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火箭:我要飞……得更高!

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中国航天日 特辑

飞天之路

注定是坎坷的

1996年2月15日

长征三号乙运载火箭

在万众期待下首次出征

然而火箭起飞不到2秒

却突然偏离发射方向

(长征三号乙首发,箭体姿态出现异常,图片来源@Internet Archive)

此后短短22秒内

火箭头部下坠、径直撞向山坡

最终在冲天的火光中

粉身碎骨、灰飞烟灭

这是中国运载火箭

第9次发射失败

(长征三号乙首发失利,坠毁于距发射场1.85千米外的山坡,图片来源@Internet Archive)

20余年后

2020年4月9日

已连续成功发射26次的长征三号乙

又因火箭第三级工作异常而坠落解体

这是中国运载火箭

第22次发射失败

截至目前

中国航天史上

共计有22次发射失败

但与此同时

发射成功的次数达到

334次

(请横屏观看,长征七号首飞,这是中国“长征”系列运载火箭第222次发射成功;另:上文中仅将航天器到达目标轨道视作成功,摄影师@苟秉宸)

是的

失败是沉痛的

但科学的高峰

却永远是咬着牙、含着泪

才能攀上的

(下文引自“中国航天之父”钱学森)

正确的结果,是从大量错误中得出来的。

也正因如此

50年前

我国成功发射的第一颗人造卫星

只有“微小”的0.178吨

50年后

一代代中国运载火箭

载着

北斗、风云、高分、鹊桥、尖兵

实践、长空、烽火、海洋、神通

探测、前哨、资源、鑫诺、天链

中星、天拓、天绘、珞珈、云海

载着

神舟、天舟、嫦娥、天宫

一次次摆脱地心引力

奔向星辰大海

(请横屏观看,中国“长征”系列运载火箭主要型号型谱,制图@陈随/星球研究所)

这是一条怎样的升级之路?

未来又将如何呢?

01

小型火箭的诞生

1970年1月30日

我国第一颗中远程弹道导弹

东风四号

试飞成功

它利用燃烧产生的

喷射气流提供推力

推进剂则是

“燃料+氧化剂”的组合

可以彻底摆脱燃烧对氧气的依赖

即便在无氧的太空环境

也能自由飞行

它的箭体

由下至上分为两级

第一级工作结束后便在高空分离

再由第二级重新点火、接力推进

这便是

中国运载火箭的雏形

(第一级箭体分离场景,右侧白色轨迹为分离坠落的第一级箭体;此为中国民营火箭双曲线一号发射,供示意,摄影师@余明)

然而

要实现环绕地球飞行

卫星的飞行高度

一般不能低于180千米

相应的入轨速度也需接近7.9千米/秒

否则将在地球引力和大气阻力的作用下

坠入大气层中

(上文中的7.9千米/秒,即为第一宇宙速度,制图@陈思琦&陈随/星球研究所)

遗憾的是

这样的速度和高度

令东风四号望尘莫及

于是工程师们

在原有箭体上继续加级

将其升级为三级火箭

箭体顶部的导弹弹头

则被卫星取代

并由整流罩加以保护

避免遭受高速气流的冲刷

(火箭整流罩,用爆炸螺栓连接,螺栓起爆即可解锁分离、抛掉整流罩;下图为长征七号整流罩,作示意,摄影师@王若维)

第一级与第二级之间

由金属杆相连

连接处如同被镂空

以便二级发动机点火时

喷射的火焰能经此尽快排出

(两级间的“镂空”结构即为斜拉金属杆;下图为长征四号丙的外形,供示意,剥落的是泡沫保温层,摄影师@韩超)

经过一系列优化

东风四号导弹摇身一变

中国的第一枚运载火箭

长征一号(CZ-1)

就此诞生

(长征一号火箭结构示意,制图@陈随/星球研究所)

它直径2.25米、高约30米

能将不超过

0.3吨

的载荷

送至高度约440千米的近地轨道

例如中国第一颗人造卫星

东方红1号

自此

中国成为继苏、美、法、日之后

第五个独立发射人造卫星的国家

中国航天的近地卫星时代

也就此开启

(东方红1号,摄影师@Brücke-Osteuropa)

然而

0.3吨的载荷

远远满足不了一般卫星的需求

运载火箭势必再次升级

推进剂上

人们改用全新的

“燃料+氧化剂”组合

“偏二甲肼+四氧化二氮”

