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火星探测器天问一号着陆全流程，海南文昌长征5号发射探月发射器

来源：解雕侠编辑：JDX22 时间：2023-01-10 11:06:52

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出品：科普中国

制作：宇宙酿造

监制：中国科学院计算机网络信息中心

图源：我们的宇宙史悦吕炳宏

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发射，2000多秒后将实践二十号卫星送入预定轨道，发射飞行试验圆满成功。

2019年是中国航天的“超大年”，实现了一系列举世瞩目的成就。嫦娥四号和玉兔二号实现了人类探测器首次在月球背面着陆。玉兔二号成为人类历史上最长的月球车；长征11号运载火箭是中国第一个实现海上平台发射的北斗卫星导航系统，完成最核心的与中圆轨道同步倾斜轨道卫星的部署； 2枚高速艇1A火箭实现同一发射场间隔6小时的高速发射；三种商业火箭(捷龙、双曲线一号、零壹OS-1 )首飞；年火箭发射34次(美国为27次)，继2018年之后再次成为世界第一等。

除了这些光辉，还有“全村的希望”。那就是，大家期盼已久的长征五号再飞一次。

一、为什么长征五号运载火箭长征系列运载火箭是我国航天技术发展的绝对主力支撑，承担着我国发射任务的96.4%，发射航天器总质量占中国发射总质量的99.2%[1]，其重要性不言而喻。

长征家族主要成员的一部分(图片来源： GW_Simulations ) )。

到2015年，长征系列运载火箭的主力是长征二号( 2C/2D/2F )、长征三号( 3A/3B/3C )、长征四号( 4B/4C )多型。但随着中国航天的快速发展，这些火箭逐渐“力不从心”，其中最主要的问题是运力不足。

例如，长征五号之前，我们低轨道的最大运载力为长征二号f载人航天专用火箭8.6吨。高轨道地球同步转移轨道的最大运力为长征三号B/E的5.5吨[2]。更远的月球移动轨道最大运力也是长征三号B/E运载嫦娥三/四号任务时的3.8吨级[3]。

这意味着更重、更大、更复杂的太空发射任务无法用这些火箭完成。例如，中国计划中的天宫空间站几个核心模块段的重量将分别达到20吨级，这远远超过长征二号f火箭的运载力。中国新的超大型卫星平台东方红五号的总重量最大可达9吨级[5]，而且它需要输送到地面36000公里的轨道，这大大超过了长征三号B/E火箭的能力；我国嫦娥工程下一个采样返回任务嫦娥五号的重量也远远超过嫦娥三/四号，更何况还有计划中的火星探测等深空探测任务。

中国有古典俗语。 “没有金刚钻，不能摆弄瓷器器皿”。中国这些“重量级”航天任务急需通用化、系列化、组合化的大运载火箭。这就是长征五号的使命和定位。

长征五号转场中(图片来源：航天科技集团) )。

长征五号低轨运力达到25吨，同步转移轨道运力达到14吨，地月转移轨道达到8吨级，能够执行多种航天发射任务，能力远超长征火箭。

二、造长征五号火箭有多难？

长征五号这一级运载火箭研制在世界范围内是一个巨大的挑战，对中国来说也是如此。但作为中国航天史上具有划时代重要性的运载火箭，中国航天人员必须迎难而上，这就需要实现一系列高难度的重大创新。

1 .新型火箭推进剂

包括长征二、三、四号火箭在内的传统长征家族火箭均使用四氧化氮/异烟肼推进剂组合，毒性大，发射准备周期长，造价昂贵，比冲低。弹珠是衡量每单位质量推进剂产生的冲量的指标，一般来说，该数据越大意味着火箭推进能力越强。相比之下，液氧煤油、液氧液氢推进剂更优，也是世界主流重型运载火箭的选择。

因此，长征五号的巨大变化是其核心推进剂是液氧煤油(助推器)和液氧液氢(核心芯一级、二级)配套使用。由于液氧液氢稳定储存温度极低，为负183和负253，长征五号也被称为“冰箭”。

2 .新的火箭发动机

如果更新了推进剂，意味着发动机也要更新。而一个火箭发动机要同时实现推力大、爆炸力强、材料耐热、耐寒(从极低温到数千度燃烧温度)、结构强、控制精细、稳定性高、质量轻等诸多优点，并不容易

这也是发动机被称为“火箭心脏”的原因，其开发难度在世界上能直接制造大型火箭的国家屈指可数。

展示中的YF-100K引擎(开源照片) ) )。

长征五号需要同时开发YF-77 (用于液氧液氢推进剂、核心级)、YF-100 (用于液氧煤油推进剂、助推器)和YF-75D (液氧液氢推进剂、二级) )三型发动机，难度较大

3 .新火箭的上段

长征五号被定位为多用途系列火箭，在执行高轨道和深空探测任务时，也称为第三级，或者高级，类似于航天飞行效果。与长征五号配套的上段是远征二号。

在航天领域，一箭双雕n星“撒土豆”并不少见。重几十克的皮卫星也叫卫星，因为一次发射多颗大质量卫星进入不同轨道非常复杂，对高层要求极高。例如，在北斗建设过程中，依托远征一号实现了数次一石双星任务，节约了发射次数。远征二号实现了中国航天高级别新的重大突破，首次双引擎设计具有极强的变轨能力，比远征一号强，可以帮助航天器进入更远、更高、更复杂的轨道。

