《流浪地球》裏的航天技術，中國還差多遠？【大師計劃·周炳紅03】_風聞

文 | 周炳紅

引：

大家好，我是周炳紅。今天我們來聊聊未來的火箭技術。大家可能看過一些科幻電影，比如説《流浪地球》、《星際穿越》、《火星救援》等等，在裏面人類可以乘坐宇宙飛船自由航行。

很多人想問，這些未來都能實現嗎？我今天就來給大家講講未來的火箭技術大概會有哪些突破？

那麼我們先來講講目前火箭技術的難點在哪裏？我主要講三個方面：

低温推進劑的蒸發和壓力控制

第一個就是高性能的火箭都要用到低温推進劑，比如長征五號火箭。這個芯級，也就是5米直徑的中央芯級，不管是第一級還是第二級，都要用到液氫和液氧。液氫的平衡温度是在零下250度，也就是20k，它很容易蒸發。那麼低温推進劑的蒸發和壓力控制，就是一個難點。

發動機燃燒的穩定性

第二個，發動機的燃燒穩定性問題，大的發動機，其實它推進劑進入到燃燒室的時候是很多股推進劑進到燃燒室，它要充分的混合才能燃燒。那麼在高速噴射到燃燒室的過程中，就像我們洗澡的熱水和冷水混合一樣，你只要稍微偏一點，有時候可能就會太冷了，往右邊偏一點，就會太熱了。

因為它有兩股射流會在這裏擺動，那麼火箭發動機裏面也有個類似的現象，是因為發動機的結構，還有燃燒過程中有各種的干擾，它會導致它的火苗會左右來回的擺動，一旦這個擺動很劇烈的話，它的火苗燒到發動機的壁面，因為壁面是用金屬材料做的，然後火焰的温度是3000度左右，所以很快火箭就會被燒穿。

我們的難點就是要控制燃燒的火焰，不要噴射到壁面上去，也就是要保持燃燒的穩定性，這是第二個難點。

火箭與發動機的耦合振動

還有一個很重要的難點，我們説整個火箭幾級和發動機一起，它會耦合振動，會震動起來。我們在地面的時候是沒法進行完全一樣條件下的試驗，它只有在飛行過程中才能完全的表現出來。

這也是為什麼我們楊利偉第一次上天的時候，它那耦合振動比較劇烈。當時在它之前，在地面各種試驗，甚至無人飛行好多次，都已經進行飛行的情況下，還沒有完全解決這個問題，這是最大的一個難點。

而火箭我們又要做到100分，99分我們都是0分。你只要有個螺絲釘弄錯了，火箭都會失敗。

那麼第二個問題，大家都很關心的，我們正在研發中的大推力火箭技術進展如何？

美國NASA的登月火箭

美國重返月球的載人登月火箭，叫SLS，它應該説是一個鴿王了，一直在推遲。最近它一級火箭發動機進行了熱試車，它點火了，三個發動機在裏面工作。

這個發動機其實就是以前的航天飛機上的主發動機，它在登月過程中要工作幾百秒，大概400秒左右。那麼這次試車的時候，在67秒左右自動停機了，所以是出現了故障，估計又要推遲。

還有一個，我們最近可能新聞也能聽到的很多波音公司飛機故障的事，波音公司當時在研究登月火箭中，又是跟我的專業相關的一個技術，它又推遲了。

是一個什麼技術？就是大型火箭裏面，它在飛行過程中都要防止推進劑劇烈的晃動起來。所以就會在火箭的裏面加很多環形的擋板，阻止推進劑劇烈晃動。

波音公司當初就為了節省火箭的死重，增加火箭的運載能力，它設的防護擋板就更少更輕。

但是在後期把它的設計交給控制系統的專業人員去進行校核複核的時候，控制系統的專業人員説，這樣不行，這樣晃動會太大了，他們控制系統沒法控制，火箭會失穩。所以火箭當時是2017年，因為這個原因又推遲了1~2年。

這是美國NASA的登月火箭的主要的進展情況。

Space X的星艦飛船火箭

第二個我們就要説到,最近這些天都是有它的新聞，就是Space X的星艦飛船火箭，這是一款超大型的火箭，它的起飛重量以後要超過土星5號火箭。它最近的試驗是試驗到了SN10 ，SN就是 Serial Number，就是系列號第10號。

也就是説它的整個完整的火箭還沒飛，它已經試驗了10次，那麼這個就可以看出來，它的研製過程，我們説系統工程方法和我們的長征5號是不一樣的。

我們長征5號第一次飛行的時候，就是完整的長征5號，不會做10次的試驗，只是在地面做一些局部的試驗。

他們是叫做扁平化的多次迭代，快速迭代的這種仿照軟件工程裏面的研製的這種方法，所以它等於是，火箭設計的不是很完善的情況下，它就進行試驗。所以一直到現在為止已經試驗了10次，還只是試驗火箭的上面一級。

那麼最近幾次也都爆炸了，其中的原因也跟我們的專業非常的相關。因為它要用到液氧甲烷，它的甲烷儲箱裏面的增壓氣體——氦氣，由於推進劑的晃動，它把氦氣吸到發動機裏面去了，導致這個發動機推力下降，這樣它着陸的時候，火箭因為推力小了，它就快速往下下墜，撞擊地面的時候就炸燬了。

還有一個就是，火箭因為它要回來，它的試驗過程中，它就要在高空翻個個兒，平着下來以後，再調整姿態調為豎着，才降下來。

那麼在這個過程中，它的推進劑肯定在裏面劇烈的晃動，雖然它設計了一個很小的儲箱，裝它最後着陸的時候的推進器。但是劇烈晃動下，它的火箭儲箱因為是低温推進劑，它的壓力還是下降。