它们均为常温液体

不仅具有更高的推进效率

且一旦相遇便可立即燃烧

点火简单、维护方便

(此处的推进效率是指“比推力”,即单位时间内消耗单位推进剂产生的推力,也称“比冲”,下文同;四氧化二氮分解可产生棕红色的二氧化氮,因此火箭起飞时可见棕红色的浓烟,摄影师@阿毛)

结构上

火箭直径加大至

我国铁路运输的极限尺寸

3.35米

由于直径更大、推进剂更强

即便重回两级火箭

也能达到入轨速度

(载着火箭部件前往西昌发射中心的火车,摄影师@Donald)

升级后的新一代火箭

其一

得名风暴一号(FB-1)

它令我国首次能够

发射超过1吨的卫星

也首次实现“一箭三星”

(停放在酒泉卫星发射中心的风暴一号模型,摄影师@苟秉宸)

其二

便是长征二号(CZ-2)

其近地轨道载荷约

1.8吨

成功发射了

我国第一颗返回式卫星

可谓走出了载人航天的第一步

(注意:此处的“近地轨道”是指高度约200-400千米的轨道,后文如无特别说明均采用此范围;下图为我国发射并回收的第一颗返回式卫星尖兵一号,图片来源@VCG)

然而此时

中国运载火箭的近地轨道载荷

仍未突破2吨

属于小型火箭范畴

更大的卫星、更远的星空

载人航天的期盼、空间站的梦想

都将交给下一代火箭

成为它们光荣的使命

02

中型火箭的使命

中型火箭的近地轨道载荷

在2-20吨之间

在长征二号基础上改进的

长征二号丙(CZ-2C)

长征二号丁(CZ-2D)

比原火箭高出近10米

能携带更多燃料

加之材料和发动机的优化

其近地轨道载荷可增至约

4吨

一举步入中型火箭行列

成为发射返回式卫星的主力军之一

(长征二号丁也沿用了部分长征四号的技术,下图为长征二号丁发射升空,摄影师@曾诚宇)

然而

这类卫星常工作在

高度约几百千米的近地轨道

相较之下

气象卫星轨道高度约1000千米

导航卫星可达到约20000千米

还有一类轨道则更为遥远

其高度约36000千米

且轨道平面与赤道平面重合

运行在这里的卫星

能与地面始终保持相对静止

这便是独一无二的地球静止轨道

在理想状态下

这里只需部署三颗卫星

便可基本覆盖全球通信

(不同高度的航天器轨道示意,制图@陈思琦&陈随/星球研究所)

但要抵达地球静止轨道

却并非易事

卫星须用“多级跳”的方式

先以约10千米/秒的速度

进入一个过渡轨道

再通过精确的变轨

在目标轨道的指定位置上入轨定位

这意味着

我们还需要

飞得更远、更高、更精准的火箭

(上文中的过渡轨道即为“地球同步转移轨道”,下图是地球静止轨道卫星发射过程示意,制图@陈思琦&陈随/星球研究所)

为此

工程师们首先尝试的

依旧是

纵向加级

但此时人们却面临着

两种艰难的选择

其一

是以长征二号丙为基础

在第三级使用全新的低温推进剂

“液氢+液氧”

替换传统的常温推进剂

新推进剂的推进效率再次增强

但发动机技术难度更高

液氢温度低于-253℃又易燃易爆

因此从发动机技术

到燃料的贮存、运输、加注

一切都要从零开始

(长征三号系列火箭在总装厂房调试,可见被拆开的燃料箱,摄影师@宿东)

其二

则是在风暴一号的基础上

第三级依旧使用技术成熟的

传统常温推进剂

风险更低、把握更大

一面是高技术

一面是低风险

这个选择并不好做

人们各执己见、争论不休

直到中国通信卫星总工程师

任新民站出来说

(引自任新民,参考中国运载火箭技术研究院《天穹神箭》)

中国要想在本世纪末成为航天大国,甩掉落后的帽子,眼睛必须瞄准当代火箭发动机的高峰……航天事业本身就是个大风险,如果怕失败、怕风险,还搞什么航天!

