果研制成功，BE-4不仅可用于宇宙神-5火箭，还可用于蓝源公司的未来可重复使用轨道运载器，在摆脱对RD-180发动机依赖的同时，实现美国运载火箭主发动机的国产化，可谓一举两得。
此外，美国空军还向航空喷气-洛克达因公司和联合发射联盟发出了合同，要求研制新型AR-1液氧/煤油火箭发动机。根据航空喷气公司的声明称， AR-1发动机将用于空军的“先进廉价运载火箭”项目，设计推力约为2224千牛，研制费用预计达8～10亿美元，需4年时间。如果一切进展顺利，AR-1 发动机的研制工作将于2019年前后完成，成为期待RD-180发动机的重要举措。
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美国“德尔塔-4”运载火箭。其实，即使俄罗斯切断RD-180火箭发动机的供货，美国也并非无计可施，其“德尔塔-4”运载火箭可马上使用，SpaceX公司的技术实力更不容小觑u，只是成本会高得多。
尽管美国为替代RD-180发动机采取了多项举措，但无论是从研发时间还是产品质量方面来说，都存在诸多不利因素。日前，由美国航天专家组成的一个委员会对在不使用RD-180发动机条件下的美国火箭发射情况进行了展望。结果发现，要研制出可替换RD-180型发动机的产品最少需要5年甚至更多的时间，而美国目前RD-180火箭发动机的储备量仅能满足两年的火箭发射需求，因此存在一个近三年的发射缺口。这三年的缺口将对美国的敏感领域，特别是军事卫星通信和导弹防御体系造成严重后果，并进一步影响其中长期太空计划。
此外，由于美国目前的新型火箭发动机产品都还在研制或试验阶段，性能上都需进一步论证，离真正替代RD-180还有一段距离。例如，BE-4发动机采用了液氧/甲烷推进剂，这需要重新设计宇宙神-5火箭的一子级结构，而ATK公司提出的固体发动机方案，也需要把一子级原有的单发动机结构改为双发动机结构，其全箭环境适应性对一些用户的卫星也将是一种挑战。此外，无论是BE-4还是AR-1，其单机推力都小于RD-180发动机，控制系统也需同步更新。因此，至少在可预见的未来，美国将难以摆脱对RD-180发动机的依赖，替代产品的研发任重而道远。
（兵韬志略是由国防科技大学国际关系学院外军研究中心副主任方晓志为澎湃防务栏目开设的个人专栏，盘点一周重大防务事件，评点信息背后暗藏的玄机，剥茧抽丝、拂尘见金，每周一期，不见不散）
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