导读有能力刚正面的时候，谁不想刚正面啊！
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最近整个中国航天界的焦点，想必就是长征五号复飞。在我们发表此文时（2019年12月25日），长征五号遥三运载火箭已经抵达文昌航天发射场的发射区，将在本月底前后择机发射。
长征五号遥三运载火箭抵达发射区
关心中国航天的人都知道，长征五号具有不可代替的作用，许多重要任务都离不了它。而对于以成功率高著称的中国航天来说，长征五号上次的发射是一个少见的失败。从那以来，已经过去了两年，大家的心都悬在上面。今天，我们就来解读一下长征五号，然后扩大视野，看看世界航天的格局。2016年11月3日，长征五号首飞成功。这次发射一波三折，多次被推迟，甚至进入10秒倒计时后都中断了一次，许多人肯定还记得当时的紧张气氛。在延迟163分钟后，长征五号终于成功起飞。不过这次发射并不是完全成功，火箭芯二级出现异常，导致载荷未能进入预定轨道。后来由远征二号上面级延长一次点火时间，才将实践17号卫星送入轨道。还好没有使用卫星的燃料，所以没有缩短卫星的寿命。2017年7月2日，长征五号第二次发射，目标是把实践18号卫星送入超同步转移轨道。但在飞行至252秒时，飞行状态出现异常。飞行至346秒时，芯一级两台发动机中的一分机涡轮排气装置发生异常，发动机推力瞬时大幅下降。最终火箭二级与卫星在西太平洋再入，发射失败。
在此之后，中国航天的团队已经用了两年多来排除故障。用技术术语说，这叫做“问题归零”。归零是否成功，就看这次复飞的检验了。大家十分期盼长征五号复飞，因为有许多重要的任务在等着它呢，处于载荷等火箭的状态。例如嫦娥五号月球采样返回、空间站发射、火星探测器、大型巡天望远镜（https://mil.sina.cn/sd/2019-01-24/detail-ihrfqzka0519485.d.html），都在等待长征五号的“档期”。这次复飞发射的是通信卫星实践20号，它搭载的是东方红五号卫星平台，代表着中国在通信卫星领域从追赶到超越世界水平的尝试。其实在2017年那次失败的发射中，实践18号卫星搭载的就是东方红五号平台。那次失败不但让几十亿人民币付之一炬，而且使东方红五号平台的在轨验证推迟了两年。如果你翻开对一种火箭的介绍，扑面而来就是一大堆技术指标，很容易眼花缭乱。但其实，只要抓住一个基本定位就可以理解个八九不离十：火箭是一种运载工具，好比汽车、火车、飞机都是运载工具，它们的价值在于它们把货物或人员送到目的地的能力。因此，火箭最核心的指标就是它的运载能力。具体而言，火箭的运载能力有两个常见的指标，分别叫做近地轨道（low earth orbit，简称LEO）运载能力和地球同步转移轨道（geostationary transfer orbit，简称GTO）运载能力。后者总是小于前者，因为轨道越远，需要消耗的能量就越多，能够运载的质量就越低。我的朋友、空间物理研究者李会超博士总结了两个表格，比较了长征五号与国内外其他火箭的运载能力。长征五号与国内火箭的运载能力比较
从中可以看出，长征五号的GTO运载能力是14吨，长征五号B的LEO运载能力为25吨，在国内远远高于其他的型号。长征五号B是长征五号的另一种构型，在长征五号的基础上去掉了第二级，专门用来发射LEO载荷。由于长征五号采用了模块化的设计思路，火箭可以根据任务需要方便的调整构型，这也是我国新一代火箭的特色之一。和国际上其他重型火箭相比，长征五号的能力也不逊色。这里需要指出的是，马斯克的猎鹰9型火箭，在回收第一级和一次性使用时，运载能力是不同的。这是因为猎鹰9由于在重复使用时，要预留第一级着陆使用的燃料，还要附加一些额外的设备。如果要回收第一级重复使用，那么它的运载能力将比长征五号低不少。目前“地表最强”的是猎鹰重型火箭，长征五号的运载能力跟它有显著的差距。不过我们的火箭任务指向明确，已经有了空间站核心舱、嫦娥五号、火星探测器等多个乘客等待“上车”。