研制长征运载火箭的功臣（终结篇下）：薪火相传，共筑航天强国梦。

小梅沙

上期文章中，我为大家介绍了我国研制长征一号、长征二号系列、长征三号系列运载火箭的艰难历程以及设计它们的功臣。我国的科研事业始终以“老人带新人，师傅带徒弟”的方式薪火相传，不断发扬壮大。在80年代以后，我国的国力得到了长足的发展，探索太空的步伐也越来越远、越来越频繁，对火箭的要求也随之提高。钱学森、“航天四老”、孙敬良、谢光选、刘竹生、龙乐豪等前辈科学家带出来的人才勇敢地承担起了时代的重任，为我国研制出了多个性能优良的长征火箭系列，为今日中国航天事业的辉煌成就做出了巨大贡献。

上海航天技术研究院

长征四号火箭的研制背景

h在20世纪80年代，各国的航天事业迎来一个新的发展高峰，其中太阳同步轨道卫星凭借应用前景广泛的优势异军突起。这类卫星为了得到清晰的地面图像或视频资料，总是追逐太阳的脚步运行。它的轨道平面法线与太阳方向在赤道平面上的投影之间的夹角保持不变，通常约为90°，这与地球公转方向相同，每天自西向东旋转大约0.9856度，即360度/年。在这个过程中，卫星每天绕地球两极飞行15圈，总在白天的同一时间出现在同一地区的上空，因此这类卫星也被称为极地轨道卫星。

由于太阳同步轨道是个高度不超过6000千米的巨大椭圆，因此发射太阳同步轨道卫星的精度要求更高，这就需要大推力的姿态控制更精确的运载火箭来发射。于是我国从1984年开始研制用于发射太阳同步轨道卫星的长征四号火箭，上海航天技术研究院的孙敬良院士承担起总设计师一职。孙敬良是哈工大的高材生，1958进入国防部第五研究院二分院，跟随钱学森、“航天四老”等前辈科学家学习导弹、火箭的研制。1965年，国防部五院二分院与上海第二机电工业局合并，孙敬良等一大批青年科技人才随二分院迁往上海，从此开始了独立研制火箭、卫星的历程。


孙敬良院士

上海航天技术研究院的功勋科学家——孙敬良院士

孙敬良在“文革”后期担任总设计师，研制了“风暴一号”火箭。虽然“风暴一号”火箭早已退役，但它在1981年9月20日以“一箭三星”的方式将三颗实践二号卫星依次送入各自的预定轨道，使我国成为第四个独立掌握"一箭多星"发射技术的国家。正因为在这些研制火箭方面积累了丰富的经验，所以在1978谢光选院士在研制大推力的长征三号火箭时，孙敬良被任命为副总设计师，总抓了部分技术的攻关工作。

与此同时孙敬良还带领团队研制了长征三号火箭的备份火箭“新长征三号”。1984年，长征三号火箭研制成功后，“新长征三号”火箭改为长征四号火箭，专门用于发射太阳同步轨道卫星，孙敬良与张卫东、马佳等人组成研制团队，继续改进火箭性能。在研制长征四号火箭的过程中，孙敬良为了把控质量，常常冒着被偏二甲肼、四氧化二氮等有毒推进剂伤害的风险，亲自坐镇试验场。他说过的最具震撼力的话是“我这个总设计师可以骑在发动机上试车！”他不仅是这样说的，更是这样做的。1988年9月7日，长征四号火箭将任新民主持设计的“风云一号”太阳同步轨道气象卫星送入预定轨道，从此告别了我国完全依赖外国气象卫星数据的历史。


孙敬良院士在发射试验场

孙敬良一生中最得意的两个弟子是马佳和张卫东。除了共同研发长征四号甲、长征四号乙、长征四号丙等用于发射太阳同步轨道卫星的专用火箭外，两人还各自担任了主要负责人，研发了另外两种性能优良的火箭。上世纪九十年代中期，我国的航天发射连续遭遇失败，长征火箭陷入信任危机。孙敬良和马佳等人研发的长征二号丁火箭力挽狂澜，连续发射成功，三次实现了中国航天发射史上的“龙抬头”，挽回了长征火箭的声誉。他们研制的“动力调谐陀螺平台”就像是火箭的眼睛，能够控制火箭精准入轨，后来被广泛应用在火箭发射中，为我国长征运载火箭的高成功率奠定了坚实的基础。

