导读
2019年12月27日，长征五号遥三运载火箭发射成功，袁岚峰和中国科学院国家空间科学研究中心研究员周炳红进行了全程解说直播，收看人数达36万。2020年1月8日，观视频工作室上传了录播视频，按照主题分为5节，见（https://www.bilibili.com/video/av82586211）。
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贫道刘一正：
这口牛栏山让我想起《横空出世》里冯石将军给陆光达接风时用搪瓷缸子喝的那几口。时代虽然变了，我们的科学家科研报国的拳拳之心依旧。诸君，干杯，祝祖国复兴的事业蒸蒸日上( ゜- ゜)つロ
涂山月与红：
2019年12月27日，长征五号复飞取得了圆满成功，把实践20号卫星送入了轨道，令全国人民欢欣鼓舞。
12月27日20时45分，长征五号遥三运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空
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”。液氢液氧发动机，对中国是一个重大的技术跨越。一般而言，火箭使用的新技术不会超过30%，而长征五号的新技术却超过了90%，简直可以说是脱胎换骨。因此，这相当于中国航天跨出舒适区，在一段时间内失败率上升是完全可以理解的，一点都不意外。在2017年我接受《环球时报》采访时，就是这么跟他们说的（中国航天失败率上升是改进火箭的自然后果，早在预料之中 | 袁岚峰）。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！其实这两个貌似相反的问题，答案都是同一个，就是钱的问题。我们在以前解释过（见2019年8月23日的科技袁人Lite，视频链接（https://www.bilibili.com/video/av65071482），文章链接（我们应该如何纪念登月（四）冲出摇篮 | 袁岚峰）：整个阿波罗计划的花费是254亿美元，折合现在超过2000亿美元，1万亿人民币。其中用于土星五号的就有64亿美元，折合现在的420亿美元。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！中国科学曾经落后这不丢人，关键我们要有自信能在未来领先 | 科技袁人
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