火箭的运载能力有多大，
航天的舞台就有多大。
周炳红 · 中国科学院国家空间科学中心研究员
格致校园第38期 | 2023年 北京
大家好，我是周炳红。今天跟大家分享火箭是怎么演化成今天这样的。
▲图片来源：TylerSkrabek
这就是目前世界上主流的各种各样的运载火箭，图中也包括我国的“长征”系列火箭，还有航天飞机。通常的运载火箭与经典的力学与控制问题相关。“经典”就是说它不像量子纠缠、量子力学以及最近很火的超导等问题一样需要很多现代量子力学知识。
我在30年前考入了中国科学技术大学的力学系，但很遗憾，那时候的力学还是一个“天坑”专业。那时候没有像现在这么发达的网络，让我可以和更多的朋友进行交流。我上了这个“天坑”专业之后，它就改名为力学与机械工程系。因为在我们那一代人上大学时，大家更关心各种各样的机械，比如汽车，所以机械是研究热门。现在那个系的名字又变回了近代力学系。
火箭是一个很复杂的系统工程，它的可靠性只能做到98%左右，也就是说火箭发射100次，可能有2次就会出现问题。所以制造火箭是一件困难而又正确的事，我们要做的就是这种工作。
火箭的运载能力有多大，航天的舞台就有多大。火箭运载能力的最高峰就体现在载人登月上。
也许等一万年以后，那时的人类已经不记得当时某个国家的领导人是谁了，但是他们还会记得第一个登上月球的人是谁。在50多年前，阿姆斯特朗成为了第一个登上月球的人。
最近美国提出了重返月球计划，他们对这次重返月球提出了一个很重要的政治目标：要让第一个登上月球的女航天员是美国人。他们刚开始预计在2024年登上月球表面，但后来又推迟到2025年，现在还要继续推迟，可能要推迟到2028年。
我们中国也在近期公布了登月计划，我国将用新一代载人运载火箭将我们的航天员在2030年之前送上月球。
现阶段的火箭在飞行时有个很重要的特点，就是会边飞边扔东西。因为很多运载火箭是分级的，当一级火箭的燃料燃烧完，达到一定速度以后，就会级间分离：前面一级火箭会“砰”的一下把后面一级火箭往下推。后面一级火箭被扔了是一件很可惜的事。
▲失重现象
在我国“嫦娥工程”开始之初，我参与到了我们这一代人的火箭研究工作中。为了去月球，我们的火箭要对准月球以后再加速，中间一段会关掉主发动机。把发动机关上以后，就会发生失重现象。就好像我们在地球上玩蹦极时或者电梯突然故障往下掉时，肚子里的东西就会像图上失重飞机里的东西一样飘起来。火箭也是一样，它肚子里的推进剂也会飘起来，那么这时候火箭如果想要再次点火，就没办法成功。我做的工作就是利用流体力学知识，帮助我们国家的火箭在多次点火时成功点火。
我们这一代人已经研制出了载人登月火箭，等各位小朋友们将来工作的时候，那时候的火箭会变成什么样呢？将来火箭会不会像飞机一样飞行呢？它会不会在发射完卫星之后，还能自行飞回原来的发射场呢？加注推进剂以后，可不可以像飞机一样，换一批旅客继续飞行呢？
古代的火箭像玩具
我们先看一下火箭是怎么样一步步发展过来的。
▲世界上最早的火箭-宋朝
在大概1000年前的古代，那时候的火箭跟现在的很不一样。我们的祖先发明的火箭类似于今天的玩具，像是给箭头加上了一个烟花。
到后来，出现了更多关于火箭的各种各样的传说，它们都记载在书籍里。其中的一个传说有一个很有诗意的名字，叫做火龙出水。据书里记载，它可以沿着水面在一两米高的地方飞行，借助4支火箭把一个火龙推过去，快到敌人战船的时候，龙的嘴巴里面就会吐出另外一个火箭，烧掉敌人的战船。这个原理有点像多级火箭。
不过，我的母校中国科学技术大学有一个科技考古系，那个专业的研究人员就考察过火龙出水。经过各种验证，发现它的飞行不稳定，很容易栽下来。从我的专业上来看，同样认为它的飞行很困难，很难持续飞行很远的距离。
▲蒂普苏丹的“火箭”技术
随着战争，我们国家的火箭技术扩展到了世界各地。其中很著名的一个火箭是以前印度统治者跟英国东印度公司打仗的时候使用的铁管式火箭。这种火箭能够喷射得非常远，射程达到几公里。
后来又有一个传说，说有一个古人叫万户，他就想自己能不能坐在火箭上飞往太空。最终他失败了，而且失去了自己的生命。虽然只是个传说，但是人们为纪念他，各个国家发行了与之相关邮票，月球的背面有一个撞击坑也是用万户的名字来命名的。
古代的火箭就是一种基于简单的工匠经验做出来的火箭，能飞，但缺点是做不大又飞不稳。
更科学的近现代火箭
进入到科学的时代之后，近代的火箭会有什么不一样呢？