我国第三代长征火箭

进入21世纪后，随着我国航天事业的蓬勃发展，“载人航天”、“北斗导航”、“嫦娥探月”、以及行星探测的“天问系列”等重大工程相继启动，航天发射日益变得频繁，现有的长征系列运载火箭已经难以满足密集的发射需求。而且，大多数现有的长征火箭都采用有毒的推进剂，频繁发射难免会对环境造成污染。为了解决这一问题，我国急需研制出一系列大推力、成本低、适应性强、安全可靠的“绿色”运载火箭。从2006年开始，我国启动了第三代火箭的研制，包括长征五号、长征六号和长征七号火箭。

这三个系列的火箭互为补充，满足了应用卫星和航天器的各种轨道发射需求。其中，长征五号的运载能力最强，地球同步转移轨道的有效载荷达到14吨，可以发射绝大多数大质量的卫星和航天器；长征七号的运载能力居中，地球同步转移轨道有效载荷为7吨，可以满足中等质量的太阳同步轨道和近地轨道卫星的发射；长征六号火箭作为补充，可以满足质量在一吨以下的太阳同步轨道的一颗或者多颗微小卫星的发射。这些火箭都采用无毒、无污染的液氢液氧或者航空煤油做燃料。

长五火箭的总设计师李东——“唯有伏枥自奋蹄，上报国家下队伍”

2006年，我国目前运载最强的长征五号火箭开始研制，火箭院龙乐豪院士带出来的李东担任了总设计师，杨虎军、朱曦全担任了副总设计师。长五火箭为了取得最强的推力、最安全可靠的性能，采用了90%的新技术，这对于李东他们来说是一次严峻的挑战。因为在按照以往的经验，“用在新航天器上的新技术比例不能超过30%，否则将要承受巨大的失败风险”。但是李东认为“跟在别人后面，那样我们就永远落在后面。”执着的十几年如一日地投入到研制中，不仅攻克一个又一个技术难题，还在不断地调整优化方案，努力降低火箭的制造和发射成本。


长征五号火箭总设计师李东

科研的道路从来都是充满荆棘，有过惨痛的失败，也有过令人欢欣的成功。2019年12月27日，在历经了908天的复查、改进后，长五火箭复飞，将10吨的“东方红五号”大型卫星平台实验卫星送到了地球同步轨道。在之后的几年中长五火箭承担了中国空间站的后期建设，今后将会成为探月三期工程的主力火箭。长五火箭的研制成功无疑是我国航天史上的又一座里程碑，有了它中国将从航天大国走向航天强国。为了研制长五火箭，李东院士从意气风发的青年人熬成了两鬓斑白的老年人，正像他写过的一首诗词中描述的那样“曾经少年白发出，劳碌无暇话辛苦。唯有伏枥自奋蹄，上报国家下队伍。”

张卫东突破的新记录——“一箭20星”

长征六号火箭是我国常规中型火箭中运载能力最强的火箭，它是孙敬良院士的弟子张卫东在2009年开始主持研制的。2015年9月20日，长六火箭首次飞行就将我国及亚洲“一箭多星”的发射数量记录刷新到二十颗。虽然这项记录在2017年被印度的PSLV-C37运载火箭以“一箭104星”打破，但我们的技术含量却远高于印度。“一箭104星”，听上去很恐怖，但实际上有101颗卫星都是质量在几公斤到几百克的很小的卫星。并且它们都被送往同一近地轨道。而我们长六火箭的“一箭二十星”，却是将20颗卫星送入几条高度不同的太阳同步轨道，这就需要火箭经过经多次变轨才能做到。市场是只认性价比的，长六火箭一箭多星的发射能力很快得到国际卫星制造商和用户的认可，在近几年中为阿根廷等国发射了多颗卫星。


