火箭的運載能力有多大，
航天的舞臺就有多大。
周炳紅· 中國科學院國家空間科學中心研究員
格致校園第38期 | 2023年 北京
大家好，我是周炳紅。今天跟大家分享火箭是怎麼演化成今天這樣的。
▲圖片來源：Tyler Skrabek
這就是目前世界上主流的各種各樣的運載火箭，圖中也包括我國的「長征」系列火箭，還有太空梭。通常的運載火箭與經典的力學與控制問題相關。「經典」就是說它不像量子糾纏、量子力學以及最近很火的超導等問題一樣需要很多現代量子力學知識。
我在30年前考入了中國科學技術大學的力學系，但很遺憾，那時候的力學還是一個「天坑」專業。那時候沒有像現在這麼發達的網路，讓我可以和更多的朋友進行交流。我上了這個「天坑」專業之後，它就改名為力學與機械工程系。因為在我們那一代人上大學時，大家更關心各種各樣的機械，比如汽車，所以機械是研究熱門。現在那個系的名字又變回了近代力學系。
火箭是一個很複雜的系統工程，它的可靠性只能做到98%左右，也就是說火箭發射100次，可能有2次就會出現問題。所以製造火箭是一件困難而又正確的事，我們要做的就是這種工作。
火箭的運載能力有多大，航天的舞臺就有多大。火箭運載能力的最高峰就體現在載人登月上。
也許等一萬年以後，那時的人類已經不記得當時某個國家的領導人是誰了，但是他們還會記得第一個登上月球的人是誰。在50多年前，阿姆斯特朗成為了第一個登上月球的人。
最近美國提出了重返月球計劃，他們對這次重返月球提出了一個很重要的政治目標：要讓第一個登上月球的女航天員是美國人。他們剛開始預計在2024年登上月球表面，但後來又推遲到2025年，現在還要繼續推遲，可能要推遲到2028年。
中國也在近期公佈了登月計劃，我國將用新一代載人運載火箭將我們的航天員在2030年之前送上月球。
現階段的火箭在飛行時有個很重要的特點，就是會邊飛邊扔東西。因為很多運載火箭是分級的，當一級火箭的燃料燃燒完，達到一定速度以後，就會級間分離：前面一級火箭會「砰」的一下把後面一級火箭往下推。後面一級火箭被扔了是一件很可惜的事。
▲失重現象
在我國「嫦娥工程」開始之初，我參與到了我們這一代人的火箭研究工作中。為了去月球，我們的火箭要對準月球以後再加速，中間一段會關掉主發動機。把發動機關上以後，就會發生失重現象。就好像我們在地球上玩高空彈跳時或者電梯突然故障往下掉時，肚子裡的東西就會像圖上失重飛機裡的東西一樣飄起來。火箭也是一樣，它肚子裡的推進劑也會飄起來，那麼這時候火箭如果想要再次點火，就沒辦法成功。我做的工作就是利用流體力學知識，幫助我們國家的火箭在多次點火時成功點火。
我們這一代人已經研製出了載人登月火箭，等各位小朋友們將來工作的時候，那時候的火箭會變成什麼樣呢？將來火箭會不會像飛機一樣飛行呢？它會不會在發射完衛星之後，還能自行飛回原來的發射場呢？加註推進劑以後，可不可以像飛機一樣，換一批旅客繼續飛行呢？
古代的火箭像玩具
已完成：20%//////////
我們先看一下火箭是怎麼樣一步步發展過來的。
▲世界上最早的火箭-宋朝
在大概1000年前的古代，那時候的火箭跟現在的很不一樣。我們的祖先發明的火箭類似於今天的玩具，像是給箭頭加上了一個煙花。
到後來，出現了更多關於火箭的各種各樣的傳說，它們都記載在書籍裡。其中的一個傳說有一個很有詩意的名字，叫做火龍出水。據書裡記載，它可以沿著水面在一兩米高的地方飛行，藉助4支火箭把一個火龍推過去，快到敵人戰船的時候，龍的嘴巴里面就會吐出另外一個火箭，燒掉敵人的戰船。這個原理有點像多級火箭。
不過，我的母校中國科學技術大學有一個科技考古系，那個專業的研究人員就考察過火龍出水。經過各種驗證，發現它的飛行不穩定，很容易栽下來。從我的專業上來看，同樣認為它的飛行很困難，很難持續飛行很遠的距離。
▲蒂普蘇丹的「火箭」技術
隨著戰爭，我們國家的火箭技術擴展到了世界各地。其中很著名的一個火箭是以前印度統治者跟英國東印度公司打仗的時候使用的鐵管式火箭。這種火箭能夠噴射得非常遠，射程達到幾公里。
