【短篇】装备建设的“加减法”——以火箭系统为例

众所周知，一款好的武器和大型装备，应当有着数十年的服役寿命，并应当系列化发展成符合高中低档需求的各种产品。从装备立项开发到衍生产品诞生，共有两大流派：1、以高端型号为旗舰项目启动，在旗舰项目完成后，利用子系统分别开发高中低档衍生产品，即所谓的“减法”；2、以中低端型号为发端，不断添加新的模块和深度改进，最后形成具有完整性能的全系列产品，即所谓的“加法”。

现实中，两种技术都有其非常成功的代表性产品。下面，就让我举几个航天领域的例子让大家以管窥豹。

旗舰立项，向下分解（减法）：

1、长征五号系列运载火箭

在21世纪初，我国投入使用的火箭仍然只有上世纪七十年代开始使用的长征二号系列运载火箭及其发展的长征三号、四号运载火箭，运载能力较低，无法完成深空探测、大型航天器和空间站的发射任务。因此，我国在21世纪初期启动了长征五号运载火箭计划。

长征五号立项时，正赶上我国新一轮航天工业的爬坡换挡阶段。由于传统偏二甲肼-四氧化二氮发动机燃料毒性大，发射场偏僻，且燃料成本较高，比冲较低，不适合发展下一代无毒无污染的重型运载火箭，因此我国决定仿效欧美常用的液氢液氧发动机为芯级主机的设计，开发全新的长征五号运载火箭。在欧美日，除了德尔塔IV 重型外，大部分大型运载火箭都采用固体燃料助推器作为起飞动力，而我国当时尚未有制造单体超过100吨重量的固体推进器的能力，因此我国转向了俄罗斯能源火箭的技术构型——高推力的液氧煤油发动机作为起飞级助推段发动机，然后芯一级采用液氧液氢发动机。

由于长征五号意义在于将我国运载能力从9吨级（长2F）提升到25吨级的飞跃，长征五号作为了中国航天事业21世纪头20年的旗舰级项目开始研发。无论是超大型的火箭箭体的设计、加工、焊接、装配，5米燃料箱的加工，检测，灌注燃料，YF100液氧煤油发动机、YF77液氧液氢发动机，还是配套的海上火箭输送船、南海岛礁的航天测控等配套设施，对当时只能制造长征2，3,4运载火箭的我国，这套设备都几乎是从零开始起步。由于整个工程跨度极大，我国最终在长征五号上采用了100%有别于中国以往火箭的既有技术，可谓说“每一寸都是新的”。在历经15年的开发和2017年遥2坠毁（涡轮泵设计存在系统性问题，产生不易查出的共振引发涡轮泵破裂失效，2019年4月才得以查明原因并修改）的苦难后，2019年年末，修复故障的长征五号遥3成功发射，今年我国又连续2发长征五号发射成功，先是由长五乙遥1将新型载人飞船测试船发射上天，接着长征五号遥4将天问号火星探测器发射成功，宣布了长征五号正式达到服役水平。未来，我国嫦娥五号探测器、中国载人航天站都需要长征五号进一步大显神威。

由于长征五号在基础理论、制造工艺、发射流程、子系统设计上为我国的航天提升了一大台阶，我国在长征五号的基础上也利用其先进成果开发了长征六号、长征七号运载火箭，其发动机YF100正是利用了长征五号助推级的发动机，为我国航天事业系列化发展提供了坚实的基础。

2、俄罗斯RD-170系列火箭发动机

要提到中国长征五号的YF-100发动机，就必须提到它的技术来源天顶火箭的RD-120发动机，而RD-120发动机正是苏联推力最强的RD-170发动机的先导型号。现在，就让我们谈谈著名的RD-170火箭发动机。

在N1火箭使用数十个发动机的计划破产后，苏联不得不放弃了不成熟的多发动机设计，转为设计大推力火箭发动机。在1973年，苏联提出了新的700吨级发动机计划，当时还未打算用于航天飞机的发射，后来美国发射成功航天飞机后，苏联决定以这种计划中的发动机推动巨大的能源号火箭，发射航天飞机。因此，这种发动机的研发得以加速。