长征六号火箭的总设计师张卫东

范瑞祥、程堂明的“组合金刚”——长征七号火箭

长征七号火箭是为中国空间站建设设计的中型火箭。其总设计师和副总设计师分别是刘竹生院士的学生范瑞祥和程堂明，二人都在研制长征二号丙和长征二号F火箭的过程中担任过系统技术负责人，积累了二十多年的工作经验。从2008年起，经过八年的努力，融合了长二F火箭和长五火箭技术优点的新火箭长征七号终于在2016年6月研制成功。这款火箭采用数字化控制，用液氧、液氢、煤油等液体燃料，无毒无污染，成本低廉。更为重要的是长七火箭设计灵活，它就像一个“组合金刚”，任何子级可以和其他长征火箭的子级组合形成新的火箭，配合“远征号”上面级可以发射较大质量的近地轨道、太阳同步轨道、地球同步轨道等多种卫星。从研制成功后，长六火箭就担任了所有“天舟号”货运飞船的发射以及多颗“实践”系列卫星的发射任务。


长征七号总设计师范瑞祥

长征八号和长征十一号火箭的研制背景

2010年以后，美国马斯克的太空探索技术公司提出了庞大的“星链”计划，计划组网4.2万颗微小卫星。其他国家也纷纷效仿，制定出各自的“星座计划”。这些组网卫星有的是在近地轨道运行的微小卫星，有的则是在太阳同步轨道运行的小卫星或大卫星。由于我国的长征火箭在国际发射服务市场上有很高的声誉，因此许多国家都希望用我国的长征火箭发射他们的“星座计划”卫星。但是我国的许多重大航天任务已经启动，现有的火箭都有各自的发射任务，并且大多数火箭用来发射微小卫星，有些奢侈，运载能力都有剩余。

因此需要研制发射成本更低廉，发射周期更短，适应性更广泛的运载火箭，为此火箭院论证了两种系列型号的火箭，一种是长征八号火箭，它是用来发射太阳同步轨道卫星的；另一种是长征十一号火箭，它是用来发射微小卫星的。两种火箭的运载能力都较强，并且具备一箭多星的发射能力。


等待发射的长征八号火箭

宋征宇见证我国载人航天的发展

长征八号火箭的总设计师是宋征宇，从1995年进入火箭院后，宋征宇就跟随刘竹生院士参与了长二F火箭的研制，并在2004年担任了副总设计师。宋征宇亲自见证了我国载人航天工程的实施和发展，他和师傅、师兄弟们研制的长二F火箭一次次将神舟飞船送上太空，也将杨利伟、翟志刚、聂海胜、刘洋、王亚平等航天员送上了我们自己的空间站。长二F火箭的成就是有目共睹的，自1999年研制成功后，就一直用于发射神舟飞船，成功率为100%，有“神箭”、“中国航天员太空专列”的美誉。作为火箭人一生能够有机会参与这样一项伟大的事业，宋征宇感到非常幸运。

2017年，宋征宇又承担起研制长征八号火箭的重任。他在工作实践中大胆创新，运用虚拟与现实相结合的方法，在研制初期大量采用长征火箭现有的成熟技术，通过数学建模与仿真获取火箭参数，省去了用实物火箭做大量试验的火箭，缩短了研制时间，降低了研制成本，只用三年多时间就成功研制出长八火箭。目前长八火箭只发射了两次，每次都是以一箭多星的方式准确将多颗太阳同步轨道卫星送入各自的轨道。2022年02月27日的第二次发射，长八火箭就以“一箭22星”的方式刷新了我国一箭多星的记录。


长征八号火箭的总设计师宋征宇

“火箭回收重复利用”有望在未来几年中实现

长八火箭除了采用前辈们的成熟技术外，也运用了多项自己的创新技术，这些技术中最具潜力的就是火箭的“回收”技术。以往的长征火箭在飞出大气层后，火箭的一级和助推器会与二级迅速脱离，然后被遗弃在太空中，或者坠入大气层被燃烧掉。这部分火箭如果能够被回收重复利用，将会节省70%的制造成本。

目前世界上只有美国马斯克控制太空探索技术公司（SpaceX）研制的“猎鹰9号”火箭有“回收”的技术。“猎鹰9号”火箭芯一级的9台发动机中，部分发动机具有“二次启动”、“反向推动”、“燃料节流”等核心技术。当火箭在升空阶段时，发动机控制系统会根据火箭升空的最低需求，控制燃料流量，节省下少量燃料。当芯一级脱离后，发动机会二次启动，调整好姿态，在反向推力的作用下，回到大气层中。在火箭一级自由下落时，顶部的栅格舵、当热板等装备打开，降低火箭下落的速度，避免火箭与大气剧烈摩擦而烧毁。最后火箭在落到海面的接应船上前，会展开四个撑脚，使火箭平稳降落。