後來又有一個傳說，說有一個古人叫萬戶，他就想自己能不能坐在火箭上飛往太空。最終他失敗了，而且失去了自己的生命。雖然只是個傳說，但是人們為紀念他，各個國家發行了與之相關郵票，月球的背面有一個撞擊坑也是用萬戶的名字來命名的。
古代的火箭就是一種基於簡單的工匠經驗做出來的火箭，能飛，但缺點是做不大又飛不穩。
更科學的近現代火箭
已完成：40%//////////
進入到科學的時代之後，近代的火箭會有什麼不一樣呢？
▲圖片來源：Pinter
有一個很著名的俄羅斯科學家叫做齊奧爾科夫斯基。他最初是一位中學老師，後來發展了火箭科學的理論，在理論層面加入了很多數學的東西，包括各種公式。
圖上所示就是火箭公式。有了火箭公式之後，人類就抓住了火箭運行的本質，我們就知道什麼時候可以進入太空了。
齊奧爾科夫斯基還有一句很經典的名言：「地球是人類的搖籃，但人類不會永遠躺在搖籃裡。」
光有科學的理論是不夠的。這時，美國的一位科學家戈達德做了實驗，寫了一本書叫《達到極高高度的方法》。書中不僅有公式，還有一些與實驗相關的內容。
到了這個時代，戈達德做火箭實驗就跟我們古代不一樣了。萬戶是自己直接坐到火箭上面，而戈達德是利用一個小望遠鏡在很遠的地方觀察火箭，由此測量計算這個火箭能達到的高度。現在，還有一個研究中心以他的名字命名，叫戈達德研究中心。
這個時候，火箭的發展就進入了第二個時代。我們知道了為什麼火箭能夠飛行、怎麼樣才能夠進入太空。但是這個時期的火箭還是太小了、不實用、沒法載人。
所以接著進入了火箭發展進程中的第三個時代，那麼現代的火箭從哪裡開始發展呢？
現代火箭的鼻祖誕生於德國，起源於德國的「V2」導彈，「V」的意思是「報復者」。在第二次世界大戰時，德國人用它來進攻。導彈和火箭的區別在於，如果運載的物品是炸彈或者原子彈，我們就叫它導彈；如果運的是衛星或者人，我們就叫它運載火箭。
德國人發展的現代火箭實現了兩個突破：一個就是火箭有了制導系統，想去什麼地方制導系統就能帶領它去什麼地方；另一個是火箭配備了一個耐高溫高壓的渦輪增壓泵。因為火箭發射時會產生很大的推力，就需要在單位時間內利用渦輪增壓泵把很多的推進劑擠入火箭的燃燒室裡。
火箭最重要的難點就是，如何控制這麼多炸藥又能穩定燃燒不發生爆炸，又能保證火箭往前推進。渦輪增壓泵使用的技術就是內燃機，內燃機就是在內部燃燒併產生動力的機器，能耐高溫高壓。
德國人在八九十年前發展出了領先於整個世界的渦輪增壓泵，並做出實用的運載火箭，也就是V2導彈。這就是運載火箭的前身。
這時候的火箭就進入了工程實用階段。但這時候它的用處是破壞性的，用來遠端攻擊，火箭製造技術也被壞人最先掌握。
在這之後，美國人就把後來被稱為「火箭科學之父」和「美國月球計劃之父」的V2導彈設計師馮·布勞恩抓到美國，進行登月火箭「土星5號」的研究。
蘇聯人作為第二次世界大戰中勝利方也來到了德國，但是比美國晚了一步。於是他們把還沒有被抓走的工程師，還沒有被運走的「V2導彈」零部件運到了大興安嶺以北的寒冷的西伯利亞。
蘇聯人做出了世界上第一個用於航天的運載火箭，這使整個西方都感到恐懼。因為在那時候蘇聯用這個火箭把衛星發射到太空裡。美國人就因此說，這使我們每天都暴露在蘇聯人的眼皮底下，因為衛星可以觀察地面的活動。
於是在世界歷史上產生了一個新的政治學名詞：斯普特尼克時刻。這個時刻意味著整個世界不同國家之間的力量對比發生了根本性變化。這個名詞也就來源於第一顆人造衛星的名字「斯普特尼克」，所以運載火箭也是一個國家力量的象徵。
系統工程時代的一次性火箭
已完成：60%//////////
在國慶閱兵的時候，大家可能會發現每次最後一個方陣都是DF-5B。
「東風5號」是戰略導彈，它能運載原子彈到全世界的任何一個角落，是國家安全的保證。我們國家的系列運載火箭最初都是從導彈改裝過來的。
我國的火箭之父、航天之父是錢學森先生。錢學森當時在美國加州理工學院留學，這個學校很小，但是他有著強烈的創新精神。在那裡，錢學森和其他幾位同學共同組建了一個5個人的「自殺小分隊」。為什麼呢？因為他們研究現代火箭需要不斷做實驗，經常發生爆炸。
