鲁班再世：长五撼天记 | 老和山下的小学僧

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导读

很多时候太空技术不是“能不能”，而是“稳不稳”，如果今天土共不管死活就是要登月，技术上能不能做到？以阿波罗为模版，拿纸笔算一算。

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基础原理看多了，真觉得人类科技还非常落后！万一天顶星人打过来，人类存亡便在旦夕间！每每想及此处，着实烦恼不已！为了拯救地球，大家快快学习科学知识，努力争做四有新人！

渺小的人类，依旧按着300年前的牛顿第三定律，靠向外扔东西产生的反推力获取动力，为了扔的更有力，还得拼了老命压缩空气！但空气含氧量只有两成，直接白费了八成力气，而且压缩比也不高。军用发动机的压气机级数约六七级，总压缩比约25（空气被压缩到1/25），民用的十多级，压缩比撑死也就50。

这样算下来，最终的氧气浓度也就15克/升。用这点氧气燃烧扔东西，能产生多大推力呢？大推力航空发动机通常30吨左右，世界记录是通用公司地面测试的56.9吨，这对于火箭来说，连塞牙缝都不够！免费的压缩空气不好用，那就自带呗！氧气压缩到极限就是液氧，密度达到1141克/升，无论够不够塞牙缝，这都是人类科技的极限，不能再多了。

火箭做小了就是个二踢脚鞭炮，但伟大的马克思主义哲学教导我们：量变引起质变。随着登天的东西越来越大，这事慢慢就变得比登天还难了。于是，“火箭航天发动机”就走上了一条与“飞机航空发动机”完全不同的道路。

火箭就是“燃料罐+发动机”。关于燃料，从效率上看，液氢/液氧是最佳搭配，但考虑到稳定性等问题，也会采用煤油/液氧、偏二甲肼/四氧化二氮（剧毒）等等。燃料的技术含量不高，大家区别不大，但发动机的套路就复杂了，主要体现在“推力”和“比冲”（可理解为油耗）两个参数上。油耗低不是为了省钱，而是意味着携带燃料少，可以减轻整个系统的负担，得充分理解减重的意义。

归根结底，火箭就是用来送货的，所以“用多大的火箭，送多重的货”是最直观的数据。学术点说，用起飞重量、近地轨道运载能力（LEO运载能力）、同步轨道运载能力（GTO运载能力）可以看出发动机推力和比冲的水平。

看得出来，美帝依然是人类之光，大毛的家底也没啃完，欧萌和脚盆的工业底子都还在（欧萌差是差在不能专心做事，从来没有统一的声音；脚盆差是差在全系统的整合能力，原本体格就小又遭美帝阉割），阿三是世界宠儿，所有人（除土共）的东西随便买，勉强还是能凑出个模型。总得来说，土共的长征五号只能算中规中矩。

这里有个小疑问，为啥毛子的LEO和大家差不多，但GTO却差这么多？原因很简单，毛子命苦，发射场都太靠北，同步卫星转到赤道上要浪费很多燃料，比如从北纬5.2°的法属圭亚那库鲁航天中心发射同步轨道卫星，要比北纬28.2°的美国卡纳维拉尔角节省15%的燃料。毛子最新的发射场就紧挨着中国建，这不是挑衅，人家真的只是想往南一点而已。

当然啦，直接这么对比太粗糙，咱扒一层看看。

先提个醒，请注意区分下文中“煤油发动机”和“液氢发动机”。虽然长征五号总推力超过了1000吨，但这推力是靠4个助推器上的8台120吨级YF-100煤油发动机和芯一级的2台50吨级YF-77液氢发动机组成，整整10台发动机！“芯一级”就是长征五号去掉“捆绑式助推器”后的第一级火箭，底下两个红色的圆圈就是两台发动机：

对比美帝的德尔塔IV型重型火箭，只需要3台RS-68液氢发动机：

这发动机数量可不是争虚名，只要有一台出错，整个发射就毁了。你想想，是3台发动机出故障的概率高，还是10台发动机出故障的概率高？假设每台发动机成功率是99%，3台不出错的概率是97%，10台不出错的概率只有90.4%。再有，1台RS-68的重量才6.6吨，10台发动机得多重？