模拟长征八号R火箭回收的图片

这些核心技术中，其他技术我们已经掌握，唯有“火箭发动机节流”技术，较难掌握。宋征宇在研制长八火箭时，并没有奔着“回收”的目的去节省燃料，而是为了降低对流层顶端的平行大风对火箭造成的影响，想尽办法降低火箭的速度，没想到“无心插柳柳成荫”，居然攻克了“火箭发动机节流”难题。他采用了被称为“大静不稳火箭主动减载控制技术”，使火箭的推力在不影响升空的前提下，速度下降了25%，即实现了75%的节流。虽然这比“猎鹰9号”45%的节流技术还有很大的差距，但我们通过自主创新，已经掌握了这项核心技术，追赶和超越只是时间问题，相信用不了几年，我们现有的绝大多数长征火箭会实现“重复回收利用”的。

彭昆雅——“未来的航天发射将会变得如同同飞机起飞，火车到站一般的普通！”

长征十一号火箭是我国首枚“海射火箭”，它是在2010年正式立项研制的。青年科学家彭昆雅担任总设计师，运用长征火箭的优秀成熟技术以及团队集思广益攻克的多项关键技术，仅用2年多时间，就完成研制的一款火箭。2015年9月25日，长十一火箭首次飞行就以“一箭四星”迎来了开门红。后来经过改进，长十一火箭具备了灵活多样的发射方式，可以在任何状态的地面发射，也可以在颠簸行进中的发射车上发射，还可以在波涛汹涌的大海上行进中的船舶上发射。无论哪种发射发射，火箭都自备了可以重复利用的简易发射平台，无需准备大型的发射塔，缩短了发射周期以及降低了发射成本。


长征十一号火箭的总设计师彭昆雅

2019年6月5日，长十一火箭在黄海海面的货船上将九颗卫星送入各自的轨道。它的发射发射非常奇特，火箭首先在少量燃气的推动下，弹起到40米的空中，当火箭达到动态平衡时，才正式点火升空。长十一火箭是我国的首枚“海射火箭”，它灵活多变的发射方式必将改变未来火箭的研制方向。总设计师彭昆雅坦言：“中国未来的航天发射将不再是新闻事件，它会变得如同飞机起飞，火车到站一般的普通！”

用于登月的两款重型火箭

我国现有的长征火箭以及主要的设计者到这里就介绍完了，目前还有长征九号和长征十号两种火箭正在研制中。这两个型号的火箭都计划用于未来的“载人登月”发射任务，其中长征九号火箭是在2010年就开始论证的重型火箭，目前有张智和杨虎军两位总设计师。研制中的长征九号的运载能力可以和美国用于“阿波罗计划”的“土星五号”火箭相媲美，近地轨道运载能力达140吨、地月转移轨道运载能力在15~50吨之间、地火转移轨道运载能力在12~44吨之间，计划在2028年实现首飞。


珠海航展上亮相的长征九号火箭模型

长征十号火箭是在上世纪六七十年代，美苏两国争相进行探月、登月的背景下准备研制的重型火箭，是我国“曙光载人航天计划”的一部分。后来由于经费不足，计划搁置，长征十号火箭的研制也停止。2010年以后，世界各主要航天大国又掀起了新一轮探月**，美国雄心勃勃的提出了“重返月球”的计划，俄罗斯、欧空局都提出了自己的登月计划，日本计划在2030年建成自己的月球基地，印度也计划在2020年让宇航员登上月球。我国在2004年启动探月的“嫦娥”工程，计划在2030年实现登月。工程前期的发射任务由长征五号、长征三号乙、长征三号丙等大推力的火箭足够胜任，但是将航天员送上月球，现有的长征火箭显然运载能力不足，于是我国从2010年开始论证长征九号和长征十号重型火箭。最后到底用哪款火箭来执行登月计划，目前还没有确切的消息。


长征十号火箭的数据

无论最后选择哪个型号的火箭，中国在2030年前后一定会登上月球的，让我们期待这激动人心的时刻吧！