石豪：長征八號——中國運載火箭換代進行時

【文/觀察者網專欄作者 石豪】

北京時間12月22日12時37分，長征八號運載火箭自文昌航天發射場發射升空，將新技術試驗衛星等多顆衛星送入太陽同步軌道。

這次發射，不僅象徵著中國新一代運載火箭的全面亮相，也標誌著“十三五”規劃期間中國航天的新一代火箭發射任務圓滿收官。

中國航天2020年的“One more thing”

史蒂夫·喬布斯還在世的時候，不僅蘋果手機還附送充電器，他在年度釋出會上的“One more thing”（還有一件事），更是被人津津樂道，新一代macbook等眾多明星產品都在“One more thing”環節閃亮登場。

“One more thing……” （圖/蘋果釋出會）

長征八號，就是2020年中國航天帶來的“One more thing”。

長征八號運載火箭（圖/中國航天科技集團）

中國航天是全面發展的，既有探索未知的空間探測器，也有保障人民生產生活的應用衛星。除去建設週期長的導航星座外，目前大量投入使用的主要是執行在地球靜止軌道的通訊衛星，和太陽同步軌道的遙感衛星。

地球靜止軌道與太陽同步軌道（圖/NOAA SciJinks）

地球靜止軌道我們很熟悉了，在赤道上空35786千米高度，衛星的軌道週期與地球自轉週期一致，從地面看來衛星是高懸於赤道之上靜止不動的。

太陽同步軌道則要複雜一些。衛星在自己的軌道平面上繞地球旋轉，而地球也在繞太陽公轉。如果沒有擾動的話，衛星的軌道平面在太空中的方向是不會變的——也就是說，衛星的軌道面與日地連線的夾角會隨著地球公轉而不斷改變，就像下圖中紫紅色的軌道一樣：

但對於給地球拍照的遙感衛星來說並不合適，因為軌道面與太陽夾角的改變，意味著拍照時太陽光的方向改變，這給衛星照片的判讀處理平添了許多麻煩。

而太陽同步軌道設計的關鍵，恰恰就在“擾動”上。

如果地球是一個質量分佈均勻的完美球體，那對於衛星的執行幾乎沒有擾動，可地球偏偏是一個“扁球體”，赤道直徑比南北極直徑大一些，這就對衛星的執行增添了一些額外干擾。利用這種干擾，我們可以設計出一種軌道，讓衛星每轉一圈，軌道面都偏轉一點，偏轉的速度恰好是地球繞太陽公轉的角速度：每天0。9856度。

軌道面跟著太陽的方向同步轉動，這就是“太陽同步軌道”。

太陽同步軌道 （圖/舊金山州立大學）

太陽同步軌道很獨特，它的軌道傾角大於90度，衛星執行方向與地球自轉方向相反，是所謂的“逆行軌道”。因此地球自轉速度對於發射非但沒有幫助，反而是一種阻礙。

之前，我們都是採用長征二號丙/丁，或者長征四號乙/丙火箭執行太陽同步軌道發射任務，700千米太陽同步軌道運力可以達到3噸，再大就力不從心了。所以今年12月6日，我們在西昌用運載能力更強的長征三號乙火箭發射高分十四號衛星，而長三乙一直是用於發射地球靜止軌道衛星的，“臨時客串”並不是常態。

長征八號火箭，為改變這種現狀而來。

火箭也要“新陳代謝”

在我們的印象中，中國航天是由長征二號、三號、四號三個大型號的運載火箭撐起來的。

從主攻低軌的長征二號系列，到包攬地球靜止軌道的長征三號系列，再到專注太陽同步軌道的長征四號系列，老一代長征火箭在過去的半個世紀裡以極高的可靠性完成了超過300次發射。

“老長征”能夠取得巨大成功，與YF-20系列液體火箭發動機密不可分。YF-20採用偏二甲肼燃料，四氧化二氮作為氧化劑，能夠產生70噸級的推力。由YF-20演化而來的多型發動機，被長征二號、三號和四號系列火箭所採用，安裝在一級、二級和助推器上。

YF-20系列發動機（圖/網際網路）

可以說，中國航天的發展，乃至我國戰略反擊力量的擔子，都長期壓在YF-20肩上，YF-20以一己之力撐起了長征火箭的輝煌歷史。

不過，以現在的眼光來看，YF-20系列發動機在技術上並不先進，甚至還很落後。效能指標無法與國際領先水平相提並論不說，採用的偏二甲肼燃料有劇毒，氧化劑四氧化二氮更是有極強的腐蝕性，一旦吸入將對呼吸道和肺部造成極為嚴重且不可逆的損傷。

新一代發動機的研製迫在眉睫，長征火箭也要推陳出新。

因此，才有了長征五號、六號、七號、八號火箭的騰飛。這四個大型號，編成了新一代液體燃料長征火箭的梯隊。

新一代長征火箭（從左依次為長征六號、八號、七號、五號） （圖/千龍網）

把這四個型號放在一起的原因也很簡單，他們都採用了同一種發動機——YF-100。這是一種分級燃燒迴圈的液體火箭發動機，採用煤油為燃料，液氧為氧化劑。和YF-20的偏二甲肼/四氧化二氮相比，煤油/液氧無毒，更加安全可靠，發動機效能也更加優秀。

新一代長征火箭在論證之初就把“模組化”作為目標，透過設計不同直徑的芯級和助推器模組並加以組合，令運載火箭的設計與生產更加簡單就像搭積木一樣。

因此長征八號火箭從立項到首飛僅用了三年時間，火箭是全新的，技術是提前規劃、業已成熟的。

模組化的新一代長征火箭（圖/龍樂豪 等）

從發射微小衛星的長征六號小型火箭，到發射重型地球靜止軌道衛星的長征五號大型火箭，再到專精太陽同步軌道發射的長征八號中型火箭，只要“搭積木”就可以了，省時省力又省心。

