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“胖五”復(fù)飛，全村的希望！

12月27日20時(shí)45分，長征五號(hào)遙三運(yùn)載火箭在中國文昌航天發(fā)射場點(diǎn)火升空，2000多秒后將實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，發(fā)射飛行試驗(yàn)取得圓滿成功。

圖源: 我們的太空 史悅 呂炳宏

2019年是中國航天的“超級(jí)大年”，實(shí)現(xiàn)了一系列舉世矚目的成就：嫦娥四號(hào)和玉兔二號(hào)實(shí)現(xiàn)人類探測(cè)器首次著陸月球背面；玉兔二號(hào)成為人類史上工作時(shí)間最長月球車；長征十一號(hào)火箭實(shí)現(xiàn)中國首次海上平臺(tái)發(fā)射；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完成最核心的中圓軌道和同步傾斜軌道衛(wèi)星部署；兩枚快舟1A火箭實(shí)現(xiàn)同一發(fā)射場間隔6小時(shí)快速發(fā)射；三款商業(yè)火箭（捷龍，雙曲線一號(hào)，零壹OS-1）首飛；年度火箭發(fā)射34次（美國27次），繼2018年后再次成為世界第一，等等。

在這些輝煌之外，還有一個(gè)“全村人的希望”，那就是大家期待已久的長征五號(hào)的成功復(fù)飛。

為什么需要長征五號(hào)火箭

長征系列火箭是我國航天技術(shù)發(fā)展的絕對(duì)主力支撐，承擔(dān)了我國96.4%的發(fā)射任務(wù)，發(fā)射航天器總質(zhì)量占中國發(fā)射總質(zhì)量的99.2%[1]，重要性不言而喻。

長征火箭家族部分主要成員 （圖片來源：GW_Simulations）

在2015年之前，長征系列火箭的主力是長征二號(hào)（2C/2D/2F）、長征三號(hào)（3A/3B/3C）和長征四號(hào)（4B/4C）的多個(gè)型號(hào)。可是隨著中國航天的快速發(fā)展，這些火箭開始逐漸“力不從心”，其中最重要的問題就是運(yùn)力不足。

例如，在長征五號(hào)之前，我們近地軌道的最大運(yùn)力是長征二號(hào)F載人航天專用火箭的8.6噸，高軌的地球同步轉(zhuǎn)移軌道的最大運(yùn)力是長征三號(hào)B/E的5.5噸[2]，更遠(yuǎn)的地月轉(zhuǎn)移軌道的最大運(yùn)力也是長征三號(hào)B/E運(yùn)送嫦娥三/四號(hào)任務(wù)時(shí)的3.8噸級(jí)別[3]。

這意味著，更重、更大、更復(fù)雜的航天發(fā)射任務(wù)根本沒法由這些火箭完成。例如，我國規(guī)劃中的天宮空間站幾個(gè)核心艙段每個(gè)重量將在20噸級(jí)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了長征二號(hào)F火箭的運(yùn)力；我國全新超大型衛(wèi)星平臺(tái)東方紅五號(hào)總重量最多可以達(dá)到9噸級(jí)[5]，且它需要被送到距離地面36000千米的軌道，這大幅超過了長征三號(hào)B/E火箭的能力；我國嫦娥工程下一步采樣返回任務(wù)嫦娥五號(hào)重量也將遠(yuǎn)超嫦娥三/四號(hào)，更何況還有規(guī)劃中的火星探測(cè)等深空探測(cè)任務(wù)。

中國有句很經(jīng)典的俗語：“沒有金剛鉆，別攬瓷器活”。中國這些“重量級(jí)”航天任務(wù)，都亟需一枚通用化、系列化、組合化的大型運(yùn)載火箭。這，就是長征五號(hào)的使命和定位。

長征五號(hào)轉(zhuǎn)場中 （圖片來源：航天科技集團(tuán)）

長征五號(hào)的近地軌道運(yùn)力達(dá)到25噸，同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力達(dá)到14噸，地月轉(zhuǎn)移軌道達(dá)到8噸級(jí)，能執(zhí)行多種航天發(fā)射任務(wù)，能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此前的長征火箭。

