長征五號強勢復出！空間站、火星探測、探月取樣…它們都在等它_風聞

12月27日20時45分，長征五號遙三運載火箭在中國文昌航天發射場點火升空，2000多秒後將實踐二十號衞星送入預定軌道，發射飛行試驗取得圓滿成功。

長征五號遙三火箭發射（圖片來源：我們的太空 史悦 呂炳宏）

2019年是中國航天的“超級大年”，實現了一系列舉世矚目的成就：嫦娥四號和玉兔二號實現人類探測器首次着陸月球背面；玉兔二號成為人類史上工作時間最長月球車；長征十一號火箭實現中國首次海上平台發射；北斗衞星導航系統完成最核心的中圓軌道和同步傾斜軌道衞星部署；兩枚快舟1A火箭實現同一發射場間隔6小時快速發射；三款商業火箭（捷龍，雙曲線一號，零壹OS-1）首飛；年度火箭發射34次（美國27次），繼2018年後再次成為世界第一，等等。

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

一、為什麼需要長征五號火箭

長征系列火箭是我國航天技術發展的絕對主力支撐，承擔了我國96.4%的發射任務，發射航天器總質量佔中國發射總質量的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（2C/2D/2F）、長征三號（3A/3B/3C）和長征四號（4B/4C）的多個型號。可是隨着中國航天的快速發展，這些火箭開始逐漸“力不從心”，其中最重要的問題就是運力不足。

例如，在長征五號之前，我們近地軌道的最大運力是長征二號F載人航天專用火箭的8.6噸，高軌的地球同步轉移軌道的最大運力是長征三號B/E的5.5噸[2]，更遠的地月轉移軌道的最大運力也是長征三號B/E運送嫦娥三/四號任務時的3.8噸級別[3]。

**這意味着，更重、更大、更復雜的航天發射任務根本沒法由這些火箭完成。**例如，我國規劃中的天宮空間站幾個核心艙段每個重量將在20噸級，這遠遠超過了長征二號F火箭的運力；我國全新超大型衞星平台東方紅五號總重量最多可以達到9噸級[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B/E火箭的能力；我國嫦娥工程下一步採樣返回任務嫦娥五號重量也將遠超嫦娥三/四號，更何況還有規劃中的火星探測等深空探測任務。

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

長征五號轉場中 （圖片來源：航天科技集團）

長征五號的近地軌道運力達到25噸，同步轉移軌道運力達到14噸，地月轉移軌道達到8噸級，能執行多種航天發射任務，能力遠遠超過此前的長征火箭。

二、造出長征五號火箭，有多難？

長征五號這種級別的火箭研製在世界範圍內都是個極大的挑戰，對中國而言，亦是如此。但作為中國航天史上具有劃時代意義重要性的火箭，中國航天人必須迎難而上，為此，需要實現一系列高難度重大創新。

1.新火箭推進劑

傳統的長征家族火箭，包括長征二、三、四號火箭都使用四氧化二氮/偏二甲肼推進劑組合，它們毒性大、發射準備週期長、價格昂貴、比衝偏低。比衝是衡量單位質量推進劑產生衝量的指標，一般來説，這個數據越大意味着火箭推進能力越強。相比較而言，液氧煤油、液氧液氫推進劑更優，也是世界主流大型火箭的選擇。

因而，長征五號一大變化是它的核心推進劑是由液氧煤油（助推器）和液氧液氫（核心芯一級、二級）組合使用。由於液氧液氫的穩定儲存温度極低，分別為零下183和零下253攝氏度，長征五號也因而得名為**“冰箭”**。

2.新火箭發動機

更新了推進劑，就意味着發動機也要更新。而一枚火箭發動機要同時做到推力大、爆發力強、材料耐熱也耐冷（從極低温到數千攝氏度的燃燒温度）、結構強、控制精細、穩定性強、質量輕等多個優點，談何容易？

這也是發動機被叫做“火箭心臟”的原因，它的研發難度直接導致全世界能做出大型火箭的國家屈指可數。

展覽中的YF-100K發動機 （開源圖片）

而為了長征五號，需要同時研發出YF-77（液氧液氫推進劑，用於核心級）、YF-100（液氧煤油推進劑，用於助推器）和YF-75D（液氧液氫推進劑，用於二級）三型發動機，難度可想而知。

3.新火箭上面級

長征五號定位為一種多用途系列火箭，在執行高軌和深空探測任務時，還需要攜帶第三級、或者又可以叫做上面級，它類似太空擺渡車的效果。為長征五號配套的上面級是遠征二號。

在航天領域，一箭N星“撒土豆”並不稀奇，因為重量僅幾十克的皮衞星也叫衞星，但如果一次性發射多個大質量衞星進入不同軌道則非常複雜，對上面級的要求極高。例如，北斗建設過程中，就數次依靠遠征一號實現一箭雙星任務，節省發射次數。而**遠征二號實現了中國航天上面級的新一個重大突破，**首次的雙發動機設計也讓它擁有了極強的機動變軌能力，比遠征一號更強，能夠助力航天器進入更遠、更高、更復雜的軌道。

4.新殼體、新結構、新模塊化組合

航天領域有個著名但又不失真的“笑話”——“馬屁股決定了運載火箭的運力”，大意是：當初的鐵軌設計參照了馬屁股並排時的寬度，鐵軌寬度決定了車廂設計寬度，車廂設計寬度決定了隧道設計寬度，隧道設計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後的火箭運力。

