長征五號上的航天智慧與尷尬

7月2日晚8時08分，新華社發(fā)布消息：7月2日19時23分，我國在中國文昌航天發(fā)射場組織實施長征五號遙二火箭飛行任務，火箭飛行出現(xiàn)異常，發(fā)射任務失利。

對于一枚全新的運載火箭來說，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。美國的重型德爾塔-4、歐洲的阿里安-5、日本的H-2、中國的長-3系列，都是經歷了至少一次失利，才逐步走向穩(wěn)定的。中國的工業(yè)底子不及歐美，出問題沒有必要對航天業(yè)過多苛刻的責備。

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，長征-5號失利不可怕，關鍵是找到問題的根源，逐步完善。另外，航天是高風險活動，正是因為如此，航天工程師不應成為高風險職業(yè)，航天工程師不應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。

我們再回到長征-5號，仔細分析下這次發(fā)射的長征-5號的構型，就能感覺它太復雜了，也太有特色了。

當下世界GTO運載能力最強的火箭

這次發(fā)射的長征-5號運載火箭是長征-5號系列構型中起飛重量最大，也是載荷最大的一種。

按照官方的說法，長征-5起飛質量867噸，地球同步轉移軌道（GTO）運載能力14噸，近地軌道（LEO）運載能力25噸級。長征-5的研制成功，是中國進入空間能力的一次巨大躍升。官方的說法是，上一代運載火箭的LEO運載能力8.5噸（其實當年的長征-2E運載火箭達到了9.2噸，只不過因為不太可靠而早就退出現(xiàn)役了）、太陽同步軌道（SSO）運載能力6.1噸、GTO軌道運載能力5.5噸?？梢哉f，長征-5的投入使用，讓中國進入空間的能力實現(xiàn)了成倍提高。

和國產上一代火箭相比，長征-5號的運力提高幅度很大，那么他和現(xiàn)役國際主流大型運載火箭相比又怎么樣呢？

我們先來看看運載能力。目前LEO運載能力達到20噸級、GOT運載能力達到10噸級的大推力運載火箭已經成為航天器發(fā)射的主力軍，這一級別的運載火箭包括美國的“德爾塔-4” 、“宇宙神-5”（又譯阿特拉斯-5）、“獵鷹-9”運載火箭，歐洲的“阿里安-5”運載火箭，俄羅斯的“質子”、“安加拉-A5”以及日本的H-2B運載火箭等。

這其中，運載能力最強的是美國波音公司的重型構型的“德爾塔-4”運載火箭，其LEO最大運載能力根據軌道高度不同可以達到23.6到28.4噸之間，是目前近地軌道運載能力最強的，不同來源的數據顯示其GTO運載能力為13.8噸到14.2噸，一般認為其為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)動機）551構型的LEO運載能力達到18.9噸，GTO運載能力為8.9噸。

俄羅斯的“質子M”運載火箭的LEO運載能力為23噸，GTO為6.9噸；俄羅斯2014年首次試射的“安加拉-A5”運載火箭的LEO運載能力為24.5噸，GTO運載能力為7.5噸。

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

這樣看來，長征-5號在現(xiàn)役大型運載火箭中運力可謂數一數二了，特別是其在文昌發(fā)射時的GTO運載能力，幾乎是與重型德爾塔-4在同類火箭中并列第一了。

這個判斷一點不假，但就此說中國的火箭技術已經數一數二了，可能就有些樂觀了。

首先，從時間來看，上述大型火箭都已經首飛若干年，并投入使用多年。其中重型“德爾塔-4”的首次發(fā)射在2004年（但沒有成功），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，從運輸潛能上看，上述火箭中的不少型號仍然有大幅度提升的空間。之所以大多數火箭運力均低于長征-5號，還主要出于成本和需求的原因。長征-5的一個重要使命是進行空間站發(fā)射。而對于其他國家來說，主要是安全、經濟地發(fā)射衛(wèi)星，而目前其運載力基本夠用。

像“阿里安-5”、H-2B，他們的芯一級火箭發(fā)動機均為大推力、大比沖的氫氧發(fā)動機，二級發(fā)動機推力也超過長征-5號，如果為其配備更大的助推器，研制一種運力超過長征-5的大型運載火箭并非不可，只是需求不那么強烈。重型“德爾塔-4”的幾次發(fā)射都是用于發(fā)射美國空軍的重型偵察衛(wèi)星。這次發(fā)射的長征-5號運載火箭是用了眾多的小火箭發(fā)動機，通過系統(tǒng)優(yōu)化，實現(xiàn)了運能的最大化，其提升空間已經不大。

德爾塔-4系列運載火箭的芯級推質比大于一，通過采用不同的助推器實現(xiàn)不同的運載能力。

從運載能力上看，美國上世紀60年代研發(fā)成功的用于登月的“土星5號”運載火箭、以及蘇聯(lián)用于發(fā)射航天飛機的“能源”號運載火箭LEO運載能力都超過了100噸。更是遠遠超過了長征-5號，只不過他們均已退役。

同類火箭中推力最小的芯級發(fā)動機

最初構想的長征-5號是通過直徑為5米的芯級分別與不同數量的3.35米直徑（安裝兩臺發(fā)動機）和2.25米直徑助推器（安裝一臺發(fā)動機）的組合，再加上芯級為一級半和二級半的不同狀態(tài)，組成一個包括6種構型的龐大家族。

但是后來，所有配備2.25米直徑助推器構型均被擱置，因為這些構型的大部分功能能夠由更廉價的長征-7號完成。最終確定下來的包括兩種構型，即本次和第一次發(fā)射的基本型長征-5號和長征-5B。他們不同在于前者是一種兩級半的構型，而后者是一種一級半的構型，后者主要用于發(fā)射近地軌道載荷，芯級更短些。

當初長征-5設計了多個不同構型，如今只保留了兩個型號。

此次發(fā)射的長征-5號是一種二級半的運載火箭。一級芯級直徑5米，采用兩臺并聯(lián)的采用燃氣發(fā)生器循環(huán)的YF-77液氫液氧火箭發(fā)動機（以下簡稱氫氧機），單臺地面推力約50噸，真空推力約70噸。火箭發(fā)動機在真空中的推力和比沖（燃燒單位質量的推進劑產生的沖量）都較地面上更大，主要是燃燒室內外的壓力差不同所決定的，燃燒室內的壓力不變，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。這里需要說明的是，YF-77是迄今為止國內研制的推力最大的氫氧機。但是和世界同級別火箭的芯級氫氧機相比，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，長征五號用同級別火箭中推力最小的發(fā)動機，扛起了同級別最強的GTO運載能力。

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