火箭：我要飞……得更高
星球研究所2020-04-24 11:50
↑一群国家地理控，专注于探索极致世界
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@Brucke-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.
星球研究所
一群国家地理控，专注于探索极致世界
举报/反馈
0
0
收藏
分享