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

大國工匠：高鳳林，圖源：CCTV

而為了實現運力提升的需求，長征五號要求做到5米直徑的箭體，第一級外還捆綁了4個3.35米的助推器，總質量飆升到了869噸級別，遠超長征三號B系列的426-459噸級別[2]，它成了名副其實的**“胖五”**，這意味着嶄新的殼體和整體結構設計方案。關於它的難度，推薦讀者們觀看著名紀錄片《大國工匠》，第一集就講述了為火箭發動機和大型殼體做焊接的大國工匠高鳳林工程師的故事。

此外，長征五號還實現了大型火箭的模塊化設計理念，火箭級數、是否攜帶上面級、助推器捆綁方案等都可以按照發射需求變化，從而衍生出一個適合多種任務的長五家族。

5.新配套發射場、火箭運輸船、生產基地

但顯然，長征五號已經無法繼續使用傳統的三大火箭發射場，需要建設新的火箭發射場，這就是**位於海南的文昌火箭發射基地。**實際上，它還有另外兩個重大好處：周邊都是大洋，火箭殘骸不會造成任何損失；緯度更低，能更大程度藉助地球自轉的力量，減少推進劑消耗、提升運力。

遠望21和22航天運輸船 （圖片來源：央廣網和中國軍網）

為了將長征五號從海路運往文昌，我國還先後服役了兩艘遠望21/22航天運輸船；為將組裝好的火箭轉場至發射架，還需要建造大型特種火箭運輸平台；長征五號的生產與組裝都在天津的濱海新區完成（天津航天長征火箭製造有限公司），這裏也將成為中國未來火箭生產體系的靈魂。

這些只是長五相關的一部分，但已然可以想象每一點背後都有無數科研人員常年攻克難關，也需要國家強大的人力物力資源、科研和工程技術實力作為後盾，缺一不可。

三、成功，從來不是那麼容易

2016年11月3日，長征五號遙一火箭成功首飛，舉國歡騰，對於擁有如此多技術更新的大型火箭而言，着實不易。橫向比較，同等級別的美國德爾塔4-重型、俄羅斯質子M、歐洲的阿里安5型火箭，都在試射期間出現過事故。

然而，2017年7月2日，長征五號遙二火箭發射任務在飛行至346秒時突發故障。根據分析仿真計算及地面試驗結果，故障原因為芯一級液氫液氧發動機一分機渦輪排氣裝置在複雜力熱環境下，局部結構發生異常，發動機推力瞬時大幅下降，致使發射任務失利[4]。

事後，中國航天開啓了異常艱辛的“歸零”工作，復現故障。經過反覆排查，最終發現了這個原因。隨後，改進後的芯一級液氫液氧發動機完成多次地面熱試車考核，驗證了改進措施的有效性[4]，才有了今天的長征五號遙三任務。

成功從來不是那麼隨隨便便，“胖五”的歸來之旅，已經經歷了900多天的痛苦煎熬。這副重擔，不僅壓在火箭研發團隊的肩上，更壓在全體中國航天人的肩上。

四、胖五歸來，中國航天新時代進程中

“胖五”成功歸來，意味着一系列對中國航天有着深遠意義的大型任務可以開始實施。

本次發射的實踐二十號任務，是我國首次應用的東方紅五號衞星平台。這個平台是我國純自主設計研發的新一代大型桁架式衞星平台，全平台最大功率最高可達30千瓦，最大質量達到9噸。由於使用了等離子電推進技術，設計壽命可長達15年，大大提高了我國超大型衞星研究水平，是我國未來20年內的核心衞星平台之一，能使用在通信、遙感等多種衞星應用領域[5]。實踐二十因而成為世界最重最強的高通量通信衞星之一，太陽能帆板全部展開後超過40米寬，超過普通客機翼展，通信能力遠超中國此前任何一顆通信衞星。

中國火星探測任務（圖片來源：國家航天局）

2020年7月前後，人類迎來又一次探測火星窗口，中國首個獨立自主的火星探測任務即將出發，目標是在一次任務中完成火星“繞、落、巡”的壯舉，長征五號就是託舉它奔向火星的火箭。

隨後，我國將正式開始嫦娥探月工程“繞、落、回”三步走計劃的最後一步“回”，嫦娥五號將搭乘長征五號擇機發射，着陸月球並帶回月球土壤樣本，這也是阿波羅登月時代結束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艘天宮空間實驗室任務結束後，我國載人航天事業也將迎來新高度，全面建設100噸級別的天宮空間站，實現多人在軌長時間駐留太空。在同樣的軌道也將有一個大型巡天望遠鏡伴飛，成為中國的“哈勃太空望遠鏡”。長征五號（B型）火箭將成為整體建設過程中最核心的運載器具。

**中國航天的新時代已經到來。**今年是中華人民共和國成立70週年，中國航天也已經走過63年。回頭看，它的每一幕依然激動人心。從東方紅一號到長征五號，中國航天輝煌成就的背後，不僅有偉大的23位“兩彈一星”元勳，更有一位又一位繼承、堅持、發揚着“兩彈一星”精神的平凡航天人。

向他們致敬！！

相關參考：

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

【2】長城工業集團：http://cn.cgwic.com/Launchservice/LM3B.html

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

【4】運載火箭技術研究院：http://www.calt.com/n482/n742/c11650/content.html

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

出品：科普中國

製作：太空精釀

監製：中國科學院計算機網絡信息中心