苏联人历史上从未有过700吨推力的发动机，当时推力最大的只是460吨的RD-264发动机，是R-36M（SS-18撒旦）的主发动机，而且是偏二甲肼·四氧化二氮的有毒燃料发动机。因此，苏联人决定以RD-264发展RD-170时，需要承担非常大的风险，而且并没有备份计划可以弥补。经过数年努力，RD-170终于在1980年首次点火，但仅仅4.4秒就被迫关机。之后15次试验也不成功，被迫先降低到600吨推力进行测试，获得成功。于是，苏联人决定先以600吨的减推力版本先制造一枚小型的火箭，以避免直接上能源号引发不可控灾害。这种小型火箭（其实也很大）就是后来的天顶号火箭，芯一级使用1个发动机，为此将RD-170的伺服系统改为双摆，以控制火箭飞行航向。但是这枚600吨推力的天顶号火箭仍然在1982年6月26日发射仅6秒后爆炸。苏联人一度想要放弃，但MD-185发动机替代计划、固体燃料火箭的计划都无法短时间成功，于是苏联人不得不回头去搞RD-170/171发动机。经过调查残骸，他们发现是不可控的共振导致涡轮泵进气口的铝合金出现裂纹和粉碎，其中的铝合金颗粒进入了发动机燃烧室引发爆炸。由于苏联人急于发射航天飞机挽回面子，且此时共振检测技术还不如2019年中国检测出长征五号的发动机故障时的水平，苏联人发挥“简单粗暴”的个性，将一个过滤网加在涡轮泵进气口上，成功阻挡了铝合金颗粒，确保火箭发动机在共振解体前都可以稳定运转（反正共振本身不会在它燃烧时间内摧毁发动机）。这样一来，RD-170/171的共振爆炸问题得到解决，1985年4月天顶号火箭顺利升空，证明RD-171问题得以解决，不久RD-170在1988年也成功发射了能源号运载火箭，项目取得圆满成功。

由于RD-170性能相当成功，俄罗斯在苏联解体后也以其为母型降级开发出多个子型号，以胜任推力更小的环境。

第一个产品是俄罗斯对美国宇宙神（阿特拉斯）号火箭出口的RD-180发动机。该发动机保留了RD-170的两个燃烧室，推力从800KN级下降到400KN级，以满足美国这枚全重214吨（宇宙神3号）-530吨（宇宙神551）的火箭发射使用（宇宙神5需要配合固推）。由于推力相当充沛，美国宇宙神-5号火箭至今仍然常用于美国发射各种载荷。

第二个产品是仅保留一个燃烧室的RD-191，推力下降到200吨级，用于驱动俄罗斯安加拉系列运载火箭的芯一级和助推器。在使用5台RD-191（一级+4助推器）时，安加拉A5可以最大发射24吨的载荷到达近地轨道，但发射到地球同步轨道载荷就因为俄罗斯的纬度较高而只剩下7.5吨能力。

第三个产品则是RD-191进一步削减推力到170吨的RD-151发动机。该发动机是俄罗斯特别为韩国研发的罗老号运载火箭配套的，原计划2009年先于朝鲜的银河号火箭把朝鲜半岛第一枚卫星送上地球轨道，但此次发射最终因为韩国的整流罩未打开而失败；2013年，在朝鲜发射的银河3号成功1年后，韩国的罗老号才得以发射成功，在南北朝鲜的航天竞赛中保住了一点颜面，但由于政治意义已经不复存在，罗老号此后未再次发射。有意思的是，朝鲜发射的银河3号火箭发动机被据信是苏联R-36（SS-9悬崖，R-36M撒旦直接前身）的RD-250发动机简化为1个喷口而成，而RD-250又是RD-264的前身，所以南北朝鲜不仅在火箭审美上惊人一致，发动机居然也都是由苏联/俄罗斯发动机简化而来，不得不说一个民族的巧合。

小步快跑，逐次提升（加法）：

1、中国东风系列导弹和长征2,3系列运载火箭

比起长征5号的“旗舰项目”，中国航天起步阶段可谓是一间小房不断添砖加瓦日益壮大的过程。下面，就让我举例说明中国弹道导弹和航天事业的起步过程。由于该内容早已在各个两弹一星和中国航天节目中多次讲述，我会简要提及他们的性能，重点突出各个系统的验证、演进和继承。

1962年，在中国成功发射V-2导弹发展的东风1号导弹后，更大射程，具备实战核弹投放能力的导弹就被提上了日程。由于中国仿制V-2导弹过程基本比较顺利，再加上同时代大跃进思想浓厚，我国科研人员一度认为火箭研发已经摸到了窍门，觉得只要以此放大即可生产射程更远的导弹。于是，他们将东风1号基本设计放大，成为了东风2号导弹。但是1962年春节这次发射却以失败收场。钱学森敏锐的推测到，这是因为火箭放大后，整体动力、受力、气动都发生了改变，因此发射才会出现突然动力丧失而垂直落地的事故。所以，他一连带队进行了数个月的理论重建，然后花费一年多时间对生产，制造，装配等过程进行全方位升级，从此奠定了中国“双归零”的基础。在中国科技人才的努力下，中国终于在1964年6月29日将东风2号发射成功，随后中国使用东风2号进行了两弹结合实验，宣告中国拥有了可以实战化使用的核武器，正式跻身有核国家。

东风2号虽然射程还不如现在的东风16导弹，但是它对于中国二炮部队、航天工业的理论、人才、质量管理理论产生了不可估量的影响。在东风2号成功后，开发射程能够覆盖苏联远东、日本的东风3号中程导弹提上了日程。