乍这么一看，长五又被人甩了几条街，咱再扒一层。

说长五真正让中国迈入航天强国行列一点也不为过，理由是“分级燃烧循环火箭发动机”。这名字太拗口，记不住没关系，咱看原理。

火箭的燃料消耗很快，像土星5号这种变态，10秒钟烧掉的燃料可以填满一个游泳池。这种消耗速度，导致燃料在管道内的流量非常大，必然得有驱动力才行。通常的套路是，燃料和氧气靠泵驱动，泵靠涡轮驱动，涡轮靠什么驱动？当然还得靠燃料。所以发动机得分出一些燃料驱动涡轮，于是这些宝贵的燃料就这么浪费了，这种结构叫“燃气发生器循环”，几乎所有人都这么玩。呃，除了大毛。

大毛凭借深厚的数学功底，硬是不走寻常路，坚决不浪费燃料！于是设计出“分级燃烧循环”或叫“高压补燃循环”：燃料先在预燃室烧一次变成气体，驱动涡轮转动后，再进入燃烧室进行补燃，这样可以省好多油！

看花眼了吧？解析一下：红线是燃料，绿线是氧气，两个泵都靠涡轮驱动，涡轮靠“预燃室”的燃料驱动，红线从喷嘴绕一圈是为了预热燃料和冷却喷嘴。这两个套路的区别在于蓝线框内的橙线，普通套路把废气直接排放，大毛的套路要再度利用这些气体。

这套路的难度在哪里呢？要让涡轮泵的气体进入燃烧室，首先得让预燃室压力大于燃烧室，预燃室压力变大就得要更多燃料，所以又得让氧气泵提高压力，氧气泵提高压力还不得靠涡轮泵提供动力，涡轮动力又来自预燃室，经过这绕口令似的流程，还不能影响了主燃烧室的工作。

整个系统极为复杂微妙，一环扣一环，每个操作指令必须精确到百分之一秒，稍有差错就得崩盘。分级燃烧循环当属最难也最先进的火箭发动机套路，原先只有毛子有，这恐怕也是毛子为数不多可以超过美帝的领域了，直到现在美帝依然得买毛子的RD-180发动机，可见当年老毛子功底之深厚！（说句题外话，毛子家底终于啃得差不多了）

长征五号四个助推器用的8台YF100煤油发动机正是“分级燃烧循环”，全世界第二家，这应该是中规中矩的长征五号为数不多的闪光点了。火箭发动机不像飞机发动机，这玩意儿是一次性的！可以打包票，若火箭发动机都是重复使用，土共肯定又要扑街。一次性发动机对材料的要求低很多，土共有些妖孽级的表现也就不稀奇了。

既然结构有优势，为什么还是不如美帝？这就得说说煤油发动机和液氢发动机的区别了。YF100是煤油机，采用分级燃烧循环后，地面比冲达到了300秒，比一般煤油机高了20-50秒，可以省油百分之好几十。

但是，液氢发动机的真空比冲可达到450秒，比煤油机真空比冲高了100秒。反观土共最大推力的液氢发动机，长五芯一级的YF-77，推力50吨，对比美帝的液氢发动机300吨的推力，这差距确实不小。液氢需要零下253度的保存条件，很容易把空气冻成冰块，堵塞管道，土共的低温技术不过关，储氢材料也不理想，YF-77在实验中还出现过事故，所以土共的液氢发动机只能做小推力的，用于二级三级火箭。

客观的评价：单纯从发动机看，长五的煤油发动机因为“分级燃烧循环”占了技术优势，省油但推力不大，而液氢发动机仍较落后；从整体火箭看，因为捆绑技术过硬，多绑几个助推器，总推力不俗，已经跨入第一梯队。长五与美、俄、日还是有些差距，基本与欧萌持平，夸一句“大大缩短了与发达国家的距离”总还是错不了的。

还有一种比较普遍的观点，认为中美在火箭发动机的差距比航空发动机的差距还大，理由是土共仍然达不到美帝60年代的土星5号的零头，于是下结论：中美火箭发动机差距50年以上。

