本文經微信公眾號“星球研究所”授權轉載
文中內容不代表東亞評論觀點和立場
飛天之路
註定是坎坷的
1996年2月15日
長征三號乙運載火箭
在萬眾期待下首次出征
然而火箭起飛不到2秒
卻突然偏離發射方向
(長征三號乙首發,箭體姿態出現異常,圖片來源@Internet Archive)
此後短短22秒內
火箭頭部下墜、徑直撞向山坡
最終在沖天的火光中
粉身碎骨、灰飛煙滅
這是中國運載火箭
第9次發射失敗
(長征三號乙首發失利,墜毀於距發射場1.85千米外的山坡,圖片來源@Internet Archive)
20餘年後
2020年4月9日
已連續成功發射26次的長征三號乙
又因火箭第三級工作異常而墜落解體
這是中國運載火箭
第22次發射失敗
截至目前
中國航天史上
共計有22次發射失敗
但與此同時
發射成功的次數達到
334次
(請橫屏觀看,長征七號首飛,這是中國“長征”系列運載火箭第222次發射成功;另:上文中僅將航天器到達目標軌道視作成功,攝影師@苟秉宸)
是的
失敗是沉痛的
但科學的高峰
卻永遠是咬著牙、含著淚
才能攀上的
(下文引自“中國航天之父”錢學森)
正確的結果,是從大量錯誤中得出來的。
也正因如此
50年前
我國成功發射的第一顆人造衛星
只有“微小”的0.178噸
50年後
一代代中國運載火箭
載著
北斗、風雲、高分、鵲橋、尖兵
實踐、長空、烽火、海洋、神通
探測、前哨、資源、鑫諾、天鏈
中星、天拓、天繪、珞珈、雲海
載著
神舟、天舟、嫦娥、天宮
一次次擺脫地心引力
奔向星辰大海
(請橫屏觀看,中國“長征”系列運載火箭主要型號型譜,製圖@陳隨/星球研究所)
這是一條怎樣的升級之路?
未來又將如何呢?
| 小型火箭的誕生 |
1970年1月30日
我國第一顆中遠程彈道導彈
東風四號
試飛成功
它利用燃燒產生的
噴射氣流提供推力
推進劑則是
“燃料+氧化劑”的組合
可以徹底擺脫燃燒對氧氣的依賴
即便在無氧的太空環境
也能自由飛行
它的箭體
由下至上分為兩級
第一級工作結束後便在高空分離
再由第二級重新點火、接力推進
這便是
中國運載火箭的雛形
(第一級箭體分離場景,右側白色軌跡為繼續飛行的第二級箭體;此為中國民營火箭雙曲線一號發射,供示意,攝影師@餘明)
然而
要實現環繞地球飛行
衛星的飛行高度
一般不能低於180千米
相應的入軌速度也需接近7.9千米/秒
否則將在地球引力和大氣阻力的作用下
墜入大氣層中
(上文中的7.9千米/秒,即為第一宇宙速度,製圖@陳思琦&陳隨/星球研究所)
遺憾的是
這樣的速度和高度
令東風四號望塵莫及
於是工程師們
在原有箭體上繼續加級
將其升級為三級火箭
箭體頂部的導彈彈頭
則被衛星取代
並由整流罩加以保護
避免遭受高速氣流的沖刷
(火箭整流罩,用爆炸螺栓連接,螺栓起爆即可解鎖分離、拋掉整流罩;下圖為長征七號整流罩,作示意,攝影師@王若維)
第一級與第二級之間
由金屬桿相連
連接處如同被鏤空
以便二級發動機點火時
噴射的火焰能經此儘快排出
(兩級間的“鏤空”結構即為斜拉金屬桿;下圖為長征四號丙的外形,供示意,剝落的是泡沫保溫層,攝影師@韓超)
經過一系列優化
東風四號導彈搖身一變
中國的第一枚運載火箭
長征一號(CZ-1)
就此誕生
(長征一號火箭結構示意,製圖@陳隨/星球研究所)
它直徑2.25米、高約30米
能將不超過
0.3噸
的載荷
送至高度約440千米的近地軌道
例如中國第一顆人造衛星
東方紅1號
自此
中國成為繼蘇、美、法、日之後
第五個獨立發射人造衛星的國家
中國航天的近地衛星時代
也就此開啟
(東方紅1號,攝影師@Brücke-Osteuropa)
然而
0.3噸的載荷
