从长征五号复飞看世界航天格局袁岚峰

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有能力刚正面的时候,谁不想刚正面啊!

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最近整个中国航天界的焦点,想必就是长征五号复飞。在我们发表此文时(2019年12月25日),长征五号遥三运载火箭已经抵达文昌航天发射场的发射区,将在本月底前后择机发射。


长征五号遥三运载火箭抵达发射区


关心中国航天的人都知道,长征五号具有不可代替的作用,许多重要任务都离不了它。而对于以成功率高著称的中国航天来说,长征五号上次的发射是一个少见的失败。从那以来,已经过去了两年,大家的心都悬在上面。

今天,我们就来解读一下长征五号,然后扩大视野,看看世界航天的格局。

下面,我们先来回顾长征五号的两次发射。

2016年11月3日,长征五号首飞成功。这次发射一波三折,多次被推迟,甚至进入10秒倒计时后都中断了一次,许多人肯定还记得当时的紧张气氛。在延迟163分钟后,长征五号终于成功起飞。不过这次发射并不是完全成功,火箭芯二级出现异常,导致载荷未能进入预定轨道。后来由远征二号上面级延长一次点火时间,才将实践17号卫星送入轨道。还好没有使用卫星的燃料,所以没有缩短卫星的寿命。
 
长征五号首飞

2017年7月2日,长征五号第二次发射,目标是把实践18号卫星送入超同步转移轨道。但在飞行至252秒时,飞行状态出现异常。飞行至346秒时,芯一级两台发动机中的一分机涡轮排气装置发生异常,发动机推力瞬时大幅下降。最终火箭二级与卫星在西太平洋再入,发射失败。
 
长征五号遥二运载火箭发射


在此之后,中国航天的团队已经用了两年多来排除故障。用技术术语说,这叫做“问题归零”。归零是否成功,就看这次复飞的检验了。

大家十分期盼长征五号复飞,因为有许多重要的任务在等着它呢,处于载荷等火箭的状态。例如嫦娥五号月球采样返回、空间站发射、火星探测器、大型巡天望远镜https://mil.sina.cn/sd/2019-01-24/detail-ihrfqzka0519485.d.html),都在等待长征五号的“档期”。

这次复飞发射的是通信卫星实践20号,它搭载的是东方红五号卫星平台,代表着中国在通信卫星领域从追赶到超越世界水平的尝试。其实在2017年那次失败的发射中,实践18号卫星搭载的就是东方红五号平台。那次失败不但让几十亿人民币付之一炬,而且使东方红五号平台的在轨验证推迟了两年。

说来说去,长征五号究竟是一种什么样的火箭呢?

如果你翻开对一种火箭的介绍,扑面而来就是一大堆技术指标,很容易眼花缭乱。但其实,只要抓住一个基本定位就可以理解个八九不离十:火箭是一种运载工具,好比汽车、火车、飞机都是运载工具,它们的价值在于它们把货物或人员送到目的地的能力。因此,火箭最核心的指标就是它的运载能力。
 
长征五号技术指标

具体而言,火箭的运载能力有两个常见的指标,分别叫做近地轨道(low earth orbit,简称LEO)运载能力和地球同步转移轨道(geostationary transfer orbit,简称GTO)运载能力。后者总是小于前者,因为轨道越远,需要消耗的能量就越多,能够运载的质量就越低。
 

地球同步转移轨道

我的朋友、空间物理研究者李会超博士总结了两个表格,比较了长征五号与国内外其他火箭的运载能力。
 

长征五号与国内火箭的运载能力比较


长征五号与国外火箭的运载能力比较

从中可以看出,长征五号的GTO运载能力是14吨,长征五号B的LEO运载能力为25吨,在国内远远高于其他的型号。长征五号B是长征五号的另一种构型,在长征五号的基础上去掉了第二级,专门用来发射LEO载荷。由于长征五号采用了模块化的设计思路,火箭可以根据任务需要方便的调整构型,这也是我国新一代火箭的特色之一。