而猎鹰重型火箭的推力，恰好处在一般的航天器用不完、载人登月又不够用的位置，目前的生意远没有猎鹰9型红火。因此，长征五号是中国从航天大国跻身航天强国的关键一步。了解了这个定位，你就会发现，中国航天的宣传口径已经悄悄改变了。以前我们经常说的，是我们的发射成功率世界最高，比美俄都高得多。成功率高当然是好事，不过这首先是因为我们的火箭运力比较小，型号比较老。你老发技术成熟的小火箭，成功率当然高啦！所以，这在某种意义上属于糊弄外行。而现在，我们就直接大谈火箭性能了。即使可靠性还成问题，但跟以前比是巨大的进步。再也不需要在整体很弱的背景下拿放大镜找亮点了，直接硬碰硬就是了。有能力刚正面的时候，谁不想刚正面啊！打个比方，把江南七怪的武功练得再熟，重要性也不如六脉神剑，即使它时灵时不灵！
在原理上，长征五号为什么比以前的火箭强了这么多呢？基本的原因是，换了燃料。长征五号芯级发动机用的还原剂是液氢（H2），氧化剂是液氧（O2），这比以前常用的偏二甲肼（(CH3)2NNH2）和四氧化二氮（N2O4）要好。最大的好处是，单位质量燃料释放的化学能比以前高不少，由此就可以有更高的喷射速度。齐奥尔科夫斯基公式
其中vm是火箭的最终速度，vr是喷射物相对于火箭的速度，mmax和mmin分别是火箭在最初和最终的质量。公式中的负号，是因为火箭与喷射物的速度方向相反。因此，提高了喷射速度，就可以提高火箭的最终速度，就可以携带更多的载荷。用专业术语讲，更高的喷射速度就是更高的“比冲”（specific impulse），有兴趣深入学习的同学欢迎去了解。此外，偏二甲肼有剧毒，四氧化二氮也有毒，所以以前的火箭号称“毒箭”。而液氢液氧本身无毒，它们燃烧的产物就是水，安全环保，甚至连碳排放都是0，这也是一个重要的优点。液氢液氧分别需要零下252摄氏度和零下183摄氏度的低温保存，所以长征五号被称为“冰箭”。作为一个反思，我的科大师弟、中国科学院国家空间科学中心研究员周炳红博士告诉我，在使用了很多新技术的情况下，应该多发几发试验箭，就是不上任务载荷，而是上很多测量工具。不过由于一发火箭很贵，所以也想让它完成一些任务。事后看来，还是检测传感器装少了，出了故障后很难判断是哪个环节更加薄弱。追溯到管理体制上，这可能是权责不对称造成的。希望这方面的问题，在归零中也能解决掉。以上，我们介绍了长征五号本身。下面，我们来介绍一些关于世界航天整体的大图景。许多人经常问的一个问题是：中国航天为什么现在还远不如美国几十年前的水平？因为1969年，美国的阿波罗计划就实现了载人登月。当时用的土星五号火箭（Saturn V）可以把140吨的载荷送入近地轨道，把48.6吨的载荷送入月球轨道，远高于现在任何国家的任何火箭。另外一个常见问题，却正好相反，即有许多人认为1969年的登月是假的。他们的理由是，中国经过这么多年的努力还做不到，美国现在也造不出土星五号这样的火箭了，在1972年之后再也没有尝试过登月。技术怎么会倒退呢？可见当初就是假的！这么多钱是怎么花出去的？我的科大师弟、航天工作者石豪举了一个例子：土星五号的一级发动机F-1是一种巨型的煤油/液氧发动机，煤油和液氧要通过一个喷注器注入发动机的燃烧室。说是喷注器，其实不妨称为“喷注盘”，看看它长什么样就知道了：
这个喷注盘上面密密麻麻的小孔，就是煤油和液氧注入的地方。如果煤油和液氧混合不均匀，就会导致燃烧不均匀的危险情况。那么，为了让F-1发动机稳定燃烧，你猜研制团队总共试验了多少次？光为了扎好这个锅篦子，就试了2000次。每一次，都是让F-1发动机按照实际发射的工作时间完整燃烧，也就是工作至少150秒，每一秒要消耗近2.6吨的燃料加氧化剂。当时，流体力学模拟软件还不成熟。为了搞清楚燃烧室中的流体状态，研究者冯·布劳恩（Wernher Magnus Maximilian Freiherr von Braun，1912 - 1977）等人甚至在燃烧室里面放炸药，通过制造可控的小爆炸，观察火焰的变化情况，反推内部的流体状态。