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↑一群国家地理控，专注于探索极致世界 中国航天日特辑 飞天之路 注定是坎坷的 年2月15日 长征三号乙运载火箭 在万众期待下首次出征 然而火箭起飞不到2秒 却突然偏离发射方向 （长征三号乙首发，箭体姿态出现异常，图片来源 InternetArchive）▼ 此后短短22秒内 火箭头部下坠、径直撞向山坡 最终在冲天的火光中 粉身碎骨、灰飞烟灭 这是中国运载火箭 第9次发射失败 （长征三号乙首发失利，坠毁于距发射场1.85千米外的山坡，图片来源 InternetArchive）▼ 20余年后 年4月9日 已连续成功发射26次的长征三号乙 又因火箭第三级工作异常而坠落解体 这是中国运载火箭 第22次发射失败 截至目前 中国航天史上 共计有22次发射失败 但与此同时 发射成功的次数达到 次 （请横屏观看，长征七号首飞，这是中国“长征”系列运载火箭第次发射成功；另：上文中仅将航天器到达目标轨道视作成功，摄影师 苟秉宸）▼ 是的 失败是沉痛的 但科学的高峰 却永远是咬着牙、含着泪 才能攀上的 （下文引自“中国航天之父”钱学森） ▼ 正确的结果，是从大量错误中得出来的。 也正因如此 50年前 我国成功发射的第一颗人造卫星 只有“微小”的0.吨 50年后 一代代中国运载火箭 载着 北斗、风云、高分、鹊桥、尖兵 实践、长空、烽火、海洋、神通 探测、前哨、资源、鑫诺、天链 中星、天拓、天绘、珞珈、云海 载着 神舟、天舟、嫦娥、天宫 一次次摆脱地心引力 奔向星辰大海 （请横屏观看，中国“长征”系列运载火箭主要型号型谱，制图 陈随/星球研究所）▼ 这是一条怎样的升级之路？ 未来又将如何呢？ 01 小型火箭的诞生 年1月30日 我国第一颗中远程弹道导弹 东风四号 试飞成功 它利用燃烧产生的 喷射气流提供推力 推进剂则是 “燃料+氧化剂”的组合 可以彻底摆脱燃烧对氧气的依赖 即便在无氧的太空环境 也能自由飞行 它的箭体 由下至上分为两级 第一级工作结束后便在高空分离 再由第二级重新点火、接力推进 这便是 中国运载火箭的雏形 （第一级箭体分离场景，右侧白色轨迹为分离坠落的第一级箭体；此为中国民营火箭双曲线一号发射，供示意，摄影师 余明）▼ 然而 要实现环绕地球飞行 卫星的飞行高度 一般不能低于千米 相应的入轨速度也需接近7.9千米/秒 否则将在地球引力和大气阻力的作用下 坠入大气层中 （上文中的7.9千米/秒，即为第一宇宙速度，制图 陈思琦陈随/星球研究所）▼ 遗憾的是 这样的速度和高度 令东风四号望尘莫及 于是工程师们 在原有箭体上继续加级 将其升级为三级火箭 箭体顶部的导弹弹头 则被卫星取代 并由整流罩加以保护 避免遭受高速气流的冲刷 （火箭整流罩，用爆炸螺栓连接，螺栓起爆即可解锁分离、抛掉整流罩；下图为长征七号整流罩，作示意，摄影师 王若维）▼ 第一级与第二级之间 由金属杆相连 连接处如同被镂空 以便二级发动机点火时 喷射的火焰能经此尽快排出 （两级间的“镂空”结构即为斜拉金属杆；下图为长征四号丙的外形，供示意，剥落的是泡沫保温层，摄影师 韩超）▼ 经过一系列优化 东风四号导弹摇身一变 中国的第一枚运载火箭 长征一号（CZ-1） 就此诞生 （长征一号火箭结构示意，制图 陈随/星球研究所）▼ 它直径2.25米、高约30米 能将不超过 0.3吨 的载荷 送至高度约千米的近地轨道 例如中国第一颗人造卫星 东方红1号 自此 中国成为继苏、美、法、日之后 第五个独立发射人造卫星的国家 中国航天的近地卫星时代 也就此开启 （东方红1号，摄影师 Brucke-Osteuropa）▼ 然而 0.3吨的载荷 远远满足不了一般卫星的需求 运载火箭势必再次升级 推进剂上 人们改用全新的 “燃料+氧化剂”组合 “偏二甲肼+四氧化二氮” 它们均为常温液体 不仅具有更高的推进效率 且一旦相遇便可立即燃烧 点火简单、维护方便 （此处的推进效率是指“比推力”，即单位时间内消耗单位推进剂产生的推力，也称“比冲”，下文同；四氧化二氮分解可产生棕红色的二氧化氮，因此火箭起飞时可见棕红色的浓烟，摄影师 阿毛）▼ 结构上 火箭直径加大至 我国铁路运输的极限尺寸 3.35米 由于直径更大、推进剂更强 即便重回两级火箭 也能达到入轨速度 （载着火箭部件前往西昌发射中心的火车，摄影师 Donald）▼ 升级后的新一代火箭 