和国际上其他重型火箭相比,长征五号的能力也不逊色。这里需要指出的是,马斯克的猎鹰9型火箭,在回收第一级和一次性使用时,运载能力是不同的。这是因为猎鹰9由于在重复使用时,要预留第一级着陆使用的燃料,还要附加一些额外的设备。如果要回收第一级重复使用,那么它的运载能力将比长征五号低不少。

目前“地表最强”的是猎鹰重型火箭,长征五号的运载能力跟它有显著的差距。不过我们的火箭任务指向明确,已经有了空间站核心舱、嫦娥五号、火星探测器等多个乘客等待“上车”。而猎鹰重型火箭的推力,恰好处在一般的航天器用不完、载人登月又不够用的位置,目前的生意远没有猎鹰9型红火。

因此,长征五号是中国从航天大国跻身航天强国的关键一步。

了解了这个定位,你就会发现,中国航天的宣传口径已经悄悄改变了。

以前我们经常说的,是我们的发射成功率世界最高,比美俄都高得多。成功率高当然是好事,不过这首先是因为我们的火箭运力比较小,型号比较老。你老发技术成熟的小火箭,成功率当然高啦!所以,这在某种意义上属于糊弄外行。

而现在,我们就直接大谈火箭性能了。即使可靠性还成问题,但跟以前比是巨大的进步。再也不需要在整体很弱的背景下拿放大镜找亮点了,直接硬碰硬就是了。有能力刚正面的时候,谁不想刚正面啊!打个比方,把江南七怪的武功练得再熟,重要性也不如六脉神剑,即使它时灵时不灵!
 

六脉神剑动图

在原理上,长征五号为什么比以前的火箭强了这么多呢?

基本的原因是,换了燃料。长征五号芯级发动机用的还原剂是液氢(H2),氧化剂是液氧(O2),这比以前常用的偏二甲肼((CH3)2NNH2)和四氧化二氮(N2O4)要好。最大的好处是,单位质量燃料释放的化学能比以前高不少,由此就可以有更高的喷射速度。

我们以前讲过火箭的基本原理,齐奥尔科夫斯基公式(见2019年8月9日的科技袁人Lite,视频链接(https://www.bilibili.com/video/av62942808,文章链接(https://mp.weixin.qq.com/s/ceNO9LLcR_pZA5eMXs4HVw)。
 

齐奥尔科夫斯基公式


其中vm是火箭的最终速度,vr是喷射物相对于火箭的速度,mmax和mmin分别是火箭在最初和最终的质量。公式中的负号,是因为火箭与喷射物的速度方向相反。因此,提高了喷射速度,就可以提高火箭的最终速度,就可以携带更多的载荷。用专业术语讲,更高的喷射速度就是更高的“比冲”(specific impulse),有兴趣深入学习的同学欢迎去了解。
 
齐奥尔科夫斯基

此外,偏二甲肼有剧毒,四氧化二氮也有毒,所以以前的火箭号称“毒箭”。
 
《审死官》仵作:死于剧毒~毒~毒~毒~毒~毒!

而液氢液氧本身无毒,它们燃烧的产物就是水,安全环保,甚至连碳排放都是0,这也是一个重要的优点。液氢液氧分别需要零下252摄氏度和零下183摄氏度的低温保存,所以长征五号被称为“冰箭”。
 
冰箭

液氢液氧发动机,对中国是一个重大的技术跨越。一般而言,火箭使用的新技术不会超过30%,而长征五号的新技术却超过了90%,简直可以说是脱胎换骨。因此,这相当于中国航天跨出舒适区,在一段时间内失败率上升是完全可以理解的,一点都不意外。在2017年我接受《环球时报》采访时,就是这么跟他们说的(https://mp.weixin.qq.com/s/9dmcThieclSVXF7gVjYpGw)。