遠遠滿足不了一般衛星的需求
運載火箭勢必再次升級
推進劑上
人們改用全新的
“燃料+氧化劑”組合
“偏二甲肼+四氧化二氮”
它們均為常溫液體
不僅具有更高的推進效率
且一旦相遇便可立即燃燒
點火簡單、維護方便
(此處的推進效率是指“比推力”,即單位時間內消耗單位推進劑產生的推力,也稱“比衝”,下文同;四氧化二氮分解可產生棕紅色的二氧化氮,因此火箭起飛時可見棕紅色的濃煙,攝影師@阿毛)
結構上
火箭直徑加大至
我國鐵路運輸的極限尺寸
3.35米
由於直徑更大、推進劑更強
即便重回兩級火箭
也能達到入軌速度
(載著火箭部件前往西昌發射中心的火車,攝影師@Donald)
升級後的新一代火箭
其一
得名風暴一號(FB-1)
它令我國首次能夠
發射超過1噸的衛星
也首次實現“一箭三星”
(停放在酒泉衛星發射中心的風暴一號模型,攝影師@苟秉宸)
其二
便是長征二號(CZ-2)
其近地軌道載荷約
1.8噸
成功發射了
我國第一顆返回式衛星
可謂走出了載人航天的第一步
(注意:此處的“近地軌道”是指高度約200-400千米的軌道,後文如無特別說明均採用此範圍;下圖為我國發射並回收的第一顆返回式衛星尖兵一號,圖片來源@VCG)
然而此時
中國運載火箭的近地軌道載荷
仍未突破2噸
屬於小型火箭範疇
更大的衛星、更遠的星空
載人航天的期盼、空間站的夢想
都將交給下一代火箭
成為它們光榮的使命
| 中型火箭的使命 |
中型火箭的近地軌道載荷
在2-20噸之間
在長征二號基礎上改進的
長征二號丙(CZ-2C)
長征二號丁(CZ-2D)
比原火箭高出近10米
能攜帶更多燃料
加之材料和發動機的優化
其近地軌道載荷可增至約
4噸
一舉步入中型火箭行列
成為發射返回式衛星的主力軍之一
(長征二號丁也沿用了部分長征四號的技術,下圖為長征二號丁發射升空,攝影師@曾誠宇)
然而
這類衛星常工作在
高度約幾百千米的近地軌道
相較之下
氣象衛星軌道高度約1000千米
導航衛星可達到約20000千米
還有一類軌道則更為遙遠
其高度約36000千米
且軌道平面與赤道平面重合
運行在這裡的衛星
能與地面始終保持相對靜止
這便是獨一無二的地球靜止軌道
在理想狀態下
這裡只需部署三顆衛星
便可基本覆蓋全球通信
(不同高度的航天器軌道示意,製圖@陳思琦&陳隨/星球研究所)
但要抵達地球靜止軌道
卻並非易事
衛星須用“多級跳”的方式
先以約10千米/秒的速度
進入一個過渡軌道
再通過精確的變軌
在目標軌道的指定位置上入軌定位
這意味著
我們還需要
飛得更遠、更高、更精準的火箭
(上文中的過渡軌道即為“地球同步轉移軌道”,下圖是地球靜止軌道衛星發射過程示意,製圖@陳思琦&陳隨/星球研究所)
為此
工程師們首先嚐試的
依舊是
縱向加級
但此時人們卻面臨著
兩種艱難的選擇
其一
是以長征二號丙為基礎
在第三級使用全新的低溫推進劑
“液氫+液氧”
替換傳統的常溫推進劑
新推進劑的推進效率再次增強
但發動機技術難度更高
液氫溫度低於-253℃又易燃易爆
因此從發動機技術
到燃料的貯存、運輸、加註
一切都要從零開始
(長征三號系列火箭在總裝廠房調試,可見被拆開的燃料箱,攝影師@宿東)
其二
則是在風暴一號的基礎上
第三級依舊使用技術成熟的
傳統常溫推進劑
風險更低、把握更大
一面是高技術
一面是低風險
這個選擇並不好做
人們各執己見、爭論不休
直到中國通信衛星總工程師
任新民站出來說
(引自任新民,參考中國運載火箭技術研究院《天穹神箭》)
中國要想在本世紀末成為航天大國,甩掉落後的帽子,眼睛必須瞄準當代火箭發動機的高峰……航天事業本身就是個大風險,如果怕失敗、怕風險,還搞什麼航天!
