石豪：长征八号——中国运载火箭换代进行时

　　[文/观察者网专栏作者 石豪]

　　北京时间12月22日12时37分，长征八号运载火箭自文昌航天发射场发射升空，将新技术试验卫星等多颗卫星送入太阳同步轨道。

　　这次发射，不仅象征着中国新一代运载火箭的全面亮相，也标志着“十三五”规划期间中国航天的新一代火箭发射任务圆满收官。

　　中国航天2020年的“One more thing”

　　史蒂夫·乔布斯还在世的时候，不仅苹果手机还附送充电器，他在年度发布会上的“One more thing”（还有一件事），更是被人津津乐道，新一代macbook等众多明星产品都在“One more thing”环节闪亮登场。

　　“One more thing……” （图/苹果发布会）

　　长征八号，就是2020年中国航天带来的“One more thing”。

　　长征八号运载火箭（图/中国航天科技集团）

　　中国航天是全面发展的，既有探索未知的空间探测器，也有保障人民生产生活的应用卫星。除去建设周期长的导航星座外，目前大量投入使用的主要是运行在地球静止轨道的通信卫星，和太阳同步轨道的遥感卫星。

　　地球静止轨道与太阳同步轨道（图/NOAA SciJinks）

　　地球静止轨道我们很熟悉了，在赤道上空35786千米高度，卫星的轨道周期与地球自转周期一致，从地面看来卫星是高悬于赤道之上静止不动的。

　　太阳同步轨道则要复杂一些。卫星在自己的轨道平面上绕地球旋转，而地球也在绕太阳公转。如果没有扰动的话，卫星的轨道平面在太空中的方向是不会变的——也就是说，卫星的轨道面与日地连线的夹角会随着地球公转而不断改变，就像下图中紫红色的轨道一样：

　　但对于给地球拍照的遥感卫星来说并不合适，因为轨道面与太阳夹角的改变，意味着拍照时太阳光的方向改变，这给卫星照片的判读处理平添了许多麻烦。

　　而太阳同步轨道设计的关键，恰恰就在“扰动”上。

　　如果地球是一个质量分布均匀的完美球体，那对于卫星的运行几乎没有扰动，可地球偏偏是一个“扁球体”，赤道直径比南北极直径大一些，这就对卫星的运行增添了一些额外干扰。利用这种干扰，我们可以设计出一种轨道，让卫星每转一圈，轨道面都偏转一点，偏转的速度恰好是地球绕太阳公转的角速度：每天0.9856度。

　　轨道面跟着太阳的方向同步转动，这就是“太阳同步轨道”。

　　太阳同步轨道 （图/旧金山州立大学）

　　太阳同步轨道很独特，它的轨道倾角大于90度，卫星运行方向与地球自转方向相反，是所谓的“逆行轨道”。因此地球自转速度对于发射非但没有帮助，反而是一种阻碍。

　　之前，我们都是采用长征二号丙/丁，或者长征四号乙/丙火箭执行太阳同步轨道发射任务，700千米太阳同步轨道运力可以达到3吨，再大就力不从心了。所以今年12月6日，我们在西昌用运载能力更强的长征三号乙火箭发射高分十四号卫星，而长三乙一直是用于发射地球静止轨道卫星的，“临时客串”并不是常态。

　　长征八号火箭，为改变这种现状而来。

　　火箭也要“新陈代谢”

　　在我们的印象中，中国航天是由长征二号、三号、四号三个大型号的运载火箭撑起来的。

　　从主攻低轨的长征二号系列，到包揽地球静止轨道的长征三号系列，再到专注太阳同步轨道的长征四号系列，老一代长征火箭在过去的半个世纪里以极高的可靠性完成了超过300次发射。

　　“老长征”能够取得巨大成功，与YF-20系列液体火箭发动机密不可分。YF-20采用偏二甲肼燃料，四氧化二氮作为氧化剂，能够产生70吨级的推力。由YF-20演化而来的多型发动机，被长征二号、三号和四号系列火箭所采用，安装在一级、二级和助推器上。

　　YF-20系列发动机（图/互联网）

　　可以说，中国航天的发展，乃至我国战略反击力量的担子，都长期压在YF-20肩上，YF-20以一己之力撑起了长征火箭的辉煌历史。

　　不过，以现在的眼光来看，YF-20系列发动机在技术上并不先进，甚至还很落后。性能指标无法与国际领先水平相提并论不说，采用的偏二甲肼燃料有剧毒，氧化剂四氧化二氮更是有极强的腐蚀性，一旦吸入将对呼吸道和肺部造成极为严重且不可逆的损伤。

　　新一代发动机的研制迫在眉睫，长征火箭也要推陈出新。

　　因此，才有了长征五号、六号、七号、八号火箭的腾飞。这四个大型号，编成了新一代液体燃料长征火箭的梯队。

　　新一代长征火箭（从左依次为长征六号、八号、七号、五号） （图/千龙网）

　　把这四个型号放在一起的原因也很简单，他们都采用了同一种发动机——YF-100。这是一种分级燃烧循环的液体火箭发动机，采用煤油为燃料，液氧为氧化剂。和YF-20的偏二甲肼/四氧化二氮相比，煤油/液氧无毒，更加安全可靠，发动机性能也更加优秀。

　　新一代长征火箭在论证之初就把“模块化”作为目标，通过设计不同直径的芯级和助推器模块并加以组合，令运载火箭的设计与生产更加简单就像搭积木一样。

　　因此长征八号火箭从立项到首飞仅用了三年时间，火箭是全新的，技术是提前规划、业已成熟的。

　　模块化的新一代长征火箭（图/龙乐豪 等）

　　从发射微小卫星的长征六号小型火箭，到发射重型地球静止轨道卫星的长征五号大型火箭，再到专精太阳同步轨道发射的长征八号中型火箭，只要“搭积木”就可以了，省时省力又省心。