造出長征五號(hào)火箭，有多難？

長征五號(hào)這種級(jí)別的火箭研制在世界范圍內(nèi)都是個(gè)極大的挑戰(zhàn)，對(duì)中國而言，亦是如此。但作為中國航天史上具有劃時(shí)代意義重要性的火箭，中國航天人必須迎難而上，為此，需要實(shí)現(xiàn)一系列高難度重大創(chuàng)新。

1.新火箭推進(jìn)劑

傳統(tǒng)的長征家族火箭，包括長征二、三、四號(hào)火箭都使用四氧化二氮/偏二甲肼推進(jìn)劑組合，它們毒性大、發(fā)射準(zhǔn)備周期長、價(jià)格昂貴、比沖偏低。比沖是衡量單位質(zhì)量推進(jìn)劑產(chǎn)生沖量的指標(biāo)，一般來說，這個(gè)數(shù)據(jù)越大意味著火箭推進(jìn)能力越強(qiáng)。相比較而言，液氧煤油、液氧液氫推進(jìn)劑更優(yōu)，也是世界主流大型火箭的選擇。

因而，長征五號(hào)一大變化是它的核心推進(jìn)劑是由液氧煤油（助推器）和液氧液氫（核心芯一級(jí)、二級(jí)）組合使用。由于液氧液氫的穩(wěn)定儲(chǔ)存溫度極低，分別為零下183和零下253攝氏度，長征五號(hào)也因而得名為“冰箭”。

2.新火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

更新了推進(jìn)劑，就意味著發(fā)動(dòng)機(jī)也要更新。而一枚火箭發(fā)動(dòng)機(jī)要同時(shí)做到推力大、爆發(fā)力強(qiáng)、材料耐熱也耐冷（從極低溫到數(shù)千攝氏度的燃燒溫度）、結(jié)構(gòu)強(qiáng)、控制精細(xì)、穩(wěn)定性強(qiáng)、質(zhì)量輕等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，談何容易？

這也是發(fā)動(dòng)機(jī)被叫做“火箭心臟”的原因，它的研發(fā)難度直接導(dǎo)致全世界能做出大型火箭的國家屈指可數(shù)。

展覽中的YF-100K發(fā)動(dòng)機(jī) （開源圖片）

而為了長征五號(hào)，需要同時(shí)研發(fā)出YF-77（液氧液氫推進(jìn)劑，用于核心級(jí)）、YF-100（液氧煤油推進(jìn)劑，用于助推器）和YF-75D（液氧液氫推進(jìn)劑，用于二級(jí)）三型發(fā)動(dòng)機(jī)，難度可想而知。

3.新火箭上面級(jí)

長征五號(hào)定位為一種多用途系列火箭，在執(zhí)行高軌和深空探測(cè)任務(wù)時(shí)，還需要攜帶第三級(jí)、或者又可以叫做上面級(jí)，它類似太空擺渡車的效果。為長征五號(hào)配套的上面級(jí)是遠(yuǎn)征二號(hào)。

在航天領(lǐng)域，一箭N星“撒土豆”并不稀奇，因?yàn)橹亓績H幾十克的皮衛(wèi)星也叫衛(wèi)星，但如果一次性發(fā)射多個(gè)大質(zhì)量衛(wèi)星進(jìn)入不同軌道則非常復(fù)雜，對(duì)上面級(jí)的要求極高。例如，北斗建設(shè)過程中，就數(shù)次依靠遠(yuǎn)征一號(hào)實(shí)現(xiàn)一箭雙星任務(wù)，節(jié)省發(fā)射次數(shù)。而遠(yuǎn)征二號(hào)實(shí)現(xiàn)了中國航天上面級(jí)的新一個(gè)重大突破，首次的雙發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)也讓它擁有了極強(qiáng)的機(jī)動(dòng)變軌能力，比遠(yuǎn)征一號(hào)更強(qiáng)，能夠助力航天器進(jìn)入更遠(yuǎn)、更高、更復(fù)雜的軌道。