後來學校就把他們趕了出去，於是他們就在加州理工學院旁邊的山溝裡面創建了目前世界上最著名的航天實驗室：噴氣推進實驗室，英文叫JPL（Jet Propulsion Laboratory）。美國的火星探測器、飛出太陽系的「旅行者號」等都是由JPL進行總體設計的。
為什麼錢學森能領導中國的火箭呢？其實他不僅僅領導了最早的美國火箭研究，還負責當時去德國抓馮·布勞恩並審問的工作。這就意味著他早就知道了火箭的前沿技術，也參與過相關的研究。
在他們那一代人的領導下，我們國家發展了「長征」系列運載火箭。我開始參加工作的時候，就參與了新一代運載火箭「長征5號」「長征6號」和「長征7號」系列的研發。比如，我參與了「長征5號」的級間分離的設計，研究怎麼讓推進劑穩定地沉到火箭底部，使二級點火的時候能夠成功。
錢學森時代的火箭有一個特點，所使用的推進劑都是劇毒的，含有四氧化氮和偏二甲肼，接觸多了會引起皮膚癌症。
那為什麼上一代人要用這種推進劑？是因為剛才提到的，火箭是國家力量的象徵，保證我們的安全是那時候它的主要用途。
在最開始，「東風5號」導彈是用來發射原子彈的。因此它有一個要求，就是在有需要的時候，要在一秒鐘之內發射。如果用現在的新一代液氫液氧推進劑就無法做到這一點，它們不能長時間儲存，需要用到時只能臨時加註。因為液氧會蒸發，會讓發動機內像高壓鍋一樣，不得不把推進劑給排出來。
這時候的火箭就進入了系統工程時代。火箭能進入太空了，而且能給我們帶來很多的好處，因為能站得高望得遠。但它是一次性的，成本很高也不可靠。那麼未來的火箭，就應該是可以重複使用的。
讓火箭像飛機一樣便捷
已完成：80%//////////
美國很早就開始嘗試研發可以重複使用的火箭，於是研製了太空梭，但是它很不可靠。
太空梭的可靠性只有98%左右，在5架太空梭執行的130多次任務中，就有2次發生了爆炸，每次犧牲了7名航天員。我們說航天員是航天英雄，就是因為航天在現在還是一件很困難、不夠可靠的事情。
▲圖片來自wikipedia
太空梭重複使用也是為了節約成本，結果這個可以重複使用的太空梭平均一次的使用成本高達15億美元，因此在後來被淘汰了。
我國的長征二號F載人運載火箭將兩個不可靠的方法並行組合，盡力解決航天員的安全問題。
假設我們發射10000次載人運載火箭，由於火箭底下兩級只有98%的可靠性，所以這10000次裡面就可能有200次會發生錯誤。如果航天員在這200次錯誤發生時位於火箭裡面，豈不是太危險了嗎？
載人運載火箭上面還有一個尖尖，在圖片裡看起來很小，其實有兩層樓高，甚至可以有10來米高。它其實是一個固體火箭，這個火箭的可靠性也有98%。所以將這兩個系統結合之後，這200次裡面就有196次能夠把航天員安全帶回地面。
這就是錢學森時代的方法，他們用這兩個不可靠的系統組成了一個非常可靠的系統。這其實也給同學們一個啟示，像我考數學的時候，我做一遍只能得90分。想要得更高的分數，可以用兩種完全不同的方法，或者有時候把答案代到題目裡面去倒著算一遍，這樣大概就能得到99分。考試跟這個道理其實是一樣的。
現在SpaceX公司在發展它們的可重複使用運載火箭，第一級能夠像圖中那樣垂直降落。
▲劉佳璽,劉黨輝. 可重複使用航天運載器及其關鍵技術
國際航空航天科學, 2019
我們國家現在也在發展可重複使用的火箭。目前參與工作的我們這一代人，不管是運載火箭研究院還是各家民營火箭公司裡的研究人員，都在研究可重複使用的運載火箭。
未來的可重複使用火箭能不能像飛機一樣飛行呢？
我想，每一代人有每一代人的使命。我們每一個人在龐大的時代當中就像一粒沙子。像我，在研發火箭的領域裡面只能做很渺小的一點點工作。但是一代人的力量彙集在一起，我相信未來就能做出不但能像飛機一樣快速飛行，還能在發射衛星以後返回地面的火箭。
現在，我們國家已經有了一些關於具體發展的規劃，但是這些都還具有不確定性。我們等待著各位同學們、所有對火箭有興趣的人，等著你們這一代人參與進來，一起見證這樣一個新的時代。
謝謝大家。