此一言掷地有声

而自此约10年后

成功扛起我国

地球静止轨道卫星发射大旗的

便是采取第一套方案

第三级使用“液氢+液氧”推进剂的

长征三号(CZ-3)

(长征二号丙和长征三号的结构对比,制图@陈随/星球研究所)

其第三级的推进剂贮箱

防冻、防渗、防潮、绝热

发动机则能进行二次点火

令卫星再次加速

进入过渡轨道

而进一步改进诞生的

长征三号甲(CZ-3A)

更首次将我国卫星

送入前往月球的必经之路

地月转移轨道

从此在中国航天史上

开启了嫦娥时代

(长征三号甲发射“嫦娥一号”探月卫星,拍摄于2007年10月24日,摄影师@雨水)

与此同时

仍使用传统常温推进剂的

另一套加级方案

也在同步进行

这便是

长征四号系列

(CZ-4A、CZ-4B、CZ-4C)

它们是发射太阳同步轨道卫星的主力军

(长征四号乙,摄影师@史悦)

这又是一类特殊的轨道

其轨道平面可绕地轴旋转

且旋转周期与地球公转周期一致

因此每当卫星经过同一地点上空时

总能保持相同的日照条件

极其适合气象、地面观测

但这种轨道的倾角

往往超过90°

需要火箭提供大量推力

用于改变飞行方向

(太阳同步轨道示意,以风云一号卫星轨道为例,制图@陈思琦&陈随/星球研究所)

因此当1988年9月7日

长征四号甲载着第一颗

风云一号气象卫星

成功进入高约900公里、倾角99°的

太阳同步轨道时

便受到了国内外的高度关注

我国依靠国外气象卫星数据的时代

也正式宣告终结

(长征四号乙发射部署在太阳同步轨道的中巴地球资源卫星,摄影师@阿毛)

至此

我国中型运载火箭的

近地轨道载荷

已达到约

6吨

然而

若要在未来实现载人航天

载荷需求至少将有近8吨

但此时单芯级火箭的起飞推力

几乎是加无可加

这该如何是好呢?

(仅有一根芯级的便是单芯级火箭,如同“一柱擎天”,下图为准备发射的长征三号甲,图片来源@VCG)

答案便是

横向捆绑

例如

以长征二号丙为基础

纵向上适当加长

以增加推进剂储量

横向上

则“捆绑”4个较小的火箭

每个高15.3米、直径2.25米

是为“助推器”

起飞时

4个中间芯级发动机

4个助推器发动机

共8个发动机共同点火

场面蔚为壮观

(捆绑4个助推器的火箭发动机;下图为长征三号乙,供示意,摄影师@史悦)

这便是

最早登场的捆绑式火箭

长征二号捆(CZ-2E)

其起飞推力可达到长征二号丙的2倍

近地轨道载荷达到约

9.5吨

而它从开始研制到首次发射

仅仅只用了18个月

(长征二号丙和长征二号捆的结构对比,制图@陈随/星球研究所)

不过

真正实现了

中国载人航天梦想的

则是大名鼎鼎的

长征二号F(CZ-2F)

(长征二号F转运至发射塔,采用垂直总装、垂直测试、垂直运输,摄影师@孙海英)

它的形态十分独特

相比长征二号捆

在整流罩顶部

增加了一顶尖尖的“帽子”

人称“逃逸塔”

(长征二号F逃逸系统结构示意,制图@陈随/星球研究所)

这是一个安全保障装置

从起飞前15分钟

至起飞后的120秒内

一旦火箭出现意外

逃逸发动机便可立即点火

带着飞船的轨道舱与返回舱

迅速与箭体分离

帮助宇航员脱离危险

堪称是一座“生命之塔”

(长征二号F逃逸塔,此发火箭将搭载神舟七号载人飞船,图片来源@VCG)

包括逃逸塔在内的救生系统

加上主控制系统的备份

以及故障自动检测系统

三管齐下

令长征二号F的设计可靠性

从长征二号捆的0.91

增长至0.97

(最高为1)

而它也不负众望

在2003年10月15日

将中国第一位航天员杨利伟

安全送入太空

令我国成为全球第三个

成功发射载人飞船的国家

(神舟五号返回舱成功返回,图片来源@央视网)

在服役的21年里

长征二号F可谓战功赫赫

从神舟1号-11号

到天宫1号-2号

共计发射

5次无人飞船、6次载人飞船

以及2次空间实验室

至今仍保持着100%的发射成功率

是名副其实的

"神箭”

(长征二号F“换帽子”,天宫一号船箭组合体对接,箭体上可见“神箭”局部字样,摄影师@宿东)

长征二号系列

均为两级火箭

而如若在长征三号甲的基础上

加长、捆绑

便可形成三级捆绑火箭

长征三号乙(CZ-3B)

长征三号丙(CZ-3C)

(长征三号甲和长征三号乙、长征三号丙的结构对比,制图@陈随/星球研究所)

