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導(dǎo)游

2019年12月27日，長征5號遠(yuǎn)程3運載火箭發(fā)射成功后，袁蘭峰和中國科學(xué)院國家空間科學(xué)研究中心研究員周炳宏進(jìn)行了全程解說直播，觀眾人數(shù)達(dá)到36萬人。

2020年1月8日，觀視頻工作室上傳了錄播視頻，按照主題分為5節(jié)，見（）。

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部分評論：

貧道劉一正：
這口牛欄山讓我想起《橫空出世》里馮石將軍給陸光達(dá)接風(fēng)時用搪瓷缸子喝的那幾口。時代雖然變了，我們的科學(xué)家科研報國的拳拳之心依舊。諸君，干杯，祝祖國復(fù)興的事業(yè)蒸蒸日上( ゜- ゜)つ
涂山月與紅：
我發(fā)現(xiàn)很多大佬們的腦門都很亮 真的

精彩呈現(xiàn)：從長征五號復(fù)飛看世界航天格局 | 袁嵐峰

2019年12月27日，長征五號復(fù)飛取得了圓滿成功，把實踐20號衛(wèi)星送入了軌道，令全國人民歡欣鼓舞。

12月27日20時45分，長征五號遙三運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場點火升空

關(guān)心中國航天的人都知道，長征五號具有不可代替的作用，許多重要任務(wù)都離不了它。而對于以成功率高著稱的中國航天來說，長征五號上次的發(fā)射是一個少見的失敗。從那以來，已經(jīng)過去了兩年，大家的心都懸在上面。

今天，我們就來解讀一下長征五號，然后擴大視野，看看世界航天的格局。

下面，我們先來回顧長征五號的兩次發(fā)射。

2016年11月3日，長征五號首飛成功。這次發(fā)射一波三折，多次被推遲，甚至進(jìn)入10秒倒計時后都中斷了一次，許多人肯定還記得當(dāng)時的緊張氣氛。在延遲163分鐘后，長征五號終于成功起飛。不過這次發(fā)射并不是完全成功，火箭芯二級出現(xiàn)異常，導(dǎo)致載荷未能進(jìn)入預(yù)定軌道。后來由遠(yuǎn)征二號上面級延長一次點火時間，才將實踐17號衛(wèi)星送入軌道。還好沒有使用衛(wèi)星的燃料，所以沒有縮短衛(wèi)星的壽命。

長征五號首飛

2017年7月2日，長征五號第二次發(fā)射，目標(biāo)是把實踐18號衛(wèi)星送入超同步轉(zhuǎn)移軌道。但在飛行至252秒時，飛行狀態(tài)出現(xiàn)異常。飛行至346秒時，芯一級兩臺發(fā)動機中的一分機渦輪排氣裝置發(fā)生異常，發(fā)動機推力瞬時大幅下降。最終火箭二級與衛(wèi)星在西太平洋再入，發(fā)射失敗。

長征五號遙二運載火箭發(fā)射

在此之后，中國航天的團隊已經(jīng)用了兩年多來排除故障。用技術(shù)術(shù)語說，這叫做“問題歸零”。歸零是否成功，就看這次復(fù)飛的檢驗了。

大家十分期盼長征五號復(fù)飛，因為有許多重要的任務(wù)在等著它呢，處于載荷等火箭的狀態(tài)。例如嫦娥五號月球采樣返回、空間站發(fā)射、火星探測器、大型巡天望遠(yuǎn)鏡（），都在等待長征五號的“檔期”。

這次復(fù)飛發(fā)射的是通信衛(wèi)星實踐20號，它搭載的是東方紅五號衛(wèi)星平臺，代表著中國在通信衛(wèi)星領(lǐng)域從追趕到超越世界水平的嘗試。其實在2017年那次失敗的發(fā)射中，實踐18號衛(wèi)星搭載的就是東方紅五號平臺。那次失敗不但讓幾十億人民幣付之一炬，而且使東方紅五號平臺的在軌驗證推遲了兩年。

說來說去，長征五號究竟是一種什么樣的火箭呢？

如果你翻開對一種火箭的介紹，撲面而來就是一大堆技術(shù)指標(biāo)，很容易眼花繚亂。但其實，只要抓住一個基本定位就可以理解個八九不離十：火箭是一種運載工具，好比汽車、火車、飛機都是運載工具，它們的價值在于它們把貨物或人員送到目的地的能力。因此，火箭最核心的指標(biāo)就是它的運載能力。