所以你说，这些知识该值多少钱？老有人以为土星五号的图纸丢失了，然后大发阴谋论的议论。我不禁要大喝一声：没有丢失，人家好好的保存着呢！甚至连土星五号的实物，都还在一些博物馆中展览着呢！即使到了现在，NASA每年的预算也在200亿美元左右，仍然比中国高一个量级。因此，中国的运载能力要再过10年左右，等到长征九号出来，才能达到美国50年前的水平，这不是因为中国科学家太笨了，更不是因为登月是骗局。基本的原因就是氪金不够，——不充钱怎么能变强呢？！外媒报道的中国各型运载火箭对比示意图（最右为长征九号，从右向左第二栏为长征五号）另一方面，这样的烧钱方式，连财大气粗的美帝国主义都没法长期坚持。每次登月的花费，高达一个航母舰队。这里说的不是一个航母舰队出动一次，而是烧掉一个航母舰队！当初是为了在登月竞赛中抢在苏联前面，争夺声誉和威望。这个目标既然已经达到了，后面还要啥自行车？尤其重要的是，登月完全没有直接的经济回报，最多带回来几百公斤月壤而已。继续登下去，是图了个啥？如果像很多键盘侠要求的那样，为了证明登月不是造假就继续登下去，那请问，钱你来出吗？因此，我们可以理解，在冷战的驱动下，当年确实可以创造不少人间奇迹，跟现在的逻辑完全不一样。但我们同样也可以理解，这些奇迹是不可持久的。周炳红告诉我，美国的航天经历了四个阶段。第一阶段，是不计成本的载人登月时代。第二阶段，是错误设计的航天飞机时代，每公斤近地轨道载荷的成本约为5万美元。第三阶段，是垄断、腐败、保守的联合发射联盟（United Launch Alliance，简称ULA）时代（主要是波音和洛马），每公斤近地轨道载荷的成本约为1万美元。这样的成本是无法承受的。现在进入了SpaceX的时代，每公斤近地轨道载荷的成本约为3000美元。美国通过这四个阶段的创新，尝试了不同的运载方式，大幅降低了成本。所以，我们不要觉得美国的技术退步了，其实只是在其他的维度进步而已。周炳红告诉我，目前在航天运载技术方面，美国遥遥领先，中俄平分秋色，中国正在快速追赶美国。在在轨的卫星数量方面，美国也是遥遥领先，中国居于第二，也在快速追赶美国。而在航天发射的次数方面，从2018年开始，中国超过了美国，居于世界第一。随着我国空间站建设、深空探测和载人月球探测任务的开展，预计中国在航天技术方面的人力投入，会在10至15年后大致追平美国。关于这些有许多有趣的资料和数据，我们以后会在更合适的时候详细介绍。2020年中国的航天计划（http://baijiahao.baidu.com/s?id=1653773865668078176）最后，我们需要强调，航天事业可能遭遇各种各样的失败，但我们对星辰大海的追求决不会动摇。归根结底，地球的资源和太阳的寿命都是有限的。因此，我们一定要冲出地球，移民宇宙！《长征5号失利令中国航天时间线推迟2年 6大任务被耽误》（https://mil.sina.cn/sd/2019-01-24/detail-ihrfqzka0519485.d.html），深空探索者《长征五号，为什么会被称为“胖五”？》（https://zhidao.baidu.com/daily/view?id=27517），李会超《揭秘：中国第四个卫星发射中心为啥建在海南文昌？》（https://c.m.163.com/news/a/DG47R63R0511DTU9.html），李会超袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，科技与战略风云学会会长，安徽省科学技术协会常务委员，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。
感谢中国科学院国家空间科学中心周炳红研究员、哈尔滨工业大学（深圳）博士后李会超以及航天科研工作者石豪在科学内容方面的指教。