中國最強火箭+新一代載人飛船試驗船升空，完成了中國今年以來首個重磅的航天發射任務，在後續探月工程、火星計劃緊隨其後的情況下，今天的發射也開啟了中國航天在2020年的“超級模式”。
圖丨“胖五”發射畫面（來源：直播畫面）
北京時間 18:00 ，一枚長征五號 B 運載火箭搭載著新一代載人飛船試驗船在海南文昌發射中心準時發射升空。
點火十餘分鐘後，中國航天科技集團宣佈載人飛船試驗船已進入預定軌道，發射任務宣告成功，此次試驗船將在測試中主要驗證氣動熱防護、再入控制和群傘減速回收等關鍵技術。
據新華網介紹，作為繼神舟飛船任務成功之後我國自主開展研製的功能和性能全面升級的載人飛船，新一代載人飛船將瞄準空間站服務、載人深空探測等多個領域任務。
今天登場的長征五號 B 運載火箭是目前長征五號系列運載火箭家族中的兩大成員之一，主要用於空間站艙段等近地軌道大型航天器發射任務，是在長征五號運載火箭基礎上改進研製的新型火箭，今天發射也是長征五號 B 的首次飛行任務。
從運載能力來看，長征五號是我國運載能力最強的火箭，可實現近地軌道 25 噸級、地球同步轉移軌道 14 噸級的運力，在目前世界現役火箭中排名第三，僅次於獵鷹重型火箭（Falcon Heavy）和德爾塔重型火箭（Delta IV ）。由於長征五號個頭大，身材“胖”，比長征家族的其他成員要壯碩得多，於是被網友親切地稱作“胖五”。
圖 | 長征五號 B
長征五號 B 運載火箭全長約 53.7 米，芯一級直徑 5 米，捆綁 4 個直徑 3.35 米助推器，整流罩長 20.5 米、直徑 5.2 米，採用無毒無汙染的液氧、液氫和煤油作為推進劑，起飛質量約 849 噸，近地軌道運載能力大於 22 噸，是目前我國近地軌道運載能力最大的運載火箭。
相對長征五號，長征五號 B 運載火箭最大的區別就是取消了二級火箭，只保留了一級火箭和四臺助推器，這讓長征五號 B 被稱為“一級半”構型，是中國首款一級直接入軌火箭。
同為中國運載能力最強火箭，長征五號主要承擔地球同步轉移軌道任務，運載能力 14 噸。而長征五號 B 則主要承擔建設空間站 艙段發射任務等近地軌道任務。
圖丨中國目前已披露的未來飛行計劃（數據來源：企鵝科學，DeepTech 整理）
此次發射成功，長征五號無愧於“大國重器”的美譽，中國未來的新一代載人飛船、載人空間站、月球探測器、火星探測器都要靠它來發射升空。甚至，中國航天未來 20-30 年的重任，它都能一肩承擔，載荷可以滿足在此期間的中國航天發展目標。
新一代載人飛船
藏在火箭頂部整流罩內，新一代載人飛船試驗船的上天開啟了中國載人航天的全新階段。新一代載人飛船的到來不僅是對美國、俄羅斯新一代載人飛船的追趕，在中國載人空間站建設的推進也需要新一代的飛船承擔往返任務。
圖 | 新一代飛船測試
說到飛船，最直接的反應便是神舟飛船。從神舟一號到神舟十一號，中國逐步實現了無人到有人，從單人到多人的載人航天任務。在載人任務上也實現了航天員出艙行走、交會對接等任務。
而在貨運飛船方面，天舟系列飛船也於 2017 年 4 月上天，不僅試驗了自動交會對接，還突破了推進劑在軌補加技術，這對未來建設載人空間站至關重要。
儘管如此，在與美國新一代載人飛船相比，中國的飛船設計和能力依然顯得有些老舊。如今美國和俄羅斯的飛船已經進一步專項追求返回艙的重複使用，以降低成本，同時貨運飛船也需要具備從空間站將貨物帶回地球的下行能力。
圖 | 載人飛船對比，右側為美俄研製的新一代兩艙式載人飛船
要滿足未來航天任務的需求，中國新一代載人飛船開始走上舞臺。
據瞭解，過去的神舟載人飛船採用資源艙+返回艙+軌道艙三艙的結構，而新一代多用途飛船採用與波音、SpaceX 類似的兩艙式設計（返回艙+服務資源艙），直徑 4.5 米，長度 7.2 米，重量 14 噸，其返回艙內部容積可達 13 立方米。