長征五號技術(shù)指標(biāo)

具體而言，火箭的運載能力有兩個常見的指標(biāo)，分別叫做近地軌道（low earth orbit，簡稱LEO）運載能力和地球同步轉(zhuǎn)移軌道（geostationary transfer orbit，簡稱GTO）運載能力。后者總是小于前者，因為軌道越遠(yuǎn)，需要消耗的能量就越多，能夠運載的質(zhì)量就越低。

地球同步轉(zhuǎn)移軌道

我的朋友、空間物理研究者李會超博士總結(jié)了兩個表格，比較了長征五號與國內(nèi)外其他火箭的運載能力。

長征五號與國內(nèi)火箭的運載能力比較

長征五號與國外火箭的運載能力比較

從中可以看出，長征五號的GTO運載能力是14噸，長征五號B的LEO運載能力為25噸，在國內(nèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他的型號。長征五號B是長征五號的另一種構(gòu)型，在長征五號的基礎(chǔ)上去掉了第二級，專門用來發(fā)射LEO載荷。由于長征五號采用了模塊化的設(shè)計思路，火箭可以根據(jù)任務(wù)需要方便的調(diào)整構(gòu)型，這也是我國新一代火箭的特色之一。

和國際上其他重型火箭相比，長征五號的能力也不遜色。這里需要指出的是，馬斯克的獵鷹9型火箭，在回收第一級和一次性使用時，運載能力是不同的。這是因為獵鷹9由于在重復(fù)使用時，要預(yù)留第一級著陸使用的燃料，還要附加一些額外的設(shè)備。如果要回收第一級重復(fù)使用，那么它的運載能力將比長征五號低不少。

目前“地表最強”的是獵鷹重型火箭，長征五號的運載能力跟它有顯著的差距。不過我們的火箭任務(wù)指向明確，已經(jīng)有了空間站核心艙、嫦娥五號、火星探測器等多個乘客等待“上車”。而獵鷹重型火箭的推力，恰好處在一般的航天器用不完、載人登月又不夠用的位置，目前的生意遠(yuǎn)沒有獵鷹9型紅火。

因此，長征五號是中國從航天大國躋身航天強國的關(guān)鍵一步。

了解了這個定位，你就會發(fā)現(xiàn)，中國航天的宣傳口徑已經(jīng)悄悄改變了。

以前我們經(jīng)常說的，是我們的發(fā)射成功率世界最高，比美俄都高得多。成功率高當(dāng)然是好事，不過這首先是因為我們的火箭運力比較小，型號比較老。你老發(fā)技術(shù)成熟的小火箭，成功率當(dāng)然高啦！所以，這在某種意義上屬于糊弄外行。

而現(xiàn)在，我們就直接大談火箭性能了。即使可靠性還成問題，但跟以前比是巨大的進(jìn)步。再也不需要在整體很弱的背景下拿放大鏡找亮點了，直接硬碰硬就是了。有能力剛正面的時候，誰不想剛正面啊！打個比方，把江南七怪的武功練得再熟，重要性也不如六脈神劍，即使它時靈時不靈！

六脈神劍動圖

在原理上，長征五號為什么比以前的火箭強了這么多呢？

基本的原因是，換了燃料。長征五號芯級發(fā)動機用的還原劑是液氫（H2），氧化劑是液氧（O2），這比以前常用的偏二甲肼（(CH3)2NNH2）和四氧化二氮（N2O4）要好。最大的好處是，單位質(zhì)量燃料釋放的化學(xué)能比以前高不少，由此就可以有更高的噴射速度。

我們以前講過火箭的基本原理，齊奧爾科夫斯基公式（見2019年8月9日的科技袁人Lite，視頻鏈接（），文章鏈接（我們應(yīng)該如何紀(jì)念登月（二）航天的基本原理| 袁嵐峰）。

齊奧爾科夫斯基公式

其中vm是火箭的最終速度，vr是噴射物相對于火箭的速度，mmax和mmin分別是火箭在最初和最終的質(zhì)量。公式中的負(fù)號，是因為火箭與噴射物的速度方向相反。因此，提高了噴射速度，就可以提高火箭的最終速度，就可以攜帶更多的載荷。用專業(yè)術(shù)語講，更高的噴射速度就是更高的“比沖”（specific impulse），有興趣深入學(xué)習(xí)的同學(xué)歡迎去了解。

