石豪：長征八號——中國運載火箭換代進行時
【文/觀察者網專欄作者 石豪】
北京時間12月22日12時37分，長征八號運載火箭自文昌航天發射場發射升空，將新技術試驗衞星等多顆衞星送入太陽同步軌道。
這次發射，不僅象徵着中國新一代運載火箭的全面亮相，也標誌着“十三五”規劃期間中國航天的新一代火箭發射任務圓滿收官。
中國航天2020年的“One more thing”
史蒂夫·喬布斯還在世的時候，不僅蘋果手機還附送充電器，他在年度發佈會上的“One more thing”（還有一件事），更是被人津津樂道，新一代macbook等眾多明星產品都在“One more thing”環節閃亮登場。
“One more thing……” （圖/蘋果發佈會）
長征八號，就是2020年中國航天帶來的“One more thing”。
長征八號運載火箭（圖/中國航天科技集團）
中國航天是全面發展的，既有探索未知的空間探測器，也有保障人民生產生活的應用衞星。除去建設週期長的導航星座外，目前大量投入使用的主要是運行在地球靜止軌道的通信衞星，和太陽同步軌道的遙感衞星。
地球靜止軌道與太陽同步軌道（圖/NOAA SciJinks）
地球靜止軌道我們很熟悉了，在赤道上空35786千米高度，衞星的軌道週期與地球自轉週期一致，從地面看來衞星是高懸於赤道之上靜止不動的。
太陽同步軌道則要複雜一些。衞星在自己的軌道平面上繞地球旋轉，而地球也在繞太陽公轉。如果沒有擾動的話，衞星的軌道平面在太空中的方向是不會變的——也就是説，衞星的軌道面與日地連線的夾角會隨着地球公轉而不斷改變，就像下圖中紫紅色的軌道一樣：
但對於給地球拍照的遙感衞星來説並不合適，因為軌道面與太陽夾角的改變，意味着拍照時太陽光的方向改變，這給衞星照片的判讀處理平添了許多麻煩。
而太陽同步軌道設計的關鍵，恰恰就在“擾動”上。
如果地球是一個質量分佈均勻的完美球體，那對於衞星的運行幾乎沒有擾動，可地球偏偏是一個“扁球體”，赤道直徑比南北極直徑大一些，這就對衞星的運行增添了一些額外干擾。利用這種干擾，我們可以設計出一種軌道，讓衞星每轉一圈，軌道面都偏轉一點，偏轉的速度恰好是地球繞太陽公轉的角速度：每天0.9856度。
軌道面跟着太陽的方向同步轉動，這就是“太陽同步軌道”。
太陽同步軌道 （圖/舊金山州立大學）
太陽同步軌道很獨特，它的軌道傾角大於90度，衞星運行方向與地球自轉方向相反，是所謂的“逆行軌道”。因此地球自轉速度對於發射非但沒有幫助，反而是一種阻礙。
之前，我們都是採用長征二號丙/丁，或者長征四號乙/丙火箭執行太陽同步軌道發射任務，700千米太陽同步軌道運力可以達到3噸，再大就力不從心了。所以今年12月6日，我們在西昌用運載能力更強的長征三號乙火箭發射高分十四號衞星，而長三乙一直是用於發射地球靜止軌道衞星的，“臨時客串”並不是常態。
長征八號火箭，為改變這種現狀而來。
火箭也要“新陳代謝”
在我們的印象中，中國航天是由長征二號、三號、四號三個大型號的運載火箭撐起來的。
從主攻低軌的長征二號系列，到包攬地球靜止軌道的長征三號系列，再到專注太陽同步軌道的長征四號系列，老一代長征火箭在過去的半個世紀裏以極高的可靠性完成了超過300次發射。
“老長征”能夠取得巨大成功，與YF-20系列液體火箭發動機密不可分。YF-20採用偏二甲肼燃料，四氧化二氮作為氧化劑，能夠產生70噸級的推力。由YF-20演化而來的多型發動機，被長征二號、三號和四號系列火箭所採用，安裝在一級、二級和助推器上。
YF-20系列發動機（圖/互聯網）
可以説，中國航天的發展，乃至我國戰略反擊力量的擔子，都長期壓在YF-20肩上，YF-20以一己之力撐起了長征火箭的輝煌歷史。
不過，以現在的眼光來看，YF-20系列發動機在技術上並不先進，甚至還很落後。性能指標無法與國際領先水平相提並論不説，採用的偏二甲肼燃料有劇毒，氧化劑四氧化二氮更是有極強的腐蝕性，一旦吸入將對呼吸道和肺部造成極為嚴重且不可逆的損傷。
新一代發動機的研製迫在眉睫，長征火箭也要推陳出新。
因此，才有了長征五號、六號、七號、八號火箭的騰飛。這四個大型號，編成了新一代液體燃料長征火箭的梯隊。
新一代長征火箭（從左依次為長征六號、八號、七號、五號） （圖/千龍網）
把這四個型號放在一起的原因也很簡單，他們都採用了同一種發動機——YF-100。這是一種分級燃燒循環的液體火箭發動機，採用煤油為燃料，液氧為氧化劑。和YF-20的偏二甲肼/四氧化二氮相比，煤油/液氧無毒，更加安全可靠，發動機性能也更加優秀。
新一代長征火箭在論證之初就把“模塊化”作為目標，通過設計不同直徑的芯級和助推器模塊並加以組合，令運載火箭的設計與生產更加簡單就像搭積木一樣。
因此長征八號火箭從立項到首飛僅用了三年時間，火箭是全新的，技術是提前規劃、業已成熟的。
模塊化的新一代長征火箭（圖/龍樂豪 等）