這意味著新一代載人飛船的體積和重量是神舟飛船的兩倍以上，在未來的運輸任務當中，新一代飛船上行運貨可達 4 噸，下行運貨可達 4.5 噸，實現了從無到有的升級。
與 SpaceX 載人龍飛船類似，中國新一代飛船將在同一飛船的基礎上開發出載人和貨運兩種型號的飛船。在載人能力上，新一代載人飛船的運載人數將從神舟飛船時期的 3 人，增加到 6-7 人。
跟隨著全球航天的新潮流，新一代載人飛船研製團隊也在嘗試通過重複使用飛船返回艙的方式達到降低成本的目的，按照目前計劃，新一代飛船返回艙未來最多可重複使用 10 次。
此外，飛船採用模塊化設計，通過改變不同長度的服務資源艙模塊，可適應近地軌道飛行、載人月球探測和載人深空探測等多種任務。
根據已有報道，未來這款載人飛船還將進一步分為近地版和登月版，前者重量 14 噸，後者重量可達 20 噸，其中登月版將使用更大的服務艙，容納更多的推進劑，從而滿足載人登月任務的需求。
不過當下中國火箭運載能力依舊有限，遠未能夠將 20 噸的飛船送至月球軌道，在現階段，服務於中國空間站建設才是新一代載人飛船的最重要意義。
事實上，在長征五號運載火箭成型、新一代飛船將投入使用的基礎之上，中國空間建設的計劃繼續推進，載人航天事業邁入了最終的空間站建設階段。
中國空間站計劃
中國的載人空間站工程正式啟動於 2010 年，最終目標是在低地球軌道建設一個常駐的大型空間站。
作為空間站計劃的早期階段，中國分別在 2011 年和 2016 年發射了試驗型空間站天宮一號和天宮二號。
圖 | 中國載人空間站效果圖
與這兩者相比，將要正式投入使用、供宇航員常駐的天宮空間站的塊頭當然更大，它包括“天和”核心艙，“問天”實驗艙 I 和“夢天”實驗艙 II，採用對稱 T 形構型，空間站本體設計達 60 多噸。
整個空間站額定乘員 3 人，乘員輪換期間短期可達 6 人，具備 10 多噸載荷設備的安裝和支持能力。
圖 | 空間站組裝過程
由於“天和”“問天”和“夢天”的單個重量都超過了 20 噸，因此只有具備了 20 噸以上運載能力的火箭，才有能力將空間站“搬上軌道”；此外，空間站在運行期間也需要大運載能力的貨運飛船來回運輸大量物資。這也是新一代飛船的使命所在。
而在長征五號之前，中國的火箭運載能力只有 10 噸左右。因此“胖 5”火箭的投入使用就直接決定了空間站的建設任務能否順利推進。
根據目前計劃，中國將在 2021 年發射空間站的“天和”核心艙，承擔發射任務的自然是長征五號火箭，而最終將空間站組建完成的時間則在 2021 年至 2023 年之間。
開啟中國航天黃金年
不管是中國還是世界，2020 年都是航天領域的黃金一年。其中每兩年多出現一次的火星探測窗口將在今年年中開啟，中國和美國都已計劃向火星發射探測器。在載人方面，美國將藉助 SpaceX 之力，重啟載人發射任務；而對中國航天來說，隨著長征五號火箭的正式投入使用，包括空間站建設、火星任務和嫦娥探月工程也將在今年逐漸開展，而今天的發射也正式拉開了中國航天關鍵一年的序幕。
一、火星計劃
中國在火星探索上的首次嘗試是在 2011 年，當年中國與俄羅斯、歐洲在火星探索領域開展了國際性合作，中國開發的“螢火一號”火星探測器搭載在俄羅斯的福布斯-土壤探測器當中，計劃一同前往火星，進行環繞探測任務。
當時由於時間緊張、資金有限、沒有經驗等諸多制約因素，中國才選擇將“螢火一號”搭載在俄羅斯火箭上發射，避免了一系列的技術問題。
與此同時，由於火星距離地球遙遠，當時中國自有的深空測控網無法完成對“螢火一號”的測控，因此在測控方面也與俄羅斯和歐洲航天局合作完成。
但遺憾的是，由於後續俄方的探測器在與火箭分離後未能成功變軌，“螢火一號”和福布斯－土壤探測器最終未能脫離地球軌道，於次年 1 月在太平洋墜毀。