尤其是长征三号乙

作为捆绑4个助推器的三级火箭

在近20年间

都是中国运载火箭的“顶配”

其近地轨道载荷首次突破10吨大关

达到约

11.5吨

几乎是以一箭之力

成为我国中高轨道发射的绝对主力

(2019年9月23日,长征三号乙搭载第47、48颗北斗卫星,前往高度约20000千米的轨道,摄影师@史悦)

更成功发射嫦娥三号、嫦娥四号

筑就了中国的登月天梯

(长征三号乙成功发射“嫦娥四号”月球探测器,将代表全人类首次登陆月球背面,摄影师@蒋涛)

然而

正所谓

(引自《神箭凌霄:长征系列火箭的发展历程》)

当中国的运载火箭从连续成功的惊喜中醒来时,

它面对的将是4个强大的对手。

到了21世纪初

美国、欧洲、俄罗斯的

商用大型火箭纷纷亮相

有的运载能力可达到

长征三号乙的2倍之多

且更加安全清洁、部署迅速、成本低廉

相较之下

当时的中国运载火箭

几乎方方面面都相形见绌

(长征三号乙和同时期国外大型火箭的对比,制图@陈随/星球研究所)

一次

全方位升级

迫在眉睫

推进剂上

使用了近40年的

“偏二甲肼+四氧化二氮”

将被逐步舍弃

转而采用“煤油+液氧“的组合

其燃烧后产生二氧化碳和水

不仅全程无毒无污染

且成本大幅降低

发动机

也随着推进剂的改变而升级

推进效率可再提高约15%

助推器

则高达惊人的近27米

是此前所有型号助推器的近2倍

这便是

长征七号(CZ-7)

(上文中的“推进效率”是指海平面比推力;下图为长征三号乙和长征七号的结构对比,制图@陈随/星球研究所)

它的近地轨道载荷约

14吨

足以发射重约13吨的

天舟一号货运飞船

将在中国的“空间站时代”中

扮演至关重要的角色

未来

它还将逐步接替

长征二号、三号、四号系列的使命

承担我国约80%的发射任务

成为支撑中国航天梦想的

中流砥柱

(长征七号转运途中,下方的人和车看起来十分渺小;长征七号的设计可靠性达0.98,比长征二号F还要高,摄影师@宿东)

至此

我国的中型运载火箭

已全部登场

若要发射超过20吨的近地轨道载荷

就必须指望下一代选手了

03

大型火箭的博弈

2014年10月

海南文昌卫星发射中心建成

其纬度更低、更接近赤道

可充分利用地球自转速度

提高火箭的运载效率

且在发射地球静止轨道卫星时

还可减少火箭变轨和飞行距离

与酒泉发射场相比

卫星入轨定点的质量

可提高16.3%-18.5%

(上文数据源自中国运载火箭技术研究院《天穹神箭》;下图为中国卫星发射中心分布图,制图@陈思琦&陈随/星球研究所)

另一方面

它是中国首个沿海发射基地

东南方向1000千米内几乎都是海洋

保证了残骸坠落的安全性

(海南文昌发射塔架,摄影师@陈肖)

但更重要的是

自此以后

火箭部件可通过海运运输

彻底摆脱3.35米直径的

铁路运输限制

(远望二十一号火箭运输船正在装载长征五号部件,摄影师@宿东)

至此万事俱备

中国第一枚大型运载火箭

长征五号(CZ-5)

横空出世

作为两级火箭

它却高达近57米

相当于一座近20层的高楼

几乎与现有的三级火箭不相上下

且中间芯级直径由3.35米增加至5米

4个助推器直径由2.25米增至3.35米

是名副其实的“庞然大物”

人送外号“胖五”

(长征七号和长征五号的结构对比,制图@陈随/星球研究所)

此外

相较于长征七号

其中间芯级完全改用

“液氢+液氧”的低温推进剂

并配置全新的发动机

助推器的发动机数量

也翻倍至8个之多

起飞时

共计10个发动机将同时点火喷射

起飞推力增加约50%

近地轨道载荷可达到约

25吨

(长征五号发射升空,因为中间芯级的两级均采用低温氢氧推进剂,亦被称为“冰箭”,其尾焰呈蓝色,摄影师@陈肖)

这是中国迄今为止

起飞质量最大、芯级直径最粗

运载能力最强的火箭

仅次于

美国猎鹰重型运载火箭

德尔塔-4重型运载火箭

在世界现役火箭阵营中位列第三

(身形巨大的长征五号,摄影师@陈肖)

