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(fā)射場點火升空，2000多秒后將實踐二十號衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，發(fā)射飛行試驗取得圓滿成功。?

?

長征五號遙三火箭發(fā)射（圖片來源：我們的太空史悅 呂炳宏）?

　　??

　　2019年是中國航天的“超級大年”，實現(xiàn)了一系列舉世矚目的成就：嫦娥四號和玉兔二號實現(xiàn)人類探測器首次著陸月球背面；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(xiàn)中國首次海上平臺發(fā)射；北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)完成最核心的中圓軌道和同步傾斜軌道衛(wèi)星部署；兩枚快舟1A火箭實現(xiàn)同一發(fā)射場間隔6小時快速發(fā)射；三款商業(yè)火箭（捷龍，雙曲線一號，零壹OS-1）首飛；年度火箭發(fā)射34次（美國27次），繼2018年后再次成為世界第一，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、為什么需要長征五號火箭?

　　長征系列火箭是我國航天技術(shù)發(fā)展的絕對主力支撐，承擔了我國96.4%的發(fā)射任務(wù)，發(fā)射航天器總質(zhì)量占中國發(fā)射總質(zhì)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。可是隨著中國航天的快速發(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wù)時的3.8噸級別[3]。?

　　?? 這意味著，更重、更大、更復雜的航天發(fā)射任務(wù)根本沒法由這些火箭完成。例如，我國規(guī)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；我國全新超大型衛(wèi)星平臺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采樣返回任務(wù)嫦娥五號重量也將遠超嫦娥三/四號，更何況還有規(guī)劃中的火星探測等深空探測任務(wù)。?

　　中國有句很經(jīng)典的俗語：“沒有金剛鉆，別攬瓷器活”。中國這些“重量級”航天任務(wù)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)移軌道運力達到14噸，地月轉(zhuǎn)移軌道達到8噸級，能執(zhí)行多種航天發(fā)射任務(wù)，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制在世界范圍內(nèi)都是個極大的挑戰(zhàn)，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(xiàn)一系列高難度重大創(chuàng)新。?

　　??

　　1.新火箭推進劑?

　　傳統(tǒng)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(fā)射準備周期長、價格昂貴、比沖偏低。比沖是衡量單位質(zhì)量推進劑產(chǎn)生沖量的指標，一般來說，這個數(shù)據(jù)越大意味著火箭推進能力越強。相比較而言，液氧煤油、液氧液氫推進劑更優(yōu)，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。由于液氧液氫的穩(wěn)定儲存溫度極低，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(fā)動機?

　　更新了推進劑，就意味著發(fā)動機也要更新。而一枚火箭發(fā)動機要同時做到推力大、爆發(fā)力強、材料耐熱也耐冷（從極低溫到數(shù)千攝氏度的燃燒溫度）、結(jié)構(gòu)強、控制精細、穩(wěn)定性強、質(zhì)量輕等多個優(yōu)點，談何容易？?

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

　　??

展覽中的YF-100K發(fā)動機 （開源圖片）?

　　??

　　而為了長征五號，需要同時研發(fā)出YF-77（液氧液氫推進劑，用于核心級）、YF-100（液氧煤油推進劑，用于助推器）和YF-75D（液氧液氫推進劑，用于二級）三型發(fā)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(zhí)行高軌和深空探測任務(wù)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(lǐng)域，一箭N星“撒土豆”并不稀奇，因為重量僅幾十克的皮衛(wèi)星也叫衛(wèi)星，但如果一次性發(fā)射多個大質(zhì)量衛(wèi)星進入不同軌道則非常復雜，對上面級的要求極高。例如，北斗建設(shè)過程中，就數(shù)次依靠遠征一號實現(xiàn)一箭雙星任務(wù)，節(jié)省發(fā)射次數(shù)。而遠征二號實現(xiàn)了中國航天上面級的新一個重大突破，首次的雙發(fā)動機設(shè)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(jié)構(gòu)、新模塊化組合?

　　航天領(lǐng)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(shè)計參照了馬屁股并排時的寬度，鐵軌寬度決定了車廂設(shè)計寬度，車廂設(shè)計寬度決定了隧道設(shè)計寬度，隧道設(shè)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后的火箭運力。?

　　最終的結(jié)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(fā)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(xiàn)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(zhì)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”，這意味著嶄新的殼體和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。關(guān)于它的難度，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(fā)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(xiàn)了大型火箭的模塊化設(shè)計理念，火箭級數(shù)、是否攜帶上面級、助推器捆綁方案等都可以按照發(fā)射需求變化，從而衍生出一個適合多種任務(wù)的長五家族。?