所以現在各個國家都花了很多的精力，在天上微重力條件下，比如國際空間站上進行相關的技術試驗，我們國家將來也會開展類似的試驗。

我國的長征九號火箭

那麼最後就要講到大家可能是最關心的，我們國家的載人登月火箭，現在一般叫長征九號火箭，最近也公開了它的進展，就是説它是半系統全工況試車成功。

那麼這個是什麼意思？我解釋一下。所謂半系統，就是發動機有很重要的兩部分，一個部分就是它的推進劑的輸送和增壓系統，一個部分就是增壓渦輪，渦輪泵是需要用推進劑跟它進行一個初級的燃燒，然後去推動渦輪快速的轉動，來產生200個大氣壓左右的高壓力，把推進劑擠壓進燃燒室。那麼這次的試驗半系統，就是前面的增壓輸送系統、渦輪泵系統，是已經試車了。

那麼還有另外一半，燃燒室和推力室也很重要，這是沒有試驗。但是它是全工況，也就是説，它是模擬真實火箭運行的時候，所有的動作該有的都有了。

我們國家運載火箭要正式立項，其實還要攻克就是另外一個半系統，也就是要熱點火。估計也是在接下來的1-2年。現在已經公開報道説十四五期間，長征九號就有希望正式地工程立項。

接下來我們也講一下未來對火箭的需求會是什麼樣子的？

火箭的航班化飛行

那麼第一個就是，未來的火箭有可能實現航班化的飛行，進行載人，比如從紐約到上海，可能一個小時就夠了。它是用火箭發動機來工作的，而且又可以像飛機一樣的航班化的來飛行，這是一個很重大的需求。

地月空間頻繁的往返運輸

另外月球基地的建設需要在地月空間頻繁的往返運輸，比以前的載人登月飛行要更多了，更頻繁。

載人登陸火星

還有一個就是要實現載人登陸火星，它去要6個月，往往還要等兩年，回來6個月，這麼長時間的載人火箭的飛行，這個是一個很重大的新的工程。

飛行器飛出太陽系

另外我們的飛行器要快速的飛出太陽系，主要是用來發射這個科學探測器，對太陽系整個遙遠的邊疆進行探測。

大型的空間設施

然後還要建設大型的空間設施，以前的空間站，包括我們國家正在建設都是百噸級的空間站，國際空間站是有400噸，以後大型空間設施重量要提升到幾千噸，甚至上萬噸。

比如有可能要建設空間太陽能發電站，那麼就要同時建設一個大型的推進劑的補給站，登陸火星也好，月球基地也好，地月往返運輸也好，這樣才能簡化整個的系統，也能夠比較廉價的在深空進行探測。

最後一個問題，未來的火箭在技術上，為了滿足剛才説的這些新的重大的需求，會在哪些方面會取得重大的突破？可以預期的。

低温高性能的化學推進劑

在普通的化學推進上，要有兩個方面的突破，一個就是要低温高性能，比如液氫液氧，液氧甲烷，它是低温的，但是它性能高，它的一個難點要長時間的儲存。不要讓它蒸發，不要讓它的壓力升高，這是一個很大的難點。

可重複利用火箭

第二個，我們的火箭要可重複使用，要降低進入太空的成本。那麼除了 Space X的可重複使用火箭外，我們國家長征八號長征六號都安排了可重複使用的研製。今年或者明年，大家可以陸續看到它們首飛的消息。

空天飛機

還有要發展空天飛機，什麼是空天飛機？就是它會結合兩種發動機，就是飛機用的航空發動機和火箭發動機。那麼航空發動機，它只帶航空煤油就行了。它的燃燒的氧氧化劑也就是氧氣，它是從大氣中吸氣的，這樣的話它能飛行的相同的推進的情況下，飛機的話是可以飛得更遠的。

那麼將來要發展空天飛機，也就是可以兩種模式工作，這樣就可以在幾十公里的高空吸氧，這樣使得火箭的運載能力也更大，也可以實現載人。

大推力的電推進

還有一個火箭技術可以預期的，就是大推力的電推進，化學推進劑是用燃燒高温高壓，用機械裝置往後噴氣來加速。它這個是用電，把推進劑給電離了，電離了以後用電磁場，它能瞬間加速到將近10公里每秒，而一般的化學推進劑只能加速到3公里到4公里每秒。

日本在這種小推力的電推進技術上是目前應用水平是最高的，他們能夠從幾億公里遠的小行星上採樣再返回，主要用到的就是電推進技術。

將來電推進技術要提高到10牛頓的推力，也就大概一公斤的推力。如果有這麼大推力的電推進的話，就可以用於載人登陸火星，可以縮短去火星的時間，就不用6個月，可能2個月就過去了。

核動力推進

還有一個也是為了載人登火，使用的技術叫核動力推進。它的能量來源跟化學推進和電推進都不一樣，它是用核能來提供能源。

那麼它推進怎麼實現呢？主要是用核熱提供的熱量來加熱液氫推進劑，把液氫加速到高温高壓，高速的往後噴出，這樣實現推進。那麼這裏面的難點就是兩個方面，一個液氫的使用，一個當然是相當於上面有個小型的核電站和裂變堆。

空間****推進劑補給

那麼最後一個可以期望的，就是需要在空間實現推進劑的補加，還有要在火星表面可能原位製備的推進劑，主要是液氧和甲烷。

那麼這次美國發射的毅力號火星車上面就有一個裝置，有很小的裝置，它就嘗試着進行在火星的大氣中用二氧化碳來把它分解了，來製備氧氣和液氧進行試驗。

結：

我們前面講了火箭技術的重要性，我們國家的各種火箭的技術以及未來的火箭技術，那麼大家還希望聽到哪些其他的航天方面的知識呢？歡迎留言告訴我們。