圖 | 火星著陸器效果圖
2016 年，中國正式啟動自己的火星探測計劃。而 2020 年的時間窗口將是進行探測任務的絕佳時間點。從位置和距離來看，每隔 26 個月的時間，火星就會到達距離地球最近的地方，這也就成為了火星探測的時間窗口，時間約為一個月。因此，錯過了一個時間窗口就需要再等上兩年多。
中國火星探測計劃原計劃分為“繞”“落”“巡”“回”四個階段。“螢火一號”來完成“繞”步任務，“螢火二號”來完成“落”步任務。
在“螢火一號”未能成功前往火星的情況下，“螢火二號”就直接承擔了“繞”“落”“巡”三個步驟的任務。因此，“螢火二號”火星探測器包括了軌道器、著陸器、巡視器三個部分。且在運載器上，中國也將選擇國產的火箭——長征五號。
圖 | 2016 年發佈的火星探測器飛行效果圖（來源：中國探月與深空探測網）
2019 年 11 月，在位於河北懷來的地外天體著陸綜合試驗場，中國火星探測任務首次公開亮相，同時現場成功進行了首次火星探測任務著陸器懸停避障試驗，該試驗模擬了著陸器在火星環境下懸停、避障、緩速下降的過程。這是中國火星探測任務首次公開亮相。
圖 | 火星車與著陸器效果圖
中國火星探測任務計劃在 2020 年下半年發射火星探測器，預計經過 10 個月的飛行，2021 年到達火星，著陸火星表面並進行巡視探測。
人類對火星的探測任務起始於 20 世紀 60 年代，截至目前共實施了 44 次活動，其中美國和蘇聯/俄羅斯進行了絕大多數的探測任務。探測方式主要包括“繞”“落”“巡”三種。但在一次任務中就完成環繞火星飛行、火星軟著陸以及火星表面巡視，這在世界航天史上確實是絕無僅有的一次嘗試。
二、探月工程
2003 年，中國探月工程（也稱嫦娥工程）正式開啟，並將其分為“繞”“落”“回”三個階段。2007 年開始，我國先後發射了嫦娥一號、二號，完成了繞月飛行以及月球硬著陸，對月球進行了探測。
第二階段“落”月的工作由嫦娥三號、四號探測器完成，與這兩個探測器一同前往的就是玉兔號、玉兔二號月球車。其中嫦娥三號探測器於 2013 年 12 月到達月球，開展了月面巡視勘察，獲得了大量工程和科學數據。嫦娥四號則在 2019 年 1 月到達月球，完成了世界首次實現月球背面軟著陸和巡視勘察。
圖 | “玉兔二號”月球車拍攝的嫦娥四號著陸器照片（來源：CNSA / DOUG ELLISON）
在完成了“繞”“落”之後，下一步就是進行難度更大的“回”，也就是探月計劃的三期工程：發射月球自動採樣返回器，降落到月球表面後，機械手將採集月球土壤和岩石樣品送上返回器，返回器再將月球樣品帶回地球。
圖 |“玉兔二號”拍攝的月球表面景觀（來源：CNSA / DOUG ELLISON）
相比此前的探月任務，承擔這一任務的嫦娥五號不僅要實現環繞、軟著陸，還需要在月球表面自動採樣後，從月球表面起飛，與月球軌道上的軌道器對接後再返回地球。而上一次完成如此複雜探月任務的，已經是 40 多年前進行的著名的“阿波羅計劃”。
需要承擔繞、落、採、回的嫦娥五號包括了軌道器、返回器、上升器和著陸器，讓整個嫦娥五號探測器重量達到了 8.2 噸。
圖 | 最初探月工程計劃 2017 年發射嫦娥五號
將這個 8.2 噸的大塊頭送上月球，自然也需要一支重量級的火箭。此前嫦娥五號計劃在 2017 年進行，而當年 7 月，長征五號發射失敗讓嫦娥五號只能無奈在地面上繼續等待。
今天發射任務成功後，長征五號家族火箭已經連續在正式任務中表現正常，逐漸走出 2017 年的失敗陰霾。目前嫦娥五號計劃在 2020 年底正式啟動，前往月球並收集表面的岩石、土壤返回地球，若任務順利，這也將成為 1976 年以來，人類又一次將月球樣本帶回地球。