齊奧爾科夫斯基

此外，偏二甲肼有劇毒，四氧化二氮也有毒，所以以前的火箭號稱“毒箭”。

《審死官》仵作：死于劇毒~毒~毒~毒~毒~毒！

而液氫液氧本身無毒，它們?nèi)紵漠a(chǎn)物就是水，安全環(huán)保，甚至連碳排放都是0，這也是一個重要的優(yōu)點。液氫液氧分別需要零下252攝氏度和零下183攝氏度的低溫保存，所以長征五號被稱為“冰箭”。

冰箭

液氫液氧發(fā)動機，對中國是一個重大的技術(shù)跨越。一般而言，火箭使用的新技術(shù)不會超過30%，而長征五號的新技術(shù)卻超過了90%，簡直可以說是脫胎換骨。因此，這相當(dāng)于中國航天跨出舒適區(qū)，在一段時間內(nèi)失敗率上升是完全可以理解的，一點都不意外。在2017年我接受《環(huán)球時報》采訪時，就是這么跟他們說的（中國航天失敗率上升是改進(jìn)火箭的自然后果，早在預(yù)料之中 | 袁嵐峰）。

作為一個反思，我的科大師弟、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員周炳紅博士告訴我，在使用了很多新技術(shù)的情況下，應(yīng)該多發(fā)幾發(fā)試驗箭，就是不上任務(wù)載荷，而是上很多測量工具。不過由于一發(fā)火箭很貴，所以也想讓它完成一些任務(wù)。事后看來，還是檢測傳感器裝少了，出了故障后很難判斷是哪個環(huán)節(jié)更加薄弱。追溯到管理體制上，這可能是權(quán)責(zé)不對稱造成的。希望這方面的問題，在歸零中也能解決掉。

以上，我們介紹了長征五號本身。下面，我們來介紹一些關(guān)于世界航天整體的大圖景。

許多人經(jīng)常問的一個問題是：中國航天為什么現(xiàn)在還遠(yuǎn)不如美國幾十年前的水平？因為1969年，美國的阿波羅計劃就實現(xiàn)了載人登月。當(dāng)時用的土星五號火箭（Saturn V）可以把140噸的載荷送入近地軌道，把48.6噸的載荷送入月球軌道，遠(yuǎn)高于現(xiàn)在任何國家的任何火箭。

登月飛行流程

另外一個常見問題，卻正好相反，即有許多人認(rèn)為1969年的登月是假的。他們的理由是，中國經(jīng)過這么多年的努力還做不到，美國現(xiàn)在也造不出土星五號這樣的火箭了，在1972年之后再也沒有嘗試過登月。技術(shù)怎么會倒退呢？可見當(dāng)初就是假的！

其實這兩個貌似相反的問題，答案都是同一個，就是錢的問題。我們在以前解釋過（見2019年8月23日的科技袁人Lite，視頻鏈接（），文章鏈接（我們應(yīng)該如何紀(jì)念登月（四）沖出搖籃 | 袁嵐峰）：整個阿波羅計劃的花費是254億美元，折合現(xiàn)在超過2000億美元，1萬億人民幣。其中用于土星五號的就有64億美元，折合現(xiàn)在的420億美元。

這么多錢是怎么花出去的？我的科大師弟、航天工作者石豪舉了一個例子：土星五號的一級發(fā)動機F-1是一種巨型的煤油/液氧發(fā)動機，煤油和液氧要通過一個噴注器注入發(fā)動機的燃燒室。說是噴注器，其實不妨稱為“噴注盤”，看看它長什么樣就知道了：

土星五號一級發(fā)動機F-1噴注器1

土星五號一級發(fā)動機F-1噴注器2

是不是很像蒸鍋里的篦子?。?/p>

蒸鍋里的篦子

這個噴注盤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勻，就會導(dǎo)致燃燒不均勻的危險情況。那么，為了讓F-1發(fā)動機穩(wěn)定燃燒，你猜研制團隊總共試驗了多少次？

2000次！

光為了扎好這個鍋篦子，就試了2000次。每一次，都是讓F-1發(fā)動機按照實際發(fā)射的工作時間完整燃燒，也就是工作至少150秒，每一秒要消耗近2.6噸的燃料加氧化劑。

當(dāng)時，流體力學(xué)模擬軟件還不成熟。為了搞清楚燃燒室中的流體狀態(tài)，研究者馮·布勞恩（Wernher Magnus Maximilian Freiherr von Braun，1912 - 1977）等人甚至在燃燒室里面放炸藥，通過制造可控的小爆炸，觀察火焰的變化情況，反推內(nèi)部的流體狀態(tài)。