其一 得名风暴一号（FB-1） 它令我国首次能够 发射超过1吨的卫星 也首次实现“一箭三星” （停放在酒泉卫星发射中心的风暴一号模型，摄影师 苟秉宸）▼ 其二 便是长征二号（CZ-2） 其近地轨道载荷约 1.8吨 成功发射了 我国第一颗返回式卫星 可谓走出了载人航天的第一步 （注意：此处的“近地轨道”是指高度约-千米的轨道，后文如无特别说明均采用此范围；下图为我国发射并回收的第一颗返回式卫星尖兵一号，图片来源 VCG）▼ 然而此时 中国运载火箭的近地轨道载荷 仍未突破2吨 属于小型火箭范畴 更大的卫星、更远的星空 载人航天的期盼、空间站的梦想 都将交给下一代火箭 成为它们光荣的使命 02 中型火箭的使命 中型火箭的近地轨道载荷 在2-20吨之间 在长征二号基础上改进的 长征二号丙（CZ-2C） 长征二号丁（CZ-2D） 比原火箭高出近10米 能携带更多燃料 加之材料和发动机的优化 其近地轨道载荷可增至约 4吨 一举步入中型火箭行列 成为发射返回式卫星的主力军之一 （长征二号丁也沿用了部分长征四号的技术，下图为长征二号丁发射升空，摄影师 曾诚宇）▼ 然而 这类卫星常工作在 高度约几百千米的近地轨道 相较之下 气象卫星轨道高度约千米 导航卫星可达到约00千米 还有一类轨道则更为遥远 其高度约千米 且轨道平面与赤道平面重合 运行在这里的卫星 能与地面始终保持相对静止 这便是独一无二的地球静止轨道 在理想状态下 这里只需部署三颗卫星 便可基本覆盖全球通信 （不同高度的航天器轨道示意，制图 陈思琦陈随/星球研究所）▼ 但要抵达地球静止轨道 却并非易事 卫星须用“多级跳”的方式 先以约10千米/秒的速度 进入一个过渡轨道 再通过精确的变轨 在目标轨道的指定位置上入轨定位 这意味着 我们还需要 飞得更远、更高、更精准的火箭 （上文中的过渡轨道即为“地球同步转移轨道”，下图是地球静止轨道卫星发射过程示意，制图 陈思琦陈随/星球研究所）▼ 为此 工程师们首先尝试的 依旧是 纵向加级 但此时人们却面临着 两种艰难的选择 其一 是以长征二号丙为基础 在第三级使用全新的低温推进剂 “液氢+液氧” 替换传统的常温推进剂 新推进剂的推进效率再次增强 但发动机技术难度更高 液氢温度低于-℃又易燃易爆 因此从发动机技术 到燃料的贮存、运输、加注 一切都要从零开始 （长征三号系列火箭在总装厂房调试，可见被拆开的燃料箱，摄影师 宿东）▼ 其二 则是在风暴一号的基础上 第三级依旧使用技术成熟的 传统常温推进剂 风险更低、把握更大 一面是高技术 一面是低风险 这个选择并不好做 人们各执己见、争论不休 直到中国通信卫星总工程师 任新民站出来说 （引自任新民，参考中国运载火箭技术研究院《天穹神箭》） ▼ 中国要想在本世纪末成为航天大国，甩掉落后的帽子，眼睛必须瞄准当代火箭发动机的高峰……航天事业本身就是个大风险，如果怕失败、怕风险，还搞什么航天！ 此一言掷地有声 而自此约10年后 成功扛起我国 地球静止轨道卫星发射大旗的 便是采取第一套方案 第三级使用“液氢+液氧”推进剂的 长征三号（CZ-3） （长征二号丙和长征三号的结构对比，制图 陈随/星球研究所）▼ 其第三级的推进剂贮箱 防冻、防渗、防潮、绝热 发动机则能进行二次点火 令卫星再次加速 进入过渡轨道 而进一步改进诞生的 长征三号甲（CZ-3A） 更首次将我国卫星 送入前往月球的必经之路 地月转移轨道 从此在中国航天史上 开启了嫦娥时代 （长征三号甲发射“嫦娥一号”探月卫星，拍摄于7年10月24日，摄影师 雨水）▼ 与此同时 仍使用传统常温推进剂的 另一套加级方案 也在同步进行 这便是 长征四号系列 （CZ-4A、CZ-4B、CZ-4C） 它们是发射太阳同步轨道卫星的主力军 （长征四号乙，摄影师 史悦）▼ 这又是一类特殊的轨道 其轨道平面可绕地轴旋转 且旋转周期与地球公转周期一致 因此每当卫星经过同一地点上空时 总能保持相同的日照条件 极其适合气象、地面观测 但这种轨道的倾角 往往超过90° 需要火箭提供大量推力 用于改变飞行方向 （太阳同步轨道示意，以风云一号卫星轨道为例，制图 陈思琦陈随/星球研究所）▼ 因此当年9月7日 长征四号甲载着第一颗 风云一号气象卫星 成功进入高约公里、倾角99°的 太阳同步轨道时 便受到了国内外的高度
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