這就是“模組化”的好處，也是長征火箭“新陳代謝”的一大動力。

我們需要什麼樣的火箭？

21世紀的第二個十年，是中國航天極速發展的十年。

在載人航天工程取得決定性勝利後，中國的應用衛星也開始進入井噴式發射階段，多年前辛苦種下的種子，都在最近這十年內成長為參天大樹，結出累累碩果。

長征火箭完成第一個100次發射，用了37年（1970。4。24—2007。6。1）。

第二個100次，用了7年半（2007。6。1—2014。12。7）。

第三個100次，僅用4年零3個月（2014。12。7—2019。3。10）。

最近十年中國航天的發射次數，超過之前四十年發射次數的總和。

不過，巨大且迫切的發射需求，對長征火箭的“新陳代謝”不一定都是利好。

冷戰中，美蘇太空軍備競賽是一場燒錢的遊戲，但血拼過後，這兩個超級大國留下的不止有財政赤字，更有領先於時代的航天技術和完備的空間基礎設施體系。

換句話說，他們的衛星“打齊了”，後面需要的是維持和換代。

但對我們而言，就是人有我無的困境。因此空間基礎設施的建設是必須的，我們要補課，也要發射很多衛星，並且進度最好不要拖延。

現在，擺在衛星研發團隊面前的有兩種火箭，一種是老而彌堅、久經考驗的“老長征”，一種是效能先進、剛出襁褓的“新長征”。

巧的是，對於大多數亟待發射的衛星而言，新老長征火箭都能滿足任務需求，都能把衛星送入預定軌道。

你研製的衛星對國家很重要，晚一天投入使用，對國家都是一種損失。

然後你驚奇地發現，老長征不僅經過大量飛行驗證，還更便宜！

任何一個專案的經費都是有限的，時間也是有限的，發射失敗從來不是一個可選項。

那麼，是用“老長征”，還是“新長征”呢？

答案不言自明，除非“老長征”實在打不動，否則大家都會自然傾向於“老長征”。

“老長征”的代表：長三乙火箭 （圖/中國日報）

所以，我們到底需要什麼樣的運載火箭？

運載火箭的職責，是將航天器送入預定軌道，可靠性永遠是第一位的，在可靠的基礎上還要儘可能便宜。

技術先進性？只是確保火箭可靠且便宜的手段，而不是目的。

只要能滿足航天器的具體需求，把航天器打上去，使用者不在乎選用技術多先進的火箭，不在乎火箭是用氫氧發動機還是偏二甲肼加四氧化二氮。

就算您燒豆油，燒無煙煤，用竹竿把衛星捅上天，只要能滿足具體需求，就沒有問題。

世界上第一顆人造地球衛星、第一枚月球探測器、第一名宇航員、第一次太空行走……這些壯舉都是由蘇聯完成。

但令人意外的是，這些航天活動都是由衍生自同一種型號的運載火箭完成的——這就是世界上第一種洲際導彈R-7。

衍生自R-7導彈的蘇聯運載火箭系列（圖/NASA）

60多年了，R-7該退役了吧？

非但沒有，這位功勳火箭反而越活越年輕，甚至與歐洲人合作，不遠萬里來到法屬蓋亞那的庫魯航天中心發射。

聯盟號運載火箭自庫魯發射（圖/arianespace）

僅今年，基於R-7的各型聯盟號運載火箭就已經發射了14次，全部取得成功。

R-7系列火箭的超長壽命，固然有蘇聯解體後俄羅斯航天投入下降、後勁不足的原因，但如果不是科羅廖夫天才般的設計，如果沒有全系列近2000次發射保底，R-7恐怕很早就會被歷史的長河淹沒，自然淘汰掉。

但還有一層原因，俄羅斯手握液氧煤油發動機的巔峰之作RD-170系列，坐擁曾經起飛推力世界第一的能源號運載火箭。現在破落了不要緊，關鍵技術俄羅斯還是掌握的。

手上沒有劍，和有劍不用，不是一回事。

長征八號也好，新一代長征火箭也好，它們肩負的使命絕不只是“增強運載能力”、“定位於商業發射”，甚至“搞回收複用”這麼簡單。

它們肩負著中國航天技術改革的重任。

面對複雜局勢、複雜環境，更要保持戰略定力，潛心深挖中國航天的技術池，咬定青山不放鬆。

我國火箭專家、載人航天工程總設計師王永志同志曾經這樣說過：“我們已經實現了歷史性的突破。但擺在我們面前的任務還很重，縮小差距、追蹤世界先進技術，在航天高技術領域佔有一席之地的任務，歷史地落在了我們的肩上。”

一切願意獻身中國航天事業的人們，讓我們勇敢地挑起這付擔子吧。

參考文獻

［1］胡其正， 楊芳。 宇航概論［M］。 中國科學技術出版社， 2010。

［2］龍樂豪， 李平岐， 秦旭東，等。 我國航天運輸系統60年發展回顧［J］。 宇航總體技術， 2018。

［3］秦旭東， 龍樂豪， 容易。 我國航天運輸系統成就與展望簡［J］。 深空探測學報， 2016（04）。

［4］胡海峰， 宋徵宇， 孫海峰。 新型中型運載火箭控制系統架構及發展［J］。 導彈與航天運載技術， 2019（2）。

［5］王永志。 長征運載火箭的系列化和商業化［J］。 中國航天， 1989， 000（009）：10-14。