馮·布勞恩與土星五號F-1發(fā)動機

所以你看，這燒的是啥？燒的就是錢啊！

燒了這么多錢，終于燒出下面這些設(shè)計圖：

土星五號一級發(fā)動機F-1設(shè)計圖1

土星五號一級發(fā)動機F-1設(shè)計圖2

土星五號一級發(fā)動機F-1設(shè)計圖3

所以你說，這些知識該值多少錢？老有人以為土星五號的圖紙丟失了，然后大發(fā)陰謀論的議論。我不禁要大喝一聲：沒有丟失，人家好好的保存著呢！甚至連土星五號的實物，都還在一些博物館中展覽著呢！

即使到了現(xiàn)在，NASA每年的預(yù)算也在200億美元左右，仍然比中國高一個量級。因此，中國的運載能力要再過10年左右，等到長征九號出來，才能達(dá)到美國50年前的水平，這不是因為中國科學(xué)家太笨了，更不是因為登月是騙局?；镜脑蚓褪请唇鸩粔颍怀溴X怎么能變強呢？！

外媒報道的中國各型運載火箭對比示意圖（最右為長征九號，從右向左第二欄為長征五號）

充錢才能變強

另一方面，這樣的燒錢方式，連財大氣粗的美帝國主義都沒法長期堅持。每次登月的花費，高達(dá)一個航母艦隊。這里說的不是一個航母艦隊出動一次，而是燒掉一個航母艦隊！

當(dāng)初是為了在登月競賽中搶在蘇聯(lián)前面，爭奪聲譽和威望。這個目標(biāo)既然已經(jīng)達(dá)到了，后面還要啥自行車？尤其重要的是，登月完全沒有直接的經(jīng)濟回報，最多帶回來幾百公斤月壤而已。繼續(xù)登下去，是圖了個啥？如果像很多鍵盤俠要求的那樣，為了證明登月不是造假就繼續(xù)登下去，那請問，錢你來出嗎？

肯尼迪在賴斯大學(xué)的演講《我們選擇登月》

因此，我們可以理解，在冷戰(zhàn)的驅(qū)動下，當(dāng)年確實可以創(chuàng)造不少人間奇跡，跟現(xiàn)在的邏輯完全不一樣。但我們同樣也可以理解，這些奇跡是不可持久的。

周炳紅告訴我，美國的航天經(jīng)歷了四個階段。第一階段，是不計成本的載人登月時代。第二階段，是錯誤設(shè)計的航天飛機時代，每公斤近地軌道載荷的成本約為5萬美元。第三階段，是壟斷、腐敗、保守的聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（United Launch Alliance，簡稱ULA）時代（主要是波音和洛馬），每公斤近地軌道載荷的成本約為1萬美元。這樣的成本是無法承受的?，F(xiàn)在進(jìn)入了SpaceX的時代，每公斤近地軌道載荷的成本約為3000美元。

美國通過這四個階段的創(chuàng)新，嘗試了不同的運載方式，大幅降低了成本。所以，我們不要覺得美國的技術(shù)退步了，其實只是在其他的維度進(jìn)步而已。

周炳紅告訴我，目前在航天運載技術(shù)方面，美國遙遙領(lǐng)先，中俄平分秋色，中國正在快速追趕美國。在在軌的衛(wèi)星數(shù)量方面，美國也是遙遙領(lǐng)先，中國居于第二，也在快速追趕美國。而在航天發(fā)射的次數(shù)方面，從2018年開始，中國超過了美國，居于世界第一。隨著我國空間站建設(shè)、深空探測和載人月球探測任務(wù)的開展，預(yù)計中國在航天技術(shù)方面的人力投入，會在10至15年后大致追平美國。關(guān)于這些有許多有趣的資料和數(shù)據(jù)，我們以后會在更合適的時候詳細(xì)介紹。

2020年中國的航天計劃（）

最后，我們需要強調(diào)，航天事業(yè)可能遭遇各種各樣的失敗，但我們對星辰大海的追求決不會動搖。歸根結(jié)底，地球的資源和太陽的壽命都是有限的。因此，我們一定要沖出地球，移民宇宙！

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背景簡介：本文是“科技袁人Lite”視頻節(jié)目第100期的介紹，視頻發(fā)布于2020年1月3日（）。

責(zé)任編輯：祝陽