4.新殼體、新結(jié)構(gòu)、新模塊化組合

航天領(lǐng)域有個(gè)著名但又不失真的“笑話”——“馬屁股決定了運(yùn)載火箭的運(yùn)力”，大意是：當(dāng)初的鐵軌設(shè)計(jì)參照了馬屁股并排時(shí)的寬度，鐵軌寬度決定了車廂設(shè)計(jì)寬度，車廂設(shè)計(jì)寬度決定了隧道設(shè)計(jì)寬度，隧道設(shè)計(jì)寬度決定了最大允許通過火箭箭體直徑，火箭尺寸自然決定了最后的火箭運(yùn)力。

最終的結(jié)果是，此前主力長征火箭的最大殼體直徑一般為3.35米，再寬就無法運(yùn)到三大發(fā)射中心（酒泉、太原和西昌）。

大國工匠：高鳳林，圖源：CCTV

而為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)力提升的需求，長征五號(hào)要求做到5米直徑的箭體，第一級(jí)外還捆綁了4個(gè)3.35米的助推器，總質(zhì)量飆升到了869噸級(jí)別，遠(yuǎn)超長征三號(hào)B系列的426-459噸級(jí)別[2]，它成了名副其實(shí)的“胖五”，這意味著嶄新的殼體和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。關(guān)于它的難度，推薦讀者們觀看著名紀(jì)錄片《大國工匠》，第一集就講述了為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和大型殼體做焊接的大國工匠高鳳林工程師的故事。

此外，長征五號(hào)還實(shí)現(xiàn)了大型火箭的模塊化設(shè)計(jì)理念，火箭級(jí)數(shù)、是否攜帶上面級(jí)、助推器捆綁方案等都可以按照發(fā)射需求變化，從而衍生出一個(gè)適合多種任務(wù)的長五家族。

5.新配套發(fā)射場、火箭運(yùn)輸船、生產(chǎn)基地

但顯然，長征五號(hào)已經(jīng)無法繼續(xù)使用傳統(tǒng)的三大火箭發(fā)射場，需要建設(shè)新的火箭發(fā)射場，這就是位于海南的文昌火箭發(fā)射基地。實(shí)際上，它還有另外兩個(gè)重大好處：周邊都是大洋，火箭殘骸不會(huì)造成任何損失；緯度更低，能更大程度借助地球自轉(zhuǎn)的力量，減少推進(jìn)劑消耗、提升運(yùn)力。

遠(yuǎn)望21和22航天運(yùn)輸船 （圖片來源：央廣網(wǎng)和中國軍網(wǎng)）

為了將長征五號(hào)從海路運(yùn)往文昌，我國還先后服役了兩艘遠(yuǎn)望21/22航天運(yùn)輸船；為將組裝好的火箭轉(zhuǎn)場至發(fā)射架，還需要建造大型特種火箭運(yùn)輸平臺(tái)；長征五號(hào)的生產(chǎn)與組裝都在天津的濱海新區(qū)完成（天津航天長征火箭制造有限公司），這里也將成為中國未來火箭生產(chǎn)體系的靈魂。

這些只是長五相關(guān)的一部分，但已然可以想象每一點(diǎn)背后都有無數(shù)科研人員常年攻克難關(guān)，也需要國家強(qiáng)大的人力物力資源、科研和工程技術(shù)實(shí)力作為后盾，缺一不可。

成功，從來不是那么容易

2016年11月3日，長征五號(hào)遙一火箭成功首飛，舉國歡騰，對(duì)于擁有如此多技術(shù)更新的大型火箭而言，著實(shí)不易。橫向比較，同等級(jí)別的美國德爾塔4-重型、俄羅斯質(zhì)子M、歐洲的阿里安5型火箭，都在試射期間出現(xiàn)過事故。

然而，2017年7月2日，長征五號(hào)遙二火箭發(fā)射任務(wù)在飛行至346秒時(shí)突發(fā)故障。根據(jù)分析仿真計(jì)算及地面試驗(yàn)結(jié)果，故障原因?yàn)樾疽患?jí)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)一分機(jī)渦輪排氣裝置在復(fù)雜力熱環(huán)境下，局部結(jié)構(gòu)發(fā)生異常，發(fā)動(dòng)機(jī)推力瞬時(shí)大幅下降，致使發(fā)射任務(wù)失利[4]。

