| 火箭：我要飞……………………………得更高！中国航天火箭回顾 |
| 送交者: 2020年04月25日02:29:08 于 [世界游戏论坛] 发送悄悄话 |
|
|
火箭：我要飞……………………………得更高！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. 免责声明 |
|
|
 |
 |
| 实用资讯 | |
|
|
| 一周点击热帖 | 更多>> |
| 一周回复热帖 |
| 历史上的今天：回复热帖 |
| 2019: | 张树彬：尼泊尔总统首次正式访华与中尼 | |
| 2019: | 乒赛热身时忘穿裙子引发关注，丁宁：早 | |
| 2017: | 解放军报：火箭军某旅紧急拉动快速形成 | |
| 2017: | 数千名战乱国家民众来中国生活 浙江义乌 | |