说技术不谈细节，和耍流氓有什么区别？

咱先看看，土星5号牛在哪?以至于让天下人（除了同时代的大毛）都只有仰望的份，包括如今的美帝。当年科学家掐指一算，定下了土星5号逆天的体重：3038吨。然后，给这个逆天的胖子配上了5台逆天的F-1发动机，每台推力680吨，合计3400吨！

了解了F-1的研发过程，你就明白，为啥这货能成为孤独的无敌者。下图是航天之父冯·布劳恩和土星5号非常著名的合影，感受一下土星5号的尺寸。颤抖吧，你们这些小鞭炮！

F-1的680吨推力来源于每秒消耗的1789 kg液氧和788 kg煤油，大家拍脑袋想想，有什么办法能在1秒内把这2.5吨燃料烧完？一开始科学家们快把脑袋拍碎了也没找到好办法，燃烧非常不稳定，不但产生剧烈振动，而且火焰乱窜烧毁喷口。经过3年2000多次的试验，终于找到了可靠的喷口分布和隔板结构。有流言说土星5号图纸丢了，实际上图纸完整保存在马歇尔航天飞行中心，而且部分资料已经写入了教科书。下面咱就从NASA官网上抄点资料过来。

这个喇叭壁上的细条纹就是燃料管道，用于预热燃料和冷却喷嘴，底部的小圆圈就是燃料喷口，给个特写：

放大圆盘：

最中间圈1组18个孔，喷注煤油；往外一圈，9组18个孔，喷注液氧；再往外，9组18个孔，喷注煤油，以此类推。

最内圈小孔直径为1，往外一圈为1.627，再往外一圈为2.217，再往外一圈为2.739。

中间分成四大块的部分，也是煤油与液氧交替，最内圈24个孔，往外一圈40个孔，然后48、56、64等。

再放大看背面，你能把这和高科技联想到一起吗？是不是觉得这太简单了？这也配叫核心技术？没错，找到这些孔的排列和大小就叫“研发”，不信你少开一个孔试试，你把孔径扩大一点试试！这仅仅只是一个燃料喷注设计方案，3年2000次试验！这2000次试验可不是试验灯泡灯丝2000次那么简单，附一个F-1发动机测试实拍视频。

土星5号就是用钱烧出来的！今天我们看到经过2000次试验就成功了，代价也不是不能接受。但是，请你回到研发初期，已经尝试1000次试验仍然没有成功，如果你是负责人，你会继续批准这个方案吗？还是换一个思路？

每次中国拿了第一，总有人嘲讽：“不过是拿钱烧的，美帝要是烧钱也第一”。这话其实没错，科研=时间+钱+人，所以当有人嘲笑土共连土星5号都比不过时，也可以冷冷回一句：“不过是拿钱烧的，中国要是烧钱也第一。”研发和搬砖没什么区别，有时搬的少，有时搬的多，总之都得搬砖，而启动科研的前提就是需求，要么是商业需求，要么是军事需求，要么是政治需求。

那个特定的时代已经过去了，土星5号显然是超前消费，大家回归理性后，都不愿再买单了，就好像现在没人会再建一个长城，但你不能说现代人砌墙技术不如古人吧？

既然说到了土星5号，一定又会牵扯到登月造假的问题，为了避免口水仗，咱不去追究美帝到底登月没，就算一算以当时的科技水平，能否实现登月。

姑且把登月的技术分成2类，一类是可以“蒙”的，比如当年计算机水平不够，但宇航员可以通过大神级操作搞定；一类是不可以“蒙”的，比如火箭重3000吨，发动机推力只有100吨，那宇航员只能化成神仙才飞的起来。其中不能“蒙”的关键是，土星5号近地轨道118吨，是否足够月球打个来回。

先纠正个概念，登月不是火箭推着飞船送到月球的，飞船更像是被“扔”到月球。火箭把飞船加速到第二宇宙速度，此时飞船仍在地球边缘，距离地球只几千公里远，然后依靠惯性在无动力状态下飘到月球附近，再启动发动机减速至月球的第一宇宙速度，实现绕月飞行。下面就按照齐奥尔科夫斯基火箭公式 ΔV = g*Isp*ln（M0/M1），粗略且不负责任的估一估：