事后，中國航天開啟了異常艱辛的“歸零”工作，復(fù)現(xiàn)故障。經(jīng)過反復(fù)排查，最終發(fā)現(xiàn)了這個(gè)原因。隨后，改進(jìn)后的芯一級(jí)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)完成多次地面熱試車考核，驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性[4]，才有了今天的長征五號(hào)遙三任務(wù)。

成功從來不是那么隨隨便便，“胖五”的歸來之旅，已經(jīng)經(jīng)歷了900多天的痛苦煎熬。這副重?fù)?dān)，不僅壓在火箭研發(fā)團(tuán)隊(duì)的肩上，更壓在全體中國航天人的肩上。

胖五歸來，中國航天新時(shí)代進(jìn)程中

“胖五”成功歸來，意味著一系列對(duì)中國航天有著深遠(yuǎn)意義的大型任務(wù)可以開始實(shí)施。

本次發(fā)射的實(shí)踐二十號(hào)任務(wù)，是我國首次應(yīng)用的東方紅五號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)是我國純自主設(shè)計(jì)研發(fā)的新一代大型桁架式衛(wèi)星平臺(tái)，全平臺(tái)最大功率最高可達(dá)30千瓦，最大質(zhì)量達(dá)到9噸。由于使用了等離子電推進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)壽命可長達(dá)15年，大大提高了我國超大型衛(wèi)星研究水平，是我國未來20年內(nèi)的核心衛(wèi)星平臺(tái)之一，能使用在通信、遙感等多種衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域[5]。實(shí)踐二十因而成為世界最重最強(qiáng)的高通量通信衛(wèi)星之一，太陽能帆板全部展開后超過40米寬，超過普通客機(jī)翼展，通信能力遠(yuǎn)超中國此前任何一顆通信衛(wèi)星。

中國火星探測(cè)任務(wù)（圖片來源：國家航天局）

020年7月前后，人類迎來又一次探測(cè)火星窗口，中國首個(gè)獨(dú)立自主的火星探測(cè)任務(wù)即將出發(fā)，目標(biāo)是在一次任務(wù)中完成火星“繞、落、巡”的壯舉，長征五號(hào)就是托舉它奔向火星的火箭。

隨后，我國將正式開始嫦娥探月工程“繞、落、回”三步走計(jì)劃的最后一步“回”，嫦娥五號(hào)將搭乘長征五號(hào)擇機(jī)發(fā)射，著陸月球并帶回月球土壤樣本，這也是阿波羅登月時(shí)代結(jié)束50年之際人類再次“觸碰”月球。

在11艘神舟飛船、1艘天舟飛船、2艘天宮空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)結(jié)束后，我國載人航天事業(yè)也將迎來新高度，全面建設(shè)100噸級(jí)別的天宮空間站，實(shí)現(xiàn)多人在軌長時(shí)間駐留太空。在同樣的軌道也將有一個(gè)大型巡天望遠(yuǎn)鏡伴飛，成為中國的“哈勃太空望遠(yuǎn)鏡”。長征五號(hào)（B型）火箭將成為整體建設(shè)過程中最核心的運(yùn)載器具。

中國航天的新時(shí)代已經(jīng)到來。今年是中華人民共和國成立70周年，中國航天也已經(jīng)走過63年?；仡^看，它的每一幕依然激動(dòng)人心。從東方紅一號(hào)到長征五號(hào)，中國航天輝煌成就的背后，不僅有偉大的23位“兩彈一星”元?jiǎng)?，更有一位又一位繼承、堅(jiān)持、發(fā)揚(yáng)著“兩彈一星”精神的平凡航天人。

向他們致敬??！

相關(guān)參考：

【1】航天科技集團(tuán)：http://www.spacechina.com/n25/n148/n2020942/c2614681/content.html

【2】長城工業(yè)集團(tuán)：http://cn.cgwic.com/Launchservice/LM3B.html

【3】人民網(wǎng)：http://scitech.people.com.cn/change-3/

【4】運(yùn)載火箭技術(shù)研究院：http://www.calt.com/n482/n742/c11650/content.html

【5】空間技術(shù)研究院：http://www.cast.cn/Item/Show.asp?m=1&d=2883

出品：科普中國

制作：太空精釀

監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心