長(zhǎng)征五號(hào)上的航天智慧與尷尬

7月2日晚8時(shí)08分，新華社發(fā)布消息：7月2日19時(shí)23分，我國(guó)在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)組織實(shí)施長(zhǎng)征五號(hào)遙二火箭飛行任務(wù)，火箭飛行出現(xiàn)異常，發(fā)射任務(wù)失利。

對(duì)于一枚全新的運(yùn)載火箭來(lái)說(shuō)，在其頭幾次發(fā)射中出現(xiàn)失利，并不是一件太讓人感到意外的事。美國(guó)的重型德?tīng)査?4、歐洲的阿里安-5、日本的H-2、中國(guó)的長(zhǎng)-3系列，都是經(jīng)歷了至少一次失利，才逐步走向穩(wěn)定的。中國(guó)的工業(yè)底子不及歐美，出問(wèn)題沒(méi)有必要對(duì)航天業(yè)過(guò)多苛刻的責(zé)備。

歐洲的阿里安-5在1996年6月4日的首次發(fā)射就以爆炸告終，第二次發(fā)射部分失敗。到今年6月28日，阿里安-5共進(jìn)行了94次發(fā)射，所有的失敗都是在前14次發(fā)生的，包括在第10次的部分失敗和第14次的失敗。自從2002年12月的那次失敗之后，阿里安-5均獲得成功。所以，長(zhǎng)征-5號(hào)失利不可怕，關(guān)鍵是找到問(wèn)題的根源，逐步完善。另外，航天是高風(fēng)險(xiǎn)活動(dòng)，正是因?yàn)槿绱耍教旃こ處煵粦?yīng)成為高風(fēng)險(xiǎn)職業(yè)，航天工程師不應(yīng)受到額外的處罰和壓力。

1996年6月4日，歐洲阿里安-5首次發(fā)射，以爆炸告終。

阿里安-5的4次失敗都是在前14次發(fā)射中發(fā)生的。

我們?cè)倩氐介L(zhǎng)征-5號(hào)，仔細(xì)分析下這次發(fā)射的長(zhǎng)征-5號(hào)的構(gòu)型，就能感覺(jué)它太復(fù)雜了，也太有特色了。

當(dāng)下世界GTO運(yùn)載能力最強(qiáng)的火箭

這次發(fā)射的長(zhǎng)征-5號(hào)運(yùn)載火箭是長(zhǎng)征-5號(hào)系列構(gòu)型中起飛重量最大，也是載荷最大的一種。

按照官方的說(shuō)法，長(zhǎng)征-5起飛質(zhì)量867噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）運(yùn)載能力14噸，近地軌道（LEO）運(yùn)載能力25噸級(jí)。長(zhǎng)征-5的研制成功，是中國(guó)進(jìn)入空間能力的一次巨大躍升。官方的說(shuō)法是，上一代運(yùn)載火箭的LEO運(yùn)載能力8.5噸（其實(shí)當(dāng)年的長(zhǎng)征-2E運(yùn)載火箭達(dá)到了9.2噸，只不過(guò)因?yàn)椴惶煽慷缇屯顺霈F(xiàn)役了）、太陽(yáng)同步軌道（SSO）運(yùn)載能力6.1噸、GTO軌道運(yùn)載能力5.5噸。可以說(shuō)，長(zhǎng)征-5的投入使用，讓中國(guó)進(jìn)入空間的能力實(shí)現(xiàn)了成倍提高。

和國(guó)產(chǎn)上一代火箭相比，長(zhǎng)征-5號(hào)的運(yùn)力提高幅度很大，那么他和現(xiàn)役國(guó)際主流大型運(yùn)載火箭相比又怎么樣呢？

我們先來(lái)看看運(yùn)載能力。目前LEO運(yùn)載能力達(dá)到20噸級(jí)、GOT運(yùn)載能力達(dá)到10噸級(jí)的大推力運(yùn)載火箭已經(jīng)成為航天器發(fā)射的主力軍，這一級(jí)別的運(yùn)載火箭包括美國(guó)的“德?tīng)査?4” 、“宇宙神-5”（又譯阿特拉斯-5）、“獵鷹-9”運(yùn)載火箭，歐洲的“阿里安-5”運(yùn)載火箭，俄羅斯的“質(zhì)子”、“安加拉-A5”以及日本的H-2B運(yùn)載火箭等。

這其中，運(yùn)載能力最強(qiáng)的是美國(guó)波音公司的重型構(gòu)型的“德?tīng)査?4”運(yùn)載火箭，其LEO最大運(yùn)載能力根據(jù)軌道高度不同可以達(dá)到23.6到28.4噸之間，是目前近地軌道運(yùn)載能力最強(qiáng)的，不同來(lái)源的數(shù)據(jù)顯示其GTO運(yùn)載能力為13.8噸到14.2噸，一般認(rèn)為其為14噸。

洛克希德·馬丁公司研制的“宇宙神5”（使用了俄羅斯的RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)）551構(gòu)型的LEO運(yùn)載能力達(dá)到18.9噸，GTO運(yùn)載能力為8.9噸。

俄羅斯的“質(zhì)子M”運(yùn)載火箭的LEO運(yùn)載能力為23噸，GTO為6.9噸；俄羅斯2014年首次試射的“安加拉-A5”運(yùn)載火箭的LEO運(yùn)載能力為24.5噸，GTO運(yùn)載能力為7.5噸。

