军迷圈

中国长五发射失败,大波质疑袭来,真相到底是什么?

文|瞭望智库

7月2日19时23分,我国在中国文昌航天发射场组织实施长征五号遥二火箭飞行任务,火箭飞行出现异常,发射任务失利。后续将组织专家对故障原因进行调查分析。

原本,这次发射若成功意味着长征五号运载火箭工程研制圆满收官,进入正式应用阶段,同时也是我国在今年下半年探月三期嫦娥五号月球探测器发射前,对“胖五”火箭的最后一次实战演练。

然而,始料未及的发射失利仿佛打乱了原来的节奏,也让很多人瞬间被惊到了,毕竟,火箭发射失利这种事情在中国确实少见,很多人不禁会问,这次的发射失利究竟意味着什么?

既然是科学实验,当然就有失败的可能。

如果我们对长征五号所进行的积极改进和大胆探索做一番了解,就会明白,技术改进当然会使失败率上升,发射失利固然是憾事一件,但在某种意义上也完全是在预料之中,所以没什么值得大惊小怪。

1

冲天

从1970年长征一号运载火箭发射至今,长征系列显然成了一个“大家族”,实现了从常温推进到低温推进、从串联到捆绑、从一箭单星到一箭多星,运载能力覆盖高、中、低各种轨道,能够满足不同载荷的发射要求。

长征系列运载火箭在长征五号诞生之前共实施了237次发射,发射成功率高达97%左右。而国际上,从1957年到2015年,全球共发射5400多次,平均发射成功率是91.5%。这样来看,长征系列火箭一直表现都很棒,也让我们自然而然形成一种错觉:但凡长征火箭发射,必定是成功的。

但这样的成功是建立在火箭运力较小、型号较老基础之上的。

受我国铁路运输的限制,“胖五”之前的火箭最大直径仅为3.35米,我国长征系列运载火箭地球同步转移轨道运载能力最大仅能达到5吨级,与12吨级的国际主流水平运载能力相比差距大,制约了我国空间技术发展。

“当时的载人航天工程尚处在论证阶段,按我国当时火箭的运载能力,无法满足未来空间站建设的需求。”航天科技集团一院长征五号运载火箭总指挥王珏说,国内重大工程的发展需要成为中国研制大型运载火箭的直接驱动。

20世纪80年代末,随着人类探索宇宙的不断深入,世界主要航天强国纷纷推出了新一代大型运载火箭,比如美国的德尔塔4和宇宙神5、欧洲的阿里安5,这些火箭多采用了5米左右大直径,少级数,运载能力全面超越我国当时的火箭。

各国发展新一代火箭的目的很明确:一是通过清洁推进剂的改进实现环保,二是提高运载能力,提升进入空间能力和商业竞争力。

内有重大工程的需要,外有各国的发展趋势,打造一枚“大块头”的火箭显得十分迫切:

——1986年,在国家863计划支持下,我国开始了论证研制新一代运载火箭;

——1995年,我国开展新一代运载火箭方案论证以及液氧煤油与氢氧两种大推力火箭发动机关键技术研究;

——2000年,120吨级液氧煤油发动机立项研制;

——2001年,50吨级液氢液氧发动机立项研制;

——2006年,国务院正式批准新一代运载火箭基本型长征五号立项研制。

历经了反复论证,十年磨砺,上万航天人参与,各类试验和测试,有的要做上几百遍甚至上千遍,2016年11月,长征五号运载火箭横空出世,一飞冲天,果然是“十年磨一剑”。

2

难度

哪怕不算前20年的研制期,仅仅是立项后的砺“箭”,“胖五”就花了10年时间。按说在新一代成员里,“老大哥”“胖五”是最先启动研制的,但是却比长征六号和长征七号这些更晚诞生,足见其难度之大、风险之高。

长征五号的“难”主要是因为有这么几只“拦路虎”:

——整体技术。要实现运载火箭能力的跨越式发展,整体就必须采用全新的技术。相比以往新火箭研发中30%左右的新技术比例,长征五号可以说是另起炉灶,全箭采用了247项核心关键新技术,全箭新研产品比例达90%以上。