作为一个反思,我的科大师弟、中国科学院国家空间科学中心研究员周炳红博士告诉我,在使用了很多新技术的情况下,应该多发几发试验箭,就是不上任务载荷,而是上很多测量工具。不过由于一发火箭很贵,所以也想让它完成一些任务。事后看来,还是检测传感器装少了,出了故障后很难判断是哪个环节更加薄弱。追溯到管理体制上,这可能是权责不对称造成的。希望这方面的问题,在归零中也能解决掉。

以上,我们介绍了长征五号本身。下面,我们来介绍一些关于世界航天整体的大图景。

许多人经常问的一个问题是:中国航天为什么现在还远不如美国几十年前的水平?因为1969年,美国的阿波罗计划就实现了载人登月。当时用的土星五号火箭(Saturn V)可以把140吨的载荷送入近地轨道,把48.6吨的载荷送入月球轨道,远高于现在任何国家的任何火箭。
 
登月飞行流程

另外一个常见问题,却正好相反,即有许多人认为1969年的登月是假的。他们的理由是,中国经过这么多年的努力还做不到,美国现在也造不出土星五号这样的火箭了,在1972年之后再也没有尝试过登月。技术怎么会倒退呢?可见当初就是假的!

其实这两个貌似相反的问题,答案都是同一个,就是钱的问题。我们在以前解释过(见2019年8月23日的科技袁人Lite,视频链接(https://www.bilibili.com/video/av65071482),文章链接(https://mp.weixin.qq.com/s/U3u36OU6VL3HIucwjIuOqw:整个阿波罗计划的花费是254亿美元,折合现在超过2000亿美元,1万亿人民币。其中用于土星五号的就有64亿美元,折合现在的420亿美元。

这么多钱是怎么花出去的?我的科大师弟、航天工作者石豪举了一个例子:土星五号的一级发动机F-1是一种巨型的煤油/液氧发动机,煤油和液氧要通过一个喷注器注入发动机的燃烧室。说是喷注器,其实不妨称为“喷注盘”,看看它长什么样就知道了:
 
土星五号一级发动机F-1喷注器1

土星五号一级发动机F-1喷注器2

是不是很像蒸锅里的篦子啊?
 
蒸锅里的篦子

这个喷注盘上面密密麻麻的小孔,就是煤油和液氧注入的地方。如果煤油和液氧混合不均匀,就会导致燃烧不均匀的危险情况。那么,为了让F-1发动机稳定燃烧,你猜研制团队总共试验了多少次?

2000次!

光为了扎好这个锅篦子,就试了2000次。每一次,都是让F-1发动机按照实际发射的工作时间完整燃烧,也就是工作至少150秒,每一秒要消耗近2.6吨的燃料加氧化剂。

当时,流体力学模拟软件还不成熟。为了搞清楚燃烧室中的流体状态,研究者冯·布劳恩(Wernher Magnus Maximilian Freiherr von Braun,1912 – 1977)等人甚至在燃烧室里面放炸药,通过制造可控的小爆炸,观察火焰的变化情况,反推内部的流体状态。
 
冯·布劳恩与土星五号F-1发动机

所以你看,这烧的是啥?烧的就是钱啊!

烧了这么多钱,终于烧出下面这些设计图:
 
土星五号一级发动机F-1设计图1
 
土星五号一级发动机F-1设计图2
土星五号一级发动机F-1设计图3

所以你说,这些知识该值多少钱?老有人以为土星五号的图纸丢失了,然后大发阴谋论的议论。我不禁要大喝一声:没有丢失,人家好好的保存着呢!甚至连土星五号的实物,都还在一些博物馆中展览着呢!

即使到了现在,NASA每年的预算也在200亿美元左右,仍然比中国高一个量级。因此,中国的运载能力要再过10年左右,等到长征九号出来,才能达到美国50年前的水平,这不是因为中国科学家太笨了,更不是因为登月是骗局。基本的原因就是氪金不够,——不充钱怎么能变强呢?!
外媒报道的中国各型运载火箭对比示意图(最右为长征九号,从右向左第二栏为长征五号)
充钱才能变强

另一方面,这样的烧钱方式,连财大气粗的美帝国主义都没法长期坚持。每次登月的花费,高达一个航母舰队。这里说的不是一个航母舰队出动一次,而是烧掉一个航母舰队!