▲图片来源：Pinter
有一个很著名的俄罗斯科学家叫做齐奥尔科夫斯基。他最初是一位中学老师，后来发展了火箭科学的理论，在理论层面加入了很多数学的东西，包括各种公式。
图上所示就是火箭公式。有了火箭公式之后，人类就抓住了火箭运行的本质，我们就知道什么时候可以进入太空了。
齐奥尔科夫斯基还有一句很经典的名言：“地球是人类的摇篮，但人类不会永远躺在摇篮里。”
光有科学的理论是不够的。这时，美国的一位科学家戈达德做了实验，写了一本书叫《达到极高高度的方法》。书中不仅有公式，还有一些与实验相关的内容。
到了这个时代，戈达德做火箭实验就跟我们古代不一样了。万户是自己直接坐到火箭上面，而戈达德是利用一个小望远镜在很远的地方观察火箭，由此测量计算这个火箭能达到的高度。现在，还有一个研究中心以他的名字命名，叫戈达德研究中心。
这个时候，火箭的发展就进入了第二个时代。我们知道了为什么火箭能够飞行、怎么样才能够进入太空。但是这个时期的火箭还是太小了、不实用、没法载人。
所以接着进入了火箭发展进程中的第三个时代，那么现代的火箭从哪里开始发展呢？
现代火箭的鼻祖诞生于德国，起源于德国的“V2”导弹，“V”的意思是“报复者”。在第二次世界大战时，德国人用它来进攻。导弹和火箭的区别在于，如果运载的物品是炸弹或者核弹，我们就叫它导弹；如果运的是卫星或者人，我们就叫它运载火箭。
德国人发展的现代火箭实现了两个突破：一个就是火箭有了制导系统，想去什么地方制导系统就能带领它去什么地方；另一个是火箭配备了一个耐高温高压的涡轮增压泵。因为火箭发射时会产生很大的推力，就需要在单位时间内利用涡轮增压泵把很多的推进剂挤入火箭的燃烧室里。
火箭最重要的难点就是，如何控制这么多炸药又能稳定燃烧不发生爆炸，又能保证火箭往前推进。涡轮增压泵使用的技术就是内燃机，内燃机就是在内部燃烧并产生动力的机器，能耐高温高压。
德国人在八九十年前发展出了领先于整个世界的涡轮增压泵，并做出实用的运载火箭，也就是V2导弹。这就是运载火箭的前身。
这时候的火箭就进入了工程实用阶段。但这时候它的用处是破坏性的，用来远程攻击，火箭制造技术也被坏人最先掌握。
在这之后，美国人就把后来被称为“火箭科学之父”和“美国月球计划之父”的V2导弹设计师冯·布劳恩抓到美国，进行登月火箭“土星5号”的研究。
苏联人作为第二次世界大战中胜利方也来到了德国，但是比美国晚了一步。于是他们把还没有被抓走的工程师，还没有被运走的“V2导弹”零部件运到了大兴安岭以北的寒冷的西伯利亚。
苏联人做出了世界上第一个用于航天的运载火箭，这使整个西方都感到恐惧。因为在那时候苏联用这个火箭把卫星发射到太空里。美国人就因此说，这使我们每天都暴露在苏联人的眼皮底下，因为卫星可以观察地面的活动。
于是在世界历史上产生了一个新的政治学名词：斯普特尼克时刻。这个时刻意味着整个世界不同国家之间的力量对比发生了根本性变化。这个名词也就来源于第一颗人造卫星的名字“斯普特尼克”，所以运载火箭也是一个国家力量的象征。
系统工程时代的一次性火箭
在国庆阅兵的时候，大家可能会发现每次最后一个方阵都是DF-5B。
“东风5号”是战略导弹，它能运载核弹到全世界的任何一个角落，是国家安全的保证。我们国家的系列运载火箭最初都是从导弹改装过来的。
我国的火箭之父、航天之父是钱学森先生。钱学森当时在美国加州理工学院留学，这个学校很小，但是他有着强烈的创新精神。在那里，钱学森和其他几位同学共同组建了一个5个人的“自杀小分队”。为什么呢？因为他们研究现代火箭需要不断做实验，经常发生爆炸。
后来学校就把他们赶了出去，于是他们就在加州理工学院旁边的山沟里面创建了目前世界上最著名的航天实验室：喷气推进实验室，英文叫JPL（Jet Propulsion Laboratory）。美国的火星探测器、飞出太阳系的“旅行者号”等都是由JPL进行总体设计的。
为什么钱学森能领导中国的火箭呢？其实他不仅仅领导了最早的美国火箭研究，还负责当时去德国抓冯·布劳恩并审问的工作。这就意味着他早就知道了火箭的前沿技术，也参与过相关的研究。
在他们那一代人的领导下，我们国家发展了“长征”系列运载火箭。我开始参加工作的时候，就参与了新一代运载火箭“长征5号”“长征6号”和“长征7号”系列的研发。比如，我参与了“长征5号”的级间分离的设计，研究怎么让推进剂稳定地沉到火箭底部，使二级点火的时候能够成