4 .新机箱、新结构、新模块化组合

在宇宙飞行领域很有名，但有一个没有歪曲的“笑话”——“马的屁股决定运载火箭的运力”。原始线路设计参照马屁精排列时的宽度，线路宽度决定车厢设计宽度，车厢设计宽度决定隧道设计宽度，隧道设计宽度决定火箭箭体直径最大允许，火箭尺寸决定最后的火箭运力。

结果表明，此前主力长征火箭最大壳体直径一般为3.35米，再大的宽度无法运送到三大发射中心(酒泉、太原、西昌)。

大国工匠(高凤林，图源) CCTV

为了实现运力提升需求，长征五号要求制作直径5米的箭，一级外扎4个3.35米的助推器，总质量升至869吨级，远远超过长征三号b系列426-459吨级[2]，其中关于其难度，我建议看著名纪录片《大国工匠》。第一集讲的是焊接火箭发动机和大型壳体的大国工匠高凤林技术人员。

此外，“长征五号”还实现了大火箭的模块化设计理念，火箭的级数、是否携带上段、助推器的捆绑方式可以根据发射需要而变化，产生适合多种任务的“长五家族”。

5 .新辅助发射场、火箭运输船、生产基地

但很明显，长征五号已经不能继续使用传统的三大火箭发射场，需要建设新的火箭发射场。这就是位于海南的文昌火箭发射基地。实际上，还有另外两大好处。周边是大洋，火箭残骸没有任何损失。纬度更低，可以更大地借助地球自转的力量，减少推进剂的消耗，提高运力。

远望21和22航天运输船(图片来源：中央人民广播电台和中国军网) )。

为了将长征五号从海路运到文昌，我国为了将两艘远望21/22航天运载船上的装配好的火箭转移到发射台，还需要建设大型特种火箭运载平台；长征五号的生产和组装将在天津滨海新区(天津航天长征火箭制造有限公司)进行，这里也将成为中国未来火箭生产体系的灵魂。

这些只是长五关系的一部分，但每一点背后，都已经有无数科研人员历经多年攻关，被认为需要国家强大的人力资源、科研和工程技术力量作为后盾，缺一不可。

三、成功，2016年11月3日长征五号遥一火箭首飞成功，举国欢腾，对于拥有如此多技术更新的大火箭来说，真的不容易。比较而言，同级别的美国德尔塔4-大型、俄罗斯质子M、欧洲阿丽亚娜5型火箭在试射中曾发生过事故。

然而，2017年7月2日，长征五号遥二火箭发射任务在飞行到346秒时突然出现故障。仿真计算和地面试验结果表明，故障原因是芯一级液氢液氧发动机一分机涡轮排气装置在复杂的力热环境下，局部结构出现异常，导致发动机推力瞬间大幅下降，发射任务失败[4]。

此后，中国航天开始了非常困难的“归零”工作，再现了故障。经过反复故障诊断，最终发现了这个原因。随后，改进后的芯一级液氢液氧发动机完成了多次地面热试车考核，验证了改进措施的有效性[4]。今天的长征五号遥三有任务。

成功从来不是随意的。 “胖五”的回程之旅，已经经历了900多天的痛苦。这个重担不仅落在火箭研发团队的肩上，也落在全体中国宇航员的肩上。

四、胖五归来，中国航天新时代进程中“胖五”成功归来，意味着中国航天一系列具有深远意义的大型任务可以实施。

此次发射的实践二十号任务，是我国首个应用的东方红五号卫星平台。该平台是中国纯自主设计开发的新一代大型桁架式卫星平台，整个平台最大功率可达30千瓦，最大质量可达9吨。由于使用了等离子电推进技术，设计寿命长达15年，大大提高了我国超大型卫星研究水平，是我国未来20年内的核心卫星平台之一，可用于通信、遥感等多个卫星应用领域[5]。实践20将成为世界上最重、最强的高通通信卫星之一，太阳能板全部展开后宽度超过40米，超过普通客机翼展，通信能力远远高于中国以往任何一颗通信卫星。

中国火星探测任务(图片来源：国家航天局) )。

2020年7月前后，人类再次迎来火星探测窗口，中国首个独立自主的火星探测任务即将启程。目标是在一次任务中完成火星“绕、落、巡视”的壮举，长征五号是运载火箭前往火星。

随后，我国将正式开始嫦娥探月工程“绕月、落月、回航”三个步骤的最后一次“返回”。嫦娥五号将搭乘长征五号发射，登月带回月球土壤样品。这也将是阿波罗登月时代结束50年后人类再次接触月球。

在完成11艘神舟、1艘宇宙飞船、2艘天宫空间实验室任务后，我国载人航天事业也将迎来新的高度，全面建成100吨级天宫空间站，实现在轨长时间驻留。在同一个轨道上，也将伴随着大型巡视望远镜，成为中国的“哈勃太空望远镜”。长征五号( B型)运载火箭将成为整个建设过程中最核心的运载工具。

中国航天的新时代到来了。今年是中华人民共和国成立70周年，中国的航天也已经走过了63个年头。回头看，那所有的场景依然令人兴奋。从东方红一号到长征五号，中国航天辉煌成就的背后，不仅有伟大的23位“两弹一星”元勋，也有继承、坚持、弘扬“两弹一星”精神的平凡宇航员。

向他们致敬！