從發射微小衞星的長征六號小型火箭，到發射重型地球靜止軌道衞星的長征五號大型火箭，再到專精太陽同步軌道發射的長征八號中型火箭，只要“搭積木”就可以了，省時省力又省心。
這就是“模塊化”的好處，也是長征火箭“新陳代謝”的一大動力。
我們需要什麼樣的火箭？
21世紀的第二個十年，是中國航天極速發展的十年。
在載人航天工程取得決定性勝利後，中國的應用衞星也開始進入井噴式發射階段，多年前辛苦種下的種子，都在最近這十年內成長為參天大樹，結出累累碩果。
長征火箭完成第一個100次發射，用了37年（1970.4.24—2007.6.1）。
第二個100次，用了7年半（2007.6.1—2014.12.7）。
第三個100次，僅用4年零3個月（2014.12.7—2019.3.10）。
最近十年中國航天的發射次數，超過之前四十年發射次數的總和。
不過，巨大且迫切的發射需求，對長征火箭的“新陳代謝”不一定都是利好。
冷戰中，美蘇太空軍備競賽是一場燒錢的遊戲，但血拼過後，這兩個超級大國留下的不止有財政赤字，更有領先於時代的航天技術和完備的空間基礎設施體系。
換句話説，他們的衞星“打齊了”，後面需要的是維持和換代。
但對我們而言，就是人有我無的困境。因此空間基礎設施的建設是必須的，我們要補課，也要發射很多衞星，並且進度最好不要拖延。
現在，擺在衞星研發團隊面前的有兩種火箭，一種是老而彌堅、久經考驗的“老長征”，一種是性能先進、剛出襁褓的“新長征”。
巧的是，對於大多數亟待發射的衞星而言，新老長征火箭都能滿足任務需求，都能把衞星送入預定軌道。
你研製的衞星對國家很重要，晚一天投入使用，對國家都是一種損失。
然後你驚奇地發現，老長征不僅經過大量飛行驗證，還更便宜！
任何一個項目的經費都是有限的，時間也是有限的，發射失敗從來不是一個可選項。
那麼，是用“老長征”，還是“新長征”呢？
答案不言自明，除非“老長征”實在打不動，否則大家都會自然傾向於“老長征”。
“老長征”的代表：長三乙火箭 （圖/中國日報）
所以，我們到底需要什麼樣的運載火箭？
運載火箭的職責，是將航天器送入預定軌道，可靠性永遠是第一位的，在可靠的基礎上還要儘可能便宜。
技術先進性？只是確保火箭可靠且便宜的手段，而不是目的。
只要能滿足航天器的具體需求，把航天器打上去，用户不在乎選用技術多先進的火箭，不在乎火箭是用氫氧發動機還是偏二甲肼加四氧化二氮。
就算您燒豆油，燒無煙煤，用竹竿把衞星捅上天，只要能滿足具體需求，就沒有問題。
世界上第一顆人造地球衞星、第一枚月球探測器、第一名宇航員、第一次太空行走……這些壯舉都是由蘇聯完成。
但令人意外的是，這些航天活動都是由衍生自同一種型號的運載火箭完成的——這就是世界上第一種洲際導彈R-7。
衍生自R-7導彈的蘇聯運載火箭系列（圖/NASA）
60多年了，R-7該退役了吧？
非但沒有，這位功勳火箭反而越活越年輕，甚至與歐洲人合作，不遠萬里來到法屬圭亞那的庫魯航天中心發射。
聯盟號運載火箭自庫魯發射（圖/arianespace）
僅今年，基於R-7的各型聯盟號運載火箭就已經發射了14次，全部取得成功。
R-7系列火箭的超長壽命，固然有蘇聯解體後俄羅斯航天投入下降、後勁不足的原因，但如果不是科羅廖夫天才般的設計，如果沒有全系列近2000次發射保底，R-7恐怕很早就會被歷史的長河淹沒，自然淘汰掉。
但還有一層原因，俄羅斯手握液氧煤油發動機的巔峯之作RD-170系列，坐擁曾經起飛推力世界第一的能源號運載火箭。現在破落了不要緊，關鍵技術俄羅斯還是掌握的。
手上沒有劍，和有劍不用，不是一回事。
長征八號也好，新一代長征火箭也好，它們肩負的使命絕不只是“增強運載能力”、“定位於商業發射”，甚至“搞回收複用”這麼簡單。
它們肩負着中國航天技術改革的重任。
面對複雜局勢、複雜環境，更要保持戰略定力，潛心深挖中國航天的技術池，咬定青山不放鬆。
我國火箭專家、載人航天工程總設計師王永志同志曾經這樣説過：“我們已經實現了歷史性的突破。但擺在我們面前的任務還很重，縮小差距、追蹤世界先進技術，在航天高技術領域佔有一席之地的任務，歷史地落在了我們的肩上。”
一切願意獻身中國航天事業的人們，讓我們勇敢地挑起這付擔子吧。
參考文獻
[1]胡其正, 楊芳. 宇航概論[M]. 中國科學技術出版社, 2010.
[2]龍樂豪, 李平岐, 秦旭東,等. 我國航天運輸系統60年發展回顧[J]. 宇航總體技術, 2018.
[3]秦旭東, 龍樂豪, 容易. 我國航天運輸系統成就與展望簡[J]. 深空探測學報, 2016(04).
[4]胡海峯, 宋徵宇, 孫海峯. 新型中型運載火箭控制系統架構及發展[J]. 導彈與航天運載技術, 2019(2).
[5]王永志. 長征運載火箭的系列化和商業化[J]. 中國航天, 1989, 000(009):10-14.
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