此一言擲地有聲
而自此約10年後
成功扛起我國
地球靜止軌道衛星發射大旗的
便是採取第一套方案
第三級使用“液氫+液氧”推進劑的
長征三號(CZ-3)
(長征二號丙和長征三號的結構對比,製圖@陳隨/星球研究所)
其第三級的推進劑貯箱
防凍、防滲、防潮、絕熱
發動機則能進行二次點火
令衛星再次加速
進入過渡軌道
而進一步改進誕生的
長征三號甲(CZ-3A)
更首次將我國衛星
送入前往月球的必經之路
地月轉移軌道
從此在中國航天史上
開啟了嫦娥時代
(長征三號甲發射“嫦娥一號”探月衛星,拍攝於2007年10月24日,攝影師@雨水)
與此同時
仍使用傳統常溫推進劑的
另一套加級方案
也在同步進行
這便是
長征四號系列
(CZ-4A、CZ-4B、CZ-4C)
它們是發射太陽同步軌道衛星的主力軍
(長征四號乙,攝影師@史悅)
這又是一類特殊的軌道
其軌道平面可繞地軸旋轉
且旋轉週期與地球公轉週期一致
因此每當衛星經過同一地點上空時
總能保持相同的日照條件
極其適合氣象、地面觀測
但這種軌道的傾角
往往超過90°
需要火箭提供大量推力
用於改變飛行方向
(太陽同步軌道示意,以風雲一號衛星軌道為例,製圖@陳思琦&陳隨/星球研究所)
因此當1988年9月7日
長征四號甲載著第一顆
風雲一號氣象衛星
成功進入高約900公里、傾角99°的
太陽同步軌道時
便受到了國內外的高度關注
我國依靠國外氣象衛星數據的時代
也正式宣告終結
(長征四號乙發射部署在太陽同步軌道的中巴地球資源衛星,攝影師@阿毛)
至此
我國中型運載火箭的
近地軌道載荷
已達到約
6噸
然而
若要在未來實現載人航天
載荷需求至少將有近8噸
但此時單芯級火箭的起飛推力
幾乎是加無可加
這該如何是好呢?
(僅有一根芯級的便是單芯級火箭,如同“一柱擎天”,下圖為準備發射的長征三號甲,圖片來源@VCG)
答案便是
橫向捆綁
例如
以長征二號丙為基礎
縱向上適當加長
以增加推進劑儲量
橫向上
則“捆綁”4個較小的火箭
每個高15.3米、直徑2.25米
是為“助推器”
起飛時
4箇中間芯級發動機
4個助推器發動機
共8個發動機共同點火
場面蔚為壯觀
(捆綁4個助推器的火箭發動機;下圖為長征三號乙,供示意,攝影師@史悅)
這便是
最早登場的捆綁式火箭
長征二號捆(CZ-2E)
其起飛推力可達到長征二號丙的2倍
近地軌道載荷達到約
9.5噸
而它從開始研製到首次發射
僅僅只用了18個月
(長征二號丙和長征二號捆的結構對比,製圖@陳隨/星球研究所)
不過
真正實現了
中國載人航天夢想的
則是大名鼎鼎的
長征二號F(CZ-2F)
(長征二號F轉運至發射塔,採用垂直總裝、垂直測試、垂直運輸,攝影師@孫海英)
它的形態十分獨特
相比長征二號捆
在整流罩頂部
增加了一頂尖尖的“帽子”
人稱“逃逸塔”
(長征二號F逃逸系統結構示意,製圖@陳隨/星球研究所)
這是一個安全保障裝置
從起飛前15分鐘
至起飛後的120秒內
一旦火箭出現意外
逃逸發動機便可立即點火
帶著飛船的軌道艙與返回艙
迅速與箭體分離
幫助宇航員脫離危險
堪稱是一座“生命之塔”
(長征二號F逃逸塔,此發火箭將搭載神舟七號載人飛船,圖片來源@VCG)
包括逃逸塔在內的救生系統
加上主控制系統的備份
以及故障自動檢測系統
三管齊下
令長征二號F的設計可靠性
從長征二號捆的0.91
增長至0.97
(最高為1)
而它也不負眾望
在2003年10月15日
將中國第一位航天員楊利偉
安全送入太空
令我國成為全球第三個
成功發射載人飛船的國家
(神舟五號返回艙成功返回,圖片來源@央視網)
在服役的21年裡
長征二號F可謂戰功赫赫
從神舟1號-11號
到天宮1號-2號
共計發射
5次無人飛船、6次載人飛船
以及2次空間實驗室
至今仍保持著100%的發射成功率
是名副其實的
"神箭”
(長征二號F“換帽子”,天宮一號船箭組合體對接,箭體上可見“神箭”局部字樣,攝影師@宿東)