　　5.新配套發(fā)射場、火箭運輸船、生產(chǎn)基地?

　　但顯然，長征五號已經(jīng)無法繼續(xù)使用傳統(tǒng)的三大火箭發(fā)射場，需要建設(shè)新的火箭發(fā)射場，這就是位于海南的文昌火箭發(fā)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，能更大程度借助地球自轉(zhuǎn)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(wǎng)和中國軍網(wǎng)）?

　　??

　　為了將長征五號從海路運往文昌，我國還先后服役了兩艘遠望21/22航天運輸船；為將組裝好的火箭轉(zhuǎn)場至發(fā)射架，還需要建造大型特種火箭運輸平臺；長征五號的生產(chǎn)與組裝都在天津的濱海新區(qū)完成（天津航天長征火箭制造有限公司），這里也將成為中國未來火箭生產(chǎn)體系的靈魂。?

　　??

　　這些只是長五相關(guān)的一部分，但已然可以想象每一點背后都有無數(shù)科研人員常年攻克難關(guān)，也需要國家強大的人力物力資源、科研和工程技術(shù)實力作為后盾，缺一不可。?

　　??

　　三、成功，從來不是那么容易?

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

　　然而，2017年7月2日，長征五號遙二火箭發(fā)射任務(wù)在飛行至346秒時突發(fā)故障。根據(jù)分析仿真計算及地面試驗結(jié)果，故障原因為芯一級液氫液氧發(fā)動機一分機渦輪排氣裝置在復雜力熱環(huán)境下，局部結(jié)構(gòu)發(fā)生異常，發(fā)動機推力瞬時大幅下降，致使發(fā)射任務(wù)失利[4]。?

　　事后，中國航天開啟了異常艱辛的“歸零”工作，復現(xiàn)故障。經(jīng)過反復排查，最終發(fā)現(xiàn)了這個原因。隨后，改進后的芯一級液氫液氧發(fā)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(wù)。?

　　成功從來不是那么隨隨便便，“胖五”的歸來之旅，已經(jīng)經(jīng)歷了900多天的痛苦煎熬。這副重擔，不僅壓在火箭研發(fā)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，意味著一系列對中國航天有著深遠意義的大型任務(wù)可以開始實施。?

　　本次發(fā)射的實踐二十號任務(wù)，是我國首次應(yīng)用的東方紅五號衛(wèi)星平臺。這個平臺是我國純自主設(shè)計研發(fā)的新一代大型桁架式衛(wèi)星平臺，全平臺最大功率最高可達30千瓦，最大質(zhì)量達到9噸。由于使用了等離子電推進技術(shù)，設(shè)計壽命可長達15年，大大提高了我國超大型衛(wèi)星研究水平，是我國未來20年內(nèi)的核心衛(wèi)星平臺之一，能使用在通信、遙感等多種衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域[5]。實踐二十因而成為世界最重最強的高通量通信衛(wèi)星之一，太陽能帆板全部展開后超過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衛(wèi)星。?

　　??

中國火星探測任務(wù)（圖片來源：國家航天局）?

　　??

　　2020年7月前后，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(wù)即將出發(fā)，目標是在一次任務(wù)中完成火星“繞、落、巡”的壯舉，長征五號就是托舉它奔向火星的火箭。?

　　隨后，我國將正式開始嫦娥探月工程“繞、落、回”三步走計劃的最后一步“回”，嫦娥五號將搭乘長征五號擇機發(fā)射，著陸月球并帶回月球土壤樣本，這也是阿波羅登月時代結(jié)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(wù)結(jié)束后，我國載人航天事業(yè)也將迎來新高度，全面建設(shè)100噸級別的天宮空間站，實現(xiàn)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(shè)過程中最核心的運載器具。?

　　中國航天的新時代已經(jīng)到來。今年是中華人民共和國成立70周年，中國航天也已經(jīng)走過63年?；仡^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后，不僅有偉大的23位“兩彈一星”元勛，更有一位又一位繼承、堅持、發(fā)揚著“兩彈一星”精神的平凡航天人。?

　　向他們致敬??！?

　　??

　　相關(guān)參考：?

　　【1】航天科技集團

　　【2】長城工業(yè)集團

　　【3】人民網(wǎng)

　　【4】運載火箭技術(shù)研究院

　　【5】空間技術(shù)研究院