先从地面到近地轨道：一级二级火箭抛离后，三级火箭点火165秒，加速到7.75km/s，这算第一宇宙速度，可实现无动力绕地球飞行，喘口气。然后瞄准角度，第二次点火335秒，加速到第二宇宙速度11.2km/s，一口气扔到月球。

土星5号到近地轨道118吨，包含：阿波罗11号45吨，第三级火箭干重10吨，比冲421s，三级火箭剩余燃料63吨。加速到第二宇宙速度，根据m0/m1= exp((11200-7750)/421/9.8)=2.308，理论需要燃料66.8吨，数据比较吻合。

抛离三级火箭剩45吨，这就是阿波罗11号。

这45吨分为：指令舱（绕着月球转，不登月）5.5吨；服务舱（相当于指令舱的火箭，靠它飞回地球）24.5吨，含18.5吨燃料；登月舱15吨。登月舱又分两部分，下降级（后来扔月球上不带回来的部分）10.3吨，含8.2吨燃料；上升级（返回太空的部分）质量4.7吨，含燃料2.3吨。

阿波罗被扔到月球附近，根据势能公式GMm/r= 1/2m*v*v得速度值，需减速至1.7km/s绕月，根据火箭公式（比冲按311s计）理论消耗燃料11吨，服务舱实际携带18.4吨，理论上可行。

登月舱15吨，从1.7km/s减速登月，理论消耗燃料6.3吨，实际携带8.2吨，加上避障操作，理论上可行。

上升级4.7吨返回太空对接服务舱，理论消耗燃料2吨，实际携带2.3吨，理论上可行。

此时，还剩下服务舱13.5吨，含7.4吨燃料，指令舱5.5吨，合计19吨，加速到月球第二宇宙速度2.4km/s“扔回”地球，理论消耗燃料3.9吨，实际剩余7.4吨，理论上可行。

单纯从燃料的角度看，土星5号的运载能力是可以完成登月的。阿波罗回到地球时速度大约11km/s，争议最大的问题来了，如何减速？如果直接“砸”进大气层，先不说材料耐高温的问题，人肯定先抗不住。那必然是打水漂减速了，有可能吗？当然有可能！这属于一开始提到的可以“蒙”的技术，大神级的操作是可以搞定的，而当时落点距回收船24km，这水平还是在接受范围内，毕竟你不能用普通人去衡量这些大神级宇航员。

其实阿波罗返回大气层，严格来说谈不上打水漂，就是对准一个很小的角度，先利用外层稀薄的空气减速，这时摩擦温度也不高，速度只要降到第一宇宙速度就不必担心飞离地球，慢慢绕下来就行。这个角度据说误差只有2.5度，以当时的科技水平，要对准这2.5度的角度，虽然很有难度，但也不是做不到。

清华大学出版社出过一本《阿波罗是如何飞到月球的》的科普读物，解释的比较详细。比如，对电视直播的解释是，这不是真正的电视直播，而是一张张的幻灯片，在月球用相机拍出一幅幅连贯照片，发到地球，然后再连成一个镜头，所以直播的镜头卡顿非常严重。这大概只需要40k的通道，以当时的技术是可以做到的。后来我们看到的连贯视频，是带回地球播放的。

单纯从技术上分析，以当时的科技水平要完成登月，是可以自圆其说的，哪怕有些造假的照片或月岩，也不足以全面否定登月。只能说，连着几次都这么成功，所有环节都能“蒙”对，让人有些不可思议而已，好比有人去赌场连押十把，全赢了，总不能说一定不可能吧。

很多时候太空技术不是“能不能”，而是“稳不稳”，如果今天土共不管死活就是要登月，技术上能不能做到？以阿波罗为模版，拿纸笔算一算。发动机技术几十年没有跨越式进步，但飞船控制系统和生命保障系统是有长足发展的，我们把这部分重量减20%。

阿波罗登月舱上升级总重4670kg燃料2353kg，折算到现在只需3700kg，同理，下降级12吨。再同理，算上指令舱和服务舱，干重9.3吨，扔回地球需燃料2.4吨。再往回计算，进入月球轨道减速消耗的燃料大约7.7吨。最终答案，只要把31.4吨的东西送到月球轨道，即可实现载人登月。