“这么高的新技术比例意味着研制工作量增大,研制难度增大,也意味着研制风险增大。”长征五号火箭总设计师李东说。

——“心脏”。运载火箭与飞机汽车一样,发动机是它的“心脏”。为了把更重的载荷送到更高更远的地方,火箭不仅需要最好的发动机,而且一支多级火箭需要不同类型的发动机。

新一代火箭首先要解决大推力问题,之前我国单台发动机推力最大的只有75吨,远远满足不了长征五号的需求。

长征五号采用了新一代无毒无污染的氢氧和液氧煤油发动机组合方式,8台全新研制的120吨液氧煤油发动机被装配在四个助推器上,两台50吨、两台9吨的全新研制的氢氧发动机分别装配在一级和二级火箭上。在研制过程中,摆在研制人员面前最大的难题就是如何攻克大推力液氧煤油发动机技术,而这个技术以前也只有俄罗斯掌握。

一些外国专家甚至认为,即使我们能设计出来,但以我们现有的材料和工艺水平,也不可能制造出来。但是中国航天人愣是进行了夜以继日的攻关,中间更是经历了四次发动机试车失败,甚至目睹过几秒钟内发动机就烧毁殆尽的惨状,但他们还是挺过来了,几十种新材料、一百多种新工艺被一一攻克。真可谓“一斤推力一寸金,十万马力十万人!”中国于是成为继俄罗斯之后第二个全面掌握液氧煤油高压补燃发动机技术的国家。

几款运载火箭发动机的性能指标(图片来源:观察者网)

——大结构。把火箭做大,把箭体直径从3.35米变为5米,并不是简简单单放大。要加工制造5米的箭体结构,需要基础机械加工、贮箱焊接、铆接等所有工装的巨大飞跃,有很多技术难题需要克服。

大结构还给地面试验带来新要求,以前的机床、试验的工位、厂房都已无法满足长征五号的大结构需求,因此长征五号的研制也带动了新的助推器分离试验、整流罩分离试验、静力试验等技术的提升。

长征五号起飞推力达到现役最大规模运载火箭的1.5倍以上,火箭各结构部段受力情况复杂。特别是要解决针对火箭助推器与芯级传力问题,单台助推器不仅要承担近200吨的芯级自重,还需在不足0.1平方米的接触面上承受300余吨的偏置集中力载荷,方案设计难度为我国运载火箭研制史上之最。

……

把如此多的技术创新汇集到长征五号身上,看上去是有些冒险的。人们都知道,研制运载火箭是个大系统工程,任何一个小毛病都有可能导致发射失败,给航天事业造成打击。

中国航天人却敢于设立新目标,并且有能力驾驭研发路上各种困难和复杂性的阶段,他们造就了一个强大的机制,就像一个超级流水线一样可以把种种梦想奇迹般地变成现实。

3

鼎立

长征五号火箭是中国进入三强集团的入场券,从今以后,世界航天世界一分为三。

在航天领域欧洲对美国的依赖十分明显,英国脱欧后,欧洲更难自成体系,它们的技术路线也与美国比较一致,欧美只能算作一家,另二家分别是俄罗斯和中国。

在运载火箭技术上,欧美的强项是液氢液氧发动机技术和火箭的整体集成技术,软挡是液氧煤油发动机技术,美国的重型运载火箭至今还要依靠进口俄罗斯的RD-180发动机。没有大推力的液氧煤油发动机,严重地制约了欧美研发重型和超重型运载火箭方面的进展,也使欧美的航天运载发射的成本太高。当然,也有人认为,欧美研制出新一代液氧煤油发动机并无多大问题,只是从成本考虑才买俄罗斯的。

俄罗斯在大推力液氧煤油发动机上一枝独秀,液氢液氧发动机技术略输欧美,但是俄罗斯在火箭整体综合技术上严重落后。客观地说,俄罗斯一直在吃苏联时期的老本,目前的经济总量不足,长远来看,俄罗斯要保持其航天科技领域的优势有很多的困难。

中国无疑是三强俱乐部中的小弟,液氧煤油发动机不如俄罗斯,而液氢液氧发动机又不如欧美,但是这两种发动机技术中国都有,而且火箭的整体综合技术能力一点不输欧美,中国运载火箭的发射成功率一直稳居榜首。总之中国的运载火箭技术比较全面平衡,中国虽然不是尖子生,但也不是偏科生,是从农村中出来的努力上进的好学生,班上最后成功的很可能就是他。

有了长征五号后,中国在空间站的建设上就有了得力的运载工具,但从长远来看,可能对中国的登月工程的意义更为重大。

事实上,欧盟空间组织提出建立国际月球村的设想是非常具有战略眼光的。人类必须首先征服月球,在月球上逐步地适应与我们的母体——地球非常不同的生存环境并长期生活下去,然后方能在月球上构筑前进基地,这是向深空发展的唯一正确的途径。如果我们连自已最近的邻居都搞不定,奢谈火星探索究竟又有多少意义?