当初是为了在登月竞赛中抢在苏联前面,争夺声誉和威望。这个目标既然已经达到了,后面还要啥自行车?尤其重要的是,登月完全没有直接的经济回报,最多带回来几百公斤月壤而已。继续登下去,是图了个啥?如果像很多键盘侠要求的那样,为了证明登月不是造假就继续登下去,那请问,钱你来出吗?
 
肯尼迪在赖斯大学的演讲《我们选择登月》

因此,我们可以理解,在冷战的驱动下,当年确实可以创造不少人间奇迹,跟现在的逻辑完全不一样。但我们同样也可以理解,这些奇迹是不可持久的。

周炳红告诉我,美国的航天经历了四个阶段。第一阶段,是不计成本的载人登月时代。第二阶段,是错误设计的航天飞机时代,每公斤近地轨道载荷的成本约为5万美元。第三阶段,是垄断、腐败、保守的联合发射联盟(United Launch Alliance,简称ULA)时代(主要是波音和洛马),每公斤近地轨道载荷的成本约为1万美元。这样的成本是无法承受的。现在进入了SpaceX的时代,每公斤近地轨道载荷的成本约为3000美元。

美国通过这四个阶段的创新,尝试了不同的运载方式,大幅降低了成本。所以,我们不要觉得美国的技术退步了,其实只是在其他的维度进步而已。

周炳红告诉我,目前在航天运载技术方面,美国遥遥领先,中俄平分秋色,中国正在快速追赶美国。在在轨的卫星数量方面,美国也是遥遥领先,中国居于第二,也在快速追赶美国。而在航天发射的次数方面,从2018年开始,中国超过了美国,居于世界第一。随着我国空间站建设、深空探测和载人月球探测任务的开展,预计中国在航天技术方面的人力投入,会在10至15年后大致追平美国。关于这些有许多有趣的资料和数据,我们以后会在更合适的时候详细介绍。
 
2020年中国的航天计划(http://baijiahao.baidu.com/s?id=1653773865668078176)

最后,我们需要强调,航天事业可能遭遇各种各样的失败,但我们对星辰大海的追求决不会动摇。归根结底,地球的资源和太阳的寿命都是有限的。因此,我们一定要冲出地球,移民宇宙!


参考资料:
中国航天失败率上升是改进火箭的自然后果,早在预料之中》,袁岚峰
我们应该如何纪念登月(一)为什么登月阴谋论是荒谬的》,袁岚峰
我们应该如何纪念登月(二)航天的基本原理》,袁岚峰
我们应该如何纪念登月(三)带我去月球》,袁岚峰
我们应该如何纪念登月(四)冲出摇篮》,袁岚峰
《长征5号失利令中国航天时间线推迟2年 6大任务被耽误》(https://mil.sina.cn/sd/2019-01-24/detail-ihrfqzka0519485.d.html),深空探索者
《长征五号,为什么会被称为“胖五”?》(https://zhidao.baidu.com/daily/view?id=27517),李会超
《揭秘:中国第四个卫星发射中心为啥建在海南文昌?》(https://c.m.163.com/news/a/DG47R63R0511DTU9.html),李会超
鲁班再世:长五撼天记 | 老和山下的小学僧》,老和山下的小学僧
小火箭 | 全球在轨卫星报告2019版》,邢强博士
作者简介: 

袁岚峰,中国科学技术大学化学博士,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员,科技与战略风云学会会长,安徽省科学技术协会常务委员,入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物,微博@中科大胡不归,知乎@袁岚峰(https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8)。

致谢:

感谢中国科学院国家空间科学中心周炳红研究员、哈尔滨工业大学(深圳)博士后李会超以及航天科研工作者石豪在科学内容方面的指教。

责任编辑祝阳

文章转载自微信公众号:风云之声

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