在解决了单个发动机的东风2号之后，中国科研人员明白单级单发火箭的上限已经快挖光了。因此这一次没有再走简单的放大路线，而是严谨的讨论了如何进一步提升推力，延长射程。最后，中国决定采用4发并车的设计，在起飞级使用4个YF1发动机，驱动一枚中程导弹。在1966年，也就是东风2号成功两年后，全重65吨的东风3号火箭首次试飞，但因为动力提前丧失失败。在1966-1967付出4次失败代价后，经过归零研判，解决了发动机的问题（很可能也是多机并联共振，伊朗、朝鲜迄今未解决起飞级发动机多机并联的技术问题，可见难度之大），此后东风3成为了中国第一种能够进入战备的导弹，担负对日本、印度和俄罗斯远东战略威慑任务，一直服役到2014年才被东风21全部退役，可见寿命之长。

由于中苏问题急剧恶化，中国急需一种能够直接打到莫斯科，阻止苏联对中国动武的准战略导弹。由于中国酒泉基地达到莫斯科需要5000公里以上，这种射程单级导弹已经无法胜任，因此中国立项了两级液体燃料导弹东风4型计划。由于射程超过5000公里，但低于8000公里，所以中国官方文件把东风4列入远程弹道导弹。不过，在东风4服役以前，在1966年，中国决定以东风4型为基础发射中国首个卫星东方红一号，该火箭加装了第三级（固体燃料）并在1970年4月24日发射成功，命名为长征1号，出现了运载火箭比导弹还早服役的奇特现象。

长征1号火箭全重81吨，其动力总成为东风4号弹道导弹增加固体第三级而成，而东风4型弹道导弹的一级就是直接沿用了东风3型导弹。因此，长征1号可以看做是东风3号增加液体第二级（只有1个发动机）和固体第三级的运载火箭。

东风4型第一级为东风3型，采用4台YF1型发动机并联的YF2发动机（中国习惯4个并列的发动机会给一个型号代码），东风4型第二级采用了YF1发动机发展来的高空级发动机YF-3，这种设计和日后的东风5型、SPACEX的F9型火箭是一样的，优势是发动机通用，降低研制成本和维护成本。东风4型真正实现可靠性也得到1980年前后，虽然性能比起东风5号没有优势，但是由于和中国产量最大的东风3通用良好，也一直服役至今，作为对印度，俄罗斯的威慑导弹服役。

东风2-4的动力都是发烟硝酸+偏二甲肼，其推进剂效能不够，所以中国在立项第一枚洲际导弹-东风5号时，便开始研发新的四氧化二氮+偏二甲肼布局。由于核弹载荷和发动机的不可靠，东风5号最终服役也是1980年代，而在此之前为了验证系统，东风5号也以长征2号运载火箭为名开始进行航天发射，在1980年代长征2丙成功后，东风5、长征2号系列完全稳定，由此至今一直是我国核心的洲际导弹/运载火箭。

长征2号是非常可靠的两级火箭，它和它增加助推器的长2E和长2F火箭，主要将货物发送到低轨道。由于地球静止轨道卫星的需求，中国于1984年仿效长征1号，在长征2号上增加液氧液氢第三级，构成了长征3号运载火箭。一开始的长征3号并不可靠，后来大幅修改为长征3号甲运载火箭，1994年至今毫无失败。由于长征3号甲非常成功，以其为母型通过增加4个助推器（类似于长征2丙加装助推器成为长2捆和长2F），即成为长征3号乙运载火箭，后来又由乙改为2个助推器，就是长征3号丙运载火箭。如今，长征2号系列，长征3号甲系列以及采用长征2号起飞级技术的长征4号火箭发射总量超过中国的90%。

2、SPACEX公司的F9火箭

马斯克的猎鹰9系列火箭可谓是最近冉冉上升的一枚新星。作为一个商业公司，SPACEX采用了类似中国长征火箭的发展脉络，也就是先解决1,2级发动机的通用性，然后先从基本型F9开发，再到3枚芯级并联的FH重型火箭。同时，由于SPACEX主打可回收、可复用的优势，火箭发动机和箭体不断在前一代基础上快速迭代，从2010年首飞，到2014年验证直接反推可回收性，再到2016年以来的高强度发射，再到2018年完成芯级并联飞行的FH火箭，再到最近的载人航天，马斯克的猎鹰9号火箭在发动机设计、外壳材料设计、弹道规划、回收效果、复用时间上都取得了肉眼可见的进步速度。可见这种“小步快跑”“添砖加瓦”的发展战略是非常有效的思路。

由此可见，“减法”设计以旗舰级龙头课题为主导，试图一举拿下高端产品和全部配套技术，起点高，难度大，但也有精力集中的优势，美国的阿波罗计划，苏联的暴风雪计划，中国的空间站、歼20，航母计划无一例外是这样的国家级旗舰工程，通过建设伟大工程，全国各行各业都被积极调动起来，能够不断克服一项又一项技术难关，并讲这些经验和成果推广到其他领域，全国受益；而“加法”则适合起步和摸索阶段，在技术积累不足、发展前途不明的时候，通过小步快跑，逐步加强技术难度和高度，增加不同功能的模块，最终实现完整功能的最终产品，同时也磨砺了团队的理论、研发、组织、制造的各项能力，锻炼出来优秀的团队。因此，两种技术各有千秋，要在正确的行业和领域使用才能获得最大的效益。