長征二號系列
均為兩級火箭
而如若在長征三號甲的基礎上
加長、捆綁
便可形成三級捆綁火箭
長征三號乙(CZ-3B)
長征三號丙(CZ-3C)
(長征三號甲和長征三號乙、長征三號丙的結構對比,製圖@陳隨/星球研究所)
尤其是長征三號乙
作為捆綁4個助推器的三級火箭
在近20年間
都是中國運載火箭的“頂配”
其近地軌道載荷首次突破10噸大關
達到約
11.5噸
幾乎是以一箭之力
成為我國中高軌道發射的絕對主力
(2019年9月23日,長征三號乙搭載第47、48顆北斗衛星,前往高度約20000千米的軌道,攝影師@史悅)
更成功發射嫦娥三號、嫦娥四號
築就了中國的登月天梯
(長征三號乙成功發射“嫦娥四號”月球探測器,將代表全人類首次登陸月球背面,攝影師@蔣濤)
然而
正所謂
(引自《神箭凌霄:長征系列火箭的發展歷程》)
當中國的運載火箭從連續成功的驚喜中醒來時,
它面對的將是4個強大的對手。
到了21世紀初
美國、歐洲、俄羅斯的
商用大型火箭紛紛亮相
有的運載能力可達到
長征三號乙的2倍之多
且更加安全清潔、部署迅速、成本低廉
相較之下
當時的中國運載火箭
幾乎方方面面都相形見絀
(長征三號乙和同時期國外大型火箭的對比,製圖@陳隨/星球研究所)
一次
全方位升級
迫在眉睫
推進劑上
使用了近40年的
“偏二甲肼+四氧化二氮”
將被逐步捨棄
轉而採用“煤油+液氧“的組合
其燃燒後產生二氧化碳和水
不僅全程無毒無汙染
且成本大幅降低
發動機
也隨著推進劑的改變而升級
推進效率可再提高約15%
助推器
則高達驚人的近27米
是此前所有型號助推器的近2倍
這便是
長征七號(CZ-7)
(上文中的“推進效率”是指海平面比推力;下圖為長征三號乙和長征七號的結構對比,製圖@陳隨/星球研究所)
它的近地軌道載荷約
14噸
足以發射重約13噸的
天舟一號貨運飛船
將在中國的“空間站時代”中
扮演至關重要的角色
未來
它還將逐步接替
長征二號、三號、四號系列的使命
承擔我國約80%的發射任務
成為支撐中國航天夢想的
中流砥柱
(長征七號轉運途中,下方的人和車看起來十分渺小;長征七號的設計可靠性達0.98,比長征二號F還要高,攝影師@宿東)
至此
我國的中型運載火箭
已全部登場
若要發射超過20噸的近地軌道載荷
就必須指望下一代選手了
| 大型火箭的博弈|
2014年10月
海南文昌衛星發射中心建成
其緯度更低、更接近赤道
可充分利用地球自轉速度
提高火箭的運載效率
且在發射地球靜止軌道衛星時
還可減少火箭變軌和飛行距離
與酒泉發射場相比
衛星入軌定點的質量
可提高16.3%-18.5%
(上文數據源自中國運載火箭技術研究院《天穹神箭》;下圖為中國衛星發射場分佈圖,製圖@陳思琦&陳隨/星球研究所)
另一方面
它是中國首個沿海發射基地
東南方向1000千米內幾乎都是海洋
保證了殘骸墜落的安全性
(海南文昌發射場,攝影師@陳肖)
但更重要的是
自此以後
火箭部件可通過海運運輸
徹底擺脫3.35米直徑的
鐵路運輸限制
(遠望二十一號火箭運輸船正在裝載長征五號部件,攝影師@宿東)
至此萬事俱備
中國第一枚大型運載火箭
長征五號(CZ-5)
橫空出世
作為兩級火箭
它卻高達近57米
相當於一座近20層的高樓
幾乎與現有的三級火箭不相上下
且中間芯級直徑由3.35米增加至5米
4個助推器直徑由2.25米增至3.35米
是名副其實的“龐然大物”
人送外號“胖五”
(長征七號和長征五號的結構對比,製圖@陳隨/星球研究所)
此外
相較於長征七號
其中間芯級完全改用
“液氫+液氧”的低溫推進劑
並配置全新的發動機
助推器的發動機數量
也翻倍至8個之多
起飛時
共計10個發動機將同時點火噴射
起飛推力增加約50%
近地軌道載荷可達到約
25噸
(長征五號發射升空,因為中間芯級的兩級均採用低溫氫氧推進劑,亦被稱為“冰箭”,其尾焰呈藍色,攝影師@陳肖)