歐洲航天局的“阿里安-5ES”的LEO運(yùn)載能力為20噸，“阿里安5ECA”的GTO運(yùn)載能力為10.7噸；日本的H2B的LEO運(yùn)載能力為19噸，GTO為8噸。俄羅斯的“質(zhì)子M”、“安加拉”的LEO運(yùn)力較大，而GTO運(yùn)力卻比較小，一個(gè)重要原因在于其發(fā)射場(chǎng)維度較高，向地球同步軌道上發(fā)射衛(wèi)星有點(diǎn)“吃虧”。

這樣看來(lái)，長(zhǎng)征-5號(hào)在現(xiàn)役大型運(yùn)載火箭中運(yùn)力可謂數(shù)一數(shù)二了，特別是其在文昌發(fā)射時(shí)的GTO運(yùn)載能力，幾乎是與重型德?tīng)査?4在同類(lèi)火箭中并列第一了。

這個(gè)判斷一點(diǎn)不假，但就此說(shuō)中國(guó)的火箭技術(shù)已經(jīng)數(shù)一數(shù)二了，可能就有些樂(lè)觀了。

首先，從時(shí)間來(lái)看，上述大型火箭都已經(jīng)首飛若干年，并投入使用多年。其中重型“德?tīng)査?4”的首次發(fā)射在2004年（但沒(méi)有成功），較晚的是日的H-2B火箭，2009年發(fā)射，最晚的是俄羅斯的“安加拉-A5”，2014年發(fā)射。

另外，從運(yùn)輸潛能上看，上述火箭中的不少型號(hào)仍然有大幅度提升的空間。之所以大多數(shù)火箭運(yùn)力均低于長(zhǎng)征-5號(hào)，還主要出于成本和需求的原因。長(zhǎng)征-5的一個(gè)重要使命是進(jìn)行空間站發(fā)射。而對(duì)于其他國(guó)家來(lái)說(shuō)，主要是安全、經(jīng)濟(jì)地發(fā)射衛(wèi)星，而目前其運(yùn)載力基本夠用。

像“阿里安-5”、H-2B，他們的芯一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)均為大推力、大比沖的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力也超過(guò)長(zhǎng)征-5號(hào)，如果為其配備更大的助推器，研制一種運(yùn)力超過(guò)長(zhǎng)征-5的大型運(yùn)載火箭并非不可，只是需求不那么強(qiáng)烈。重型“德?tīng)査?4”的幾次發(fā)射都是用于發(fā)射美國(guó)空軍的重型偵察衛(wèi)星。這次發(fā)射的長(zhǎng)征-5號(hào)運(yùn)載火箭是用了眾多的小火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)能的最大化，其提升空間已經(jīng)不大。

德?tīng)査?4系列運(yùn)載火箭的芯級(jí)推質(zhì)比大于一，通過(guò)采用不同的助推器實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)載能力。

從運(yùn)載能力上看，美國(guó)上世紀(jì)60年代研發(fā)成功的用于登月的“土星5號(hào)”運(yùn)載火箭、以及蘇聯(lián)用于發(fā)射航天飛機(jī)的“能源”號(hào)運(yùn)載火箭LEO運(yùn)載能力都超過(guò)了100噸。更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了長(zhǎng)征-5號(hào)，只不過(guò)他們均已退役。

同類(lèi)火箭中推力最小的芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)

最初構(gòu)想的長(zhǎng)征-5號(hào)是通過(guò)直徑為5米的芯級(jí)分別與不同數(shù)量的3.35米直徑（安裝兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)）和2.25米直徑助推器（安裝一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)）的組合，再加上芯級(jí)為一級(jí)半和二級(jí)半的不同狀態(tài)，組成一個(gè)包括6種構(gòu)型的龐大家族。

但是后來(lái)，所有配備2.25米直徑助推器構(gòu)型均被擱置，因?yàn)檫@些構(gòu)型的大部分功能能夠由更廉價(jià)的長(zhǎng)征-7號(hào)完成。最終確定下來(lái)的包括兩種構(gòu)型，即本次和第一次發(fā)射的基本型長(zhǎng)征-5號(hào)和長(zhǎng)征-5B。他們不同在于前者是一種兩級(jí)半的構(gòu)型，而后者是一種一級(jí)半的構(gòu)型，后者主要用于發(fā)射近地軌道載荷，芯級(jí)更短些。

當(dāng)初長(zhǎng)征-5設(shè)計(jì)了多個(gè)不同構(gòu)型，如今只保留了兩個(gè)型號(hào)。

此次發(fā)射的長(zhǎng)征-5號(hào)是一種二級(jí)半的運(yùn)載火箭。一級(jí)芯級(jí)直徑5米，采用兩臺(tái)并聯(lián)的采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的YF-77液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)氫氧機(jī)），單臺(tái)地面推力約50噸，真空推力約70噸。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在真空中的推力和比沖（燃燒單位質(zhì)量的推進(jìn)劑產(chǎn)生的沖量）都較地面上更大，主要是燃燒室內(nèi)外的壓力差不同所決定的，燃燒室內(nèi)的壓力不變，真空中外部的壓力幾乎為零，那么壓力差就更大，所以推力和比沖就更大。這里需要說(shuō)明的是，YF-77是迄今為止國(guó)內(nèi)研制的推力最大的氫氧機(jī)。但是和世界同級(jí)別火箭的芯級(jí)氫氧機(jī)相比，推力是最小的！即便是日本H2B使用的LE-7A，真空推力也有112噸！所以說(shuō)，長(zhǎng)征五號(hào)用同級(jí)別火箭中推力最小的發(fā)動(dòng)機(jī)，扛起了同級(jí)別最強(qiáng)的GTO運(yùn)載能力。

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