长征五号助推器YF-100比冲300s，芯一级YF-77比冲430s真空推力70吨，二级YF-75D比冲442s真空推力9吨；土星5号第一级火箭F1发动机比冲263s，二级和三级火箭都是J2发动机，比冲421s推力约100吨。考虑到与阿波罗相似的加速度，可选择芯一级YF-77作为把飞船扔到月球的最后一棒。

接着算，在近地轨道把31.4吨加速到第二宇宙速度，火箭公式m0/m1= exp((11200-7750)/442/9.8)=2.218，YF-77加燃料罐干重按10吨算，需要（31.4+（X+10））/（31.4+10）=2.218，x=50吨燃料。即，需要把10+50+31.4=90吨的载重送入近地轨道。

太空条件虽然苛刻，但也有好处，那就是没有空气，再丑的姿势也能飞。长五可以分4次送货90吨，土共太空行走经验弱了点，但空间对接还算成熟，假设让宇航员出舱“蒙”一下，把90吨的家伙在近地轨道组装，登月了。

然后呢？“月球自古以来就是无可争议的领土”？

国家不是过家家，得知道费那么大劲到月球做什么？看玉兔的工具：全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达、X射线谱仪。前三个都很熟悉了，X谱仪就是用X光轰击样品，看出射电子判断元素成份。也就是说，给月亮拍拍照片、测测温度、做做B超、看看组分，还是非常浅层的研究。美帝还放过地震仪，反正都是小设备。

如果把人送上去能否进行更深入的研究？答：不会。现在的设备自动化程度很高，直接用火箭发个快递就行，除非建立长期的月球基地，不然很难开展深入研究。这里可以引出一个非常值得讨论的问题：当前阶段（注意这个限定词），人类消耗大量资源，进行载人登月是否合理？

先别喷，容我再举个例子：某小学生每天花3小时研究二元二次方程，可以鼓励；某小学生每天花3小时研究量子力学，不值得鼓励，因为他要学习更重要的东西，比如解方程。

美帝为什么不再组织登月了？国家花钱有一系列程序，显然美帝有很多人认为“解方程”比“量子力学”重要，登月属于“冲动消费”，不愿再买单，如今家当中落，更别提了。和平年代，产业化（赚钱）是科研发展的关键，而世界绝大多数的航天器重量都在20吨以下，所以“土星5号”这种变态级的大火箭就没了市场需求。

从科学的角度讲，登月的重要性其实不如空间站。空间站除了发动机之外，几乎包含了登月的所有技术，甚至可以为建立月球基地积累经验。土共现在玩法很明显，不着急登月，要把空间站先玩溜了。如果“空间站在太空的稳定性”和“军舰在大洋的稳定性”一样，你们说说，会发生什么？我赌5毛，绝壁就是太空战舰！当年毛子在空间站装备过一门23mm机炮，实施过一次试射，如果毛子沿着这个思路做下来，比美帝玩登月有意思多了，可惜被忽悠残了。

回头看，近千吨的大胖子，送到同步轨道瘦的只剩下10吨，土共预研中的长征九号也是3000吨的怪胎，照这个思路，就是3万吨的火箭，也送不了多少东西到外星球。化学燃料发动机的瓶颈太明显！

值得一提的是，离子发动机虽然功率小，但大家都开始用上了。土共在电磁这块不算菜鸟，貌似又想弯道超车了，实践9号A星携带的单台离子电推进器比冲达到了3000秒，寿命超过10000小时，虽不是最牛，至少不用天天看美帝的尾灯了。

人类科技为啥这么落后？啥时候是个头？这得问基础物理，可以说，现代科技仍然在消化一百年前的量子力学。一听量子力学，文科生要崩溃了，“力学”都摸不着门，何况“量子力学”！别急，只要你识得中文字，保证你识得量子力学。下回咱就来看看，人类科技树的树根到底有多深，且听下回分解吧！

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背景简介：本文作者 老和山下的小学僧，著名科普作家。本文原发于微信公众号老和山下的小学僧，原文链接https://mp.weixin.qq.com/s/Fl3J9210HQgeqncba3EYHg，风云之声获权转载。

责任编辑：项启瑞