這是中國迄今為止
起飛質量最大、芯級直徑最粗
運載能力最強的火箭
僅次於
美國獵鷹重型運載火箭
德爾塔-4重型運載火箭
在世界現役火箭陣營中位列第三
(身形巨大的長征五號,攝影師@陳肖)
2016年11月3日
第一枚長征五號
在萬眾矚目下首飛成功
並首次利用運載火箭
將衛星直接送入地球靜止軌道
而在未來的30年
甚至更長的歲月裡
它還將見證
月球探測、火星探測
太陽軌道太空望遠鏡等深空探測任務中
更多歷史性的時刻
(2016年11月3日20時43分13.998秒,長征五號首次發射,攝影師@CNAurora)
但超級火箭的夢想
並未在此終結
縱觀世界航天
有史以來運載能力最強的火箭
是美國的土星5號
它的近地軌道載荷高達140噸
從1967年起
便為阿波羅計劃保駕護航
其記錄至今無人超越
(1967年11月9日,土星5號首次發射,搭載著阿波羅4號,現已退役,圖片來源@NASA)
而經過數十年馬不停蹄地追趕
預計在2028-2030年
中國的重型火箭
終於將應運而生
長征九號
它的總長將超過百米
芯級直徑則接近10米
是“胖五”的2倍
近地軌道載荷更將突破
100噸
即便只在腦海中想象
也足以震撼人心
屆時
它將扛起
中國載人登月
火星取樣返回
甚至太陽系的外行星探測等
更加艱鉅的任務
| 漫漫征途|
50年來
中國運載火箭隊伍日益壯大
大火箭規模蒸蒸日上
小火箭同樣百花齊放
長征六號(CZ-6)
可利用簡易發射架快速發射
曾創造“一箭20星”的發射記錄
(長征六號使用簡易發射架發射成功,攝影師@李崗)
長征十一號(CZ-11)
長度減小至約20米
直徑減小至2米
可直接在海上平臺進行發射
(長征十一號海上發射,圖片來源@VCG)
快舟一號
則更為袖珍
其直徑僅有1.4米
兩次發射間隔最小僅6小時
可快速響應、靈活部署
(徑直升空的快舟1號,圖片來源@VCG)
此外
眾多民營火箭日趨成熟
可重複使用的火箭也在研製當中
(中國民營火箭雙曲線一號起豎過程,攝影師@陳肖)
總而言之
以“長征”系列為代表
中國運載火箭的能力將日益全面
以覆蓋不同類型的軌道
去往月球、奔向火星
直至更遠的星際
儘管在每一次任務中
它們只是作為故事的開頭
從不曾參與故事的結局
一旦成功分離後
它們便功成身退
或消逝在大氣之中
(長征七號的助推器在結束工作後分離墜落,攝影師@陳肖)
或墜落於荒野大海
(長征二號丁墜落在荒野中的箭體,攝影師@在遠方的阿倫)
只留下衛星和飛船
繼續奔向遙遠的星際
正所謂
(引自李白《俠客行》)
事了拂衣去,深藏身與名
但這就是它們的使命
就如同科學的高峰
也是經過一代又一代人的接力
才能夠翻越的
待到
北斗列陣、神舟飛馳
嫦娥奔月、火星著陸
天舟往返、天宮建成
……
便是這條飛天之路
最為榮耀的時刻
(長征七號升空,映照在天空海面的火光耀眼奪目,攝影師@陳肖)
創作團隊
撰文:楨公子、艾藍星
圖片:任炳旭
設計:陳隨
地圖:陳思琦
審校:張照、雲舞空城
專家審核
中國運載火箭技術研究院 張博戎 博士
【致謝】本文創作中得到了攝影師阿毛的大力支持,特此感謝。
【參考文獻】
[1]陳閩慷, 茹家欣. 神箭凌霄:長征系列火箭的發展歷程[M]. 上海科技教育出版社, 2007.
[2]中國運載火箭技術研究院. 天穹神箭: 長征火箭開闢通天之路[M]. 中國宇航出版社, 2008.
[3]李成智. 中國航天技術發展史稿[M]. 遼寧教育出版社, 2006.
[4]《世界航天運載器大全》編委會. 世界航天運載器大全[M]. 中國宇航出版社, 1996.
[5]冉隆燧. 航天工程設計實踐[M]. 中國宇航出版社, 2013.
[6]劉家騑, 李曉敏, 郭桂萍. 航天技術概論[M]. 北京航空航天大學出版社, 2014.
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END