　　这就是“模块化”的好处，也是长征火箭“新陈代谢”的一大动力。

　　我们需要什么样的火箭？

　　21世纪的第二个十年，是中国航天极速发展的十年。

　　在载人航天工程取得决定性胜利后，中国的应用卫星也开始进入井喷式发射阶段，多年前辛苦种下的种子，都在最近这十年内成长为参天大树，结出累累硕果。

　　长征火箭完成第一个100次发射，用了37年（1970.4.24—2007.6.1）。

　　第二个100次，用了7年半（2007.6.1—2014.12.7）。

　　第三个100次，仅用4年零3个月（2014.12.7—2019.3.10）。

　　最近十年中国航天的发射次数，超过之前四十年发射次数的总和。

　　不过，巨大且迫切的发射需求，对长征火箭的“新陈代谢”不一定都是利好。

　　冷战中，美苏太空军备竞赛是一场烧钱的游戏，但血拼过后，这两个超级大国留下的不止有财政赤字，更有领先于时代的航天技术和完备的空间基础设施体系。

　　换句话说，他们的卫星“打齐了”，后面需要的是维持和换代。

　　但对我们而言，就是人有我无的困境。因此空间基础设施的建设是必须的，我们要补课，也要发射很多卫星，并且进度最好不要拖延。

　　现在，摆在卫星研发团队面前的有两种火箭，一种是老而弥坚、久经考验的“老长征”，一种是性能先进、刚出襁褓的“新长征”。

　　巧的是，对于大多数亟待发射的卫星而言，新老长征火箭都能满足任务需求，都能把卫星送入预定轨道。

　　你研制的卫星对国家很重要，晚一天投入使用，对国家都是一种损失。

　　然后你惊奇地发现，老长征不仅经过大量飞行验证，还更便宜！

　　任何一个项目的经费都是有限的，时间也是有限的，发射失败从来不是一个可选项。

　　那么，是用“老长征”，还是“新长征”呢？

　　答案不言自明，除非“老长征”实在打不动，否则大家都会自然倾向于“老长征”。

　　“老长征”的代表：长三乙火箭 （图/中国日报）

　　所以，我们到底需要什么样的运载火箭？

　　运载火箭的职责，是将航天器送入预定轨道，可靠性永远是第一位的，在可靠的基础上还要尽可能便宜。

　　技术先进性？只是确保火箭可靠且便宜的手段，而不是目的。

　　只要能满足航天器的具体需求，把航天器打上去，用户不在乎选用技术多先进的火箭，不在乎火箭是用氢氧发动机还是偏二甲肼加四氧化二氮。

　　就算您烧豆油，烧无烟煤，用竹竿把卫星捅上天，只要能满足具体需求，就没有问题。

　　世界上第一颗人造地球卫星、第一枚月球探测器、第一名宇航员、第一次太空行走……这些壮举都是由苏联完成。

　　但令人意外的是，这些航天活动都是由衍生自同一种型号的运载火箭完成的——这就是世界上第一种洲际导弹R-7。

　　衍生自R-7导弹的苏联运载火箭系列（图/NASA）

　　60多年了，R-7该退役了吧？

　　非但没有，这位功勋火箭反而越活越年轻，甚至与欧洲人合作，不远万里来到法属圭亚那的库鲁航天中心发射。

　　联盟号运载火箭自库鲁发射（图/arianespace）

　　仅今年，基于R-7的各型联盟号运载火箭就已经发射了14次，全部取得成功。

　　R-7系列火箭的超长寿命，固然有苏联解体后俄罗斯航天投入下降、后劲不足的原因，但如果不是科罗廖夫天才般的设计，如果没有全系列近2000次发射保底，R-7恐怕很早就会被历史的长河淹没，自然淘汰掉。

　　但还有一层原因，俄罗斯手握液氧煤油发动机的巅峰之作RD-170系列，坐拥曾经起飞推力世界第一的能源号运载火箭。现在破落了不要紧，关键技术俄罗斯还是掌握的。

　　手上没有剑，和有剑不用，不是一回事。

　　长征八号也好，新一代长征火箭也好，它们肩负的使命绝不只是“增强运载能力”、“定位于商业发射”，甚至“搞回收复用”这么简单。

　　它们肩负着中国航天技术改革的重任。

　　面对复杂局势、复杂环境，更要保持战略定力，潜心深挖中国航天的技术池，咬定青山不放松。

　　我国火箭专家、载人航天工程总设计师王永志同志曾经这样说过：“我们已经实现了历史性的突破。但摆在我们面前的任务还很重，缩小差距、追踪世界先进技术，在航天高技术领域占有一席之地的任务，历史地落在了我们的肩上。”

　　一切愿意献身中国航天事业的人们，让我们勇敢地挑起这付担子吧。

　　参考文献

　　[1]胡其正， 杨芳。 宇航概论[M]。 中国科学技术出版社， 2010。

　　[2]龙乐豪， 李平岐， 秦旭东，等。 我国航天运输系统60年发展回顾[J]。 宇航总体技术， 2018。

　　[3]秦旭东， 龙乐豪， 容易。 我国航天运输系统成就与展望简[J]。 深空探测学报， 2016（04）。

　　[4]胡海峰， 宋征宇， 孙海峰。 新型中型运载火箭控制系统架构及发展[J]。 导弹与航天运载技术， 2019（2）。

　　[5]王永志。 长征运载火箭的系列化和商业化[J]。 中国航天， 1989， 000（009）：10-14。