長征火箭的前世今生_風聞
西方朔-2021-03-15 22:14
原創 螺螄道長 俠客島 今天3月12日凌晨,在海南文昌航天發射場,**長征七號A運載火箭成功發射!**中國新一代運載火箭家族再添新兵。
長征火箭是中國人的驕傲,堪稱“國民級IP”。但隨着長征火箭型號越來越多,發射任務越來越密集,人們難免犯迷糊:長征七號和長征七號A是一回事嗎?長征一二三四五六七八號,有啥不同?已經有這麼多火箭了,為啥還要研發新火箭?……
長征七號A運載火箭在海南文昌航天發射場成功發射。圖源:新華網
一
萬變不離其宗,咱先説説火箭。
不妨把火箭看作“太空運輸車”——把特定重量的東西運到特定位置,專業術語叫“把載荷發送至預定軌道”。不同載荷重量、不同軌道距離,需要不同型號的運載火箭。
長征火箭家族就相當於一個“車隊”,大致分工如下:
長征一號系列:錢學森主持設計的中國第一枚火箭,長征火箭家族的奠基者,1970年將中國第一枚衞星送入太空,這是中國航天的起點。**但“長一”只能發近地軌道,且載荷僅0.3噸。**同期美國的土星五號已經能把登月飛船阿波羅號送上天了。土星五號的運載能力是月球軌道45噸、近地軌道118噸。
118:0.3,請記住這個對比。
長征二號系列:主要覆蓋低軌空間(高度300-2000千米),是中國火箭家族絕對主力,中國所有的載人航天項目都集中在距地300-500千米的低軌空間。所以,“長二”是中國載人航天的主要發射工具。
長征三號系列:主要執行中軌(2000-20000千米)和高軌(20000千米以上)發射任務。軌道任務取決於衞星功能。大部分對地觀測衞星在低軌空間;北斗等大部分導航衞星在中軌空間;大部分通訊衞星在高軌空間,赤道上空36000千米的“地球靜止軌道”更是位置稀缺的戰略資源。“長三”就是高軌任務專用火箭。
長征四號系列:主要負責極地軌道和太陽同步軌道發射。這兩條軌道距地700千米左右,都屬於低軌空間,但又高於載人航天軌道,是各類觀測衞星最常用的發射軌道,具有極高的科研和軍事價值。“長四”就是為之量身打造的高性價比火箭。
過去幾十年,中國航天就是靠長征二號、三號、四號3個系列撐起來的。“長二”主攻低軌+載人航天,“長三”包攬高軌+深空探測,“長四”專注太陽同步軌道。這三兄弟組成了中國老一代長征火箭陣容,在過去半個世紀裏以極高可靠性完成了超300次發射,是中國航天的功臣。
長征家族系列運載火箭(圖源:新華社)
二
但老將仍有不足,問題之一是燃料的環保性問題。
老一代長征火箭,大多使用四氧化二氮和偏二甲肼作為推進劑。優點是混合即燃、可常温貯存、技術要求低;缺點是毒性大、費用高、推進效率低。一枚火箭,數百噸燃料,一旦未充分燃燒,將泄露大量污染物。所以,火箭發射後,發射場和落區都將面臨污染風險。
從2015年長征六號首飛開始,新一代長征火箭一律採用無毒無污染的液氧、液氫和煤油作為推進劑,大大提升了火箭發射的環保性。
第二個問題是運載能力。
老一代長征火箭基本都是中型火箭,如果想往太空走得更遠、運得更多,研發大型火箭勢在必行。
大型火箭就是長征五號,被網友們戲稱為“胖五”。有了“胖五”,中國就有了近地軌道25噸、地球同步軌道14噸、地月軌道8.2噸、地火軌道5噸的運載能力,“太空搬家能力”跨上新台階。
“長五”雖然大幅拉高了運載能力上限,且能覆蓋所有發射軌道,但也出現運力“斷檔”問題。原本負責高軌任務(地球同步軌道)的長征三號甲火箭最大運力為5.5噸,再大就得用“長五”運送,但這非常不經濟。受限於此,中國高軌衞星發射質量曾長期被限制在5.5噸以內。
前幾天發射成功的長征七號A火箭,正是為了改變這一現狀。“長七A”的地球同步轉移軌道運力可達7噸,能有效銜接“長三”與“長五”之間的運力空白。長征家族的另一新兵、去年12月22日發射成功的長征八號火箭,則填補了太陽同步軌道3-4.5噸的運力空白。
未來,在長征系列的新老交替中,“長七A”將接棒“長三”,主攻高軌任務;“長八”將接棒“長四”,主攻太陽同步軌道任務。原先“長二”系列負責的低軌任務將逐步轉至“長六”和“長七”。前者是一款小型火箭,主要負責小衞星的低軌發射;後者是專為載人航天研製的“貨運專列”,把中型火箭低軌運載能力由8.6噸提高到了13.5噸。
有人會問,“長七”和“長七A”分工不同,但名稱相似,不容易搞混嗎?其實,這背後正是新一代長征火箭的厲害之處:模塊化、通用化設計。
簡言之,長征五、六、七、八號,不再是壁壘分明的產品,而是一系列通用模塊的組裝。就像樂高玩具一樣,雖然成品各異,但所用積木模塊相同。比如,長征七號第一級,就與長征五號助推器基本相似;當長征七號助推器變成獨立火箭,就成了長征六號。
在新一代中型長征火箭中,“長七A”最複雜、最完整,包含助推器和第一二三級4個部分。在其基礎上,中國航天人可通過做減法的方式,組裝出長七、長八及其他構型。
這意味着其它新一代長征火箭型號的研製將大大提速。
“胖五”火箭(圖源:新華社)
三
中國火箭的未來還有哪些看點?
一是火箭回收複用。
很多人都對美國SpaceX公司獵鷹火箭的重複利用印象深刻,畢竟火箭回收複用將大幅降低發射成本。馬斯克吸引眼球的同時,中國正穩步攻克這一技術難題。承擔該任務的火箭就是融合型長征八號(長征-8R)。“長七A”助推器與芯一級集束式分離的創新,最終目的就是為“長征-8R”的回收複用做驗證。
不久前,全國政協委員、中國運載火箭技術研究院運載火箭專家、中國科學院院士姜傑受訪時透露:技術團隊已開始推進融合型“長八”火箭研製工作,預計今年可完成垂直起降關鍵技術演示驗證。
另外不得不提的還有長征九號。
為什麼這麼説?因為“世界最強火箭”稱號,已被美國土星五號壟斷了55年。人類何時才能研發出下一款重型火箭,把自己再度送上月球?這是許多世界航天迷的“終極之問”。
如今,波音在研發SLS重型火箭,SpaceX在研發“星艦”重型火箭,俄羅斯在研發“葉尼塞”重型火箭。中國的重型火箭正是長征九號。
今年初,“長九”研製的消息終於出現在主流媒體上:2月22日,國家領導人在參觀月球樣品和探月工程成果展覽時,新聞畫面赫然出現長征九號模型與展板。展板內容顯示,“長九”近地軌道運載能力將達到140噸、奔月轉移軌道運載能力將達到50噸,完全不輸土星五號。
備受矚目的“十四五”規劃綱要中,新一代重型運載火箭和重複使用航天運輸系統被明確列入“科技前沿領域攻關”圖表。
從118:0.3到長征系列不斷湧現的新兵,在通往深空的征途上,中國幾代航天人已經奮鬥了半個多世紀。未來幾年,人類將有機會見證中國航天更多的突破和貢獻。這怎能不讓人熱血沸騰!
文/螺螄道長
編輯/雲歌、綾波