更重要的是月球上有十分重要的资源——水冰(Water ice),它们电解后正好是火箭发动机最需要的氢、氧燃料。由于月球表面的引力只有地球的六分之一,所以依托月球补充燃料后,火箭可以把更重的载荷运送到更远的星空,月球就是人类迈向深空最好的跳板。

在月球上建立能源矿产资源基地,也可促进国民经济的发展,建立月球基地的科学意义和军事价值更不需赘述。2004年1月,时任美国总统小布什宣布了星座计划(Constellation program),该计划的重要一环是重返月球。可惜这个极有远见的计划的实施一直不顺利,后来奥巴马总统上台后重返月球计划干脆被一刀砍掉。

可能命中注定,人类征服月球的重任将降于中华民族的肩上,而长征五号的诞生让我们看到了希望的曙光。长征五号不仅可以合格地完成探月第三期工程,完成月面巡视勘察与采样返回,而且完全有能力开展月球基地建设的大量前期工作。

长征五号虽是重型运载火箭,但运载能力大约仅为超重型的美国土星五号载人登月火箭的五分之一。让长征五号担当中国的载人登月计划会有一定的困难,但也不是完全不可能。近期一系列的科研探索表明,可以把环月接应指挥舱和登月舱分别使用两支以上重型火箭发射到绕地轨道上,然后在轨重新装配后送往月球实施载人登月和返回。而长征五号和它的变型可能是完成实施这种接力计划的最佳候选者。“从技术上讲,中国航天具备了开展载人登月的基本能力。”长征五号首飞成功为中国载人航天工程总设计师周建平的这句话作出了最好的注解。

由于空间站技术的进步和积累,可能载人登月无需再依靠土星五号这种超重型火箭,不应再走美国阿波罗计划的老路,长征五号在建立月球基地的宏伟事业中一定是大有作为的。但是长征五号不能也不会包打天下,在月球基地建设和登陆火星工程中超重型运载火箭仍然不可缺少,这也是为什么推力为三千吨以上的长征九号的研制工作已经开始。

4

再战

其实,纵观人类的航天史,没有哪一次的火箭发射能够保证百分百成功。

即使是美俄欧洲等几个航天大国或地区,近年来也频频出现发射失利的情况。

美国是公认的航天技术最先进的国家之一,他们的航天事故也最惨烈,仅仅宇航员就已经牺牲了17位。美国的德尔塔重型运载火箭发射251次,成功率为94.4%。欧洲的阿里亚娜火箭发射107次,成功率93%。成功率最高的是苏联联盟号运载火箭,截至1993年4月发射了1012次,失败17次,成功率98.3%。

其他国家就更不用说了。韩国发射两次,全部失败。从俄罗斯购买一级火箭后,才勉强成功了一次。

巴西5射4败,载荷飞行3射3败。已经彻底放弃航天事业,并将卫星交给中国发射。

我们自己在探索航天技术的过程中也有惨痛的失败,比如1996年长征三号乙的首飞,由于平台的随动环稳定回路功率级无电流输出导致火箭控制惯性基准错误变化,最终导致发射失败。火箭起飞后两秒姿态出现异常,22秒后头坠地撞山,发生剧烈爆炸。

但不管怎么说,长征系列火箭,是中国唯一一个技术真正过硬的系列火箭,97%的成功率确实厉害,如果我们继续使用以前的技术,不探索难度极高的重型火箭技术,肯定能稳稳地保证顺利升空。

然而,中国要实现航天技术的升级,调高难度系数,失败率就必然就会有所上升。

由此我们也可以对中国将来的航天活动做一个预测:现在相当于系统的调试阶段,技术问题都需要在实践中暴露出来,所以会有一个失败率上升的阶段,当系统调试成熟、技术问题解决之后,失败率就会下降。

对于这次发射失利,广大的民众给予了充分的理解,纷纷为长五加油助威!期待它的涅槃重生。

但长五的发射失利也让一些国家的网友顿时嗨了起来,比如印度网友。

有的评论看起来简直是在逗我们笑。

有的读起来好像能体味到他们酸酸的感觉。

也有的看了让人挺尴尬。

装睡的人无法醒来,奋进的人却不肯睡去,相信中国航天人此时正在紧锣密鼓地分析原因,总结教训,准备着下次再战!

聂荣臻曾总结说:“既然是科学试验,总会有成功,有失败。成功了,我们就取得经验;失败了,我们就得到教训!成功了,功劳是你们的,失败了,责任由我来负!”钱学森也说:“科学试验如果次次都能成功,那又何必试验呢。经过挫折和失败,会使我们变得更聪明。”

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