2016年11月3日

第一枚长征五号

在万众瞩目下首飞成功

并首次利用运载火箭

将卫星直接送入地球静止轨道

而在未来的30年

甚至更长的岁月里

它还将见证

月球探测、火星探测

太阳轨道太空望远镜等深空探测任务中

更多历史性的时刻

(2016年11月3日20时43分13.998秒,长征五号首次发射,摄影师@CNAurora)

但超级火箭的梦想

并未在此终结

纵观世界航天

有史以来运载能力最强的火箭

是美国的土星5号

它的近地轨道载荷高达140吨

从1967年起

便为阿波罗计划保驾护航

其记录至今无人超越

(1967年11月9日,土星5号首次发射,搭载着阿波罗4号,现已退役,图片来源@NASA)

而经过数十年马不停蹄地追赶

预计在2028-2030年

中国的重型火箭

终于将应运而生

长征九号

它的总长将超过百米

芯级直径则接近10米

是“胖五”的2倍

近地轨道载荷更将突破

100吨

即便只在脑海中想象

也足以震撼人心

届时

它将扛起

中国载人登月

火星取样返回

甚至太阳系的外行星探测等

更加艰巨的任务

04

漫漫征途

50年来

中国运载火箭队伍日益壮大

大火箭规模蒸蒸日上

小火箭同样百花齐放

长征六号(CZ-6)

可利用简易发射架快速发射

曾创造“一箭20星”的发射记录

(长征六号使用简易发射架发射成功,摄影师@李岗)

长征十一号(CZ-11)

长度减小至约20米

直径减小至2米

可直接在海上平台进行发射

(长征十一号海上发射,图片来源@VCG)

快舟一号

则更为袖珍

其直径仅有1.4米

两次发射间隔最小仅6小时

可快速响应、灵活部署

(径直升空的快舟1号,图片来源@VCG)

此外

众多民营火箭日趋成熟

可重复使用的火箭也在研制当中

(中国民营火箭双曲线一号起竖过程,摄影师@陈肖)

总而言之

以“长征”系列为代表

中国运载火箭的能力将日益全面

以覆盖不同类型的轨道

去往月球、奔向火星

直至更远的星际

尽管在每一次任务中

它们只是作为故事的开头

从不曾参与故事的结局

一旦成功分离后

它们便功成身退

或消逝在大气之中

(长征七号的助推器在结束工作后分离坠落,摄影师@陈肖)

或坠落于荒野大海

(长征二号丁坠落在荒野中的箭体,摄影师@在远方的阿伦)

只留下卫星和飞船

继续奔向遥远的星际

正所谓

(引自李白《侠客行》)

事了拂衣去,深藏身与名

但这就是它们的使命

就如同科学的高峰

也是经过一代又一代人的接力

才能够翻越的

待到

北斗列阵、神舟飞驰

嫦娥奔月、火星着陆

天舟往返、天宫建成

……

便是这条飞天之路

最为荣耀的时刻

(长征七号升空,映照在天空海面的火光耀眼夺目,摄影师@陈肖)

创作团队

撰文:桢公子、艾蓝星

图片:任炳旭

设计:陈随

地图:陈思琦

审校:张照、云舞空城

专家审核

中国运载火箭技术研究院 张博戎 博士

【致谢】本文创作中得到了摄影师阿毛的大力支持,特此感谢。

【参考文献】

[1]陈闽慷, 茹家欣. 神箭凌霄:长征系列火箭的发展历程[M]. 上海科技教育出版社, 2007.

[2]中国运载火箭技术研究院. 天穹神箭: 长征火箭开辟通天之路[M]. 中国宇航出版社, 2008.

[3]李成智. 中国航天技术发展史稿[M]. 辽宁教育出版社, 2006.

[4]《世界航天运载器大全》编委会. 世界航天运载器大全[M]. 中国宇航出版社, 1996.

[5]冉隆燧. 航天工程设计实践[M]. 中国宇航出版社, 2013.

[6]刘家騑, 李晓敏, 郭桂萍. 航天技术概论[M]. 北京航空航天大学出版社, 2014.

... The End ...

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评论
孤舟暮雪
学士级
中国航天,龙耀东方,昂首阔步,开创未来,旭日东升,祖国万岁!
2020.05.02
邵克南
秀才级
中国航天员,神圣不可侵犯,加油!飞得更高!
2020.05.01
如此美好
进士级
中国一定会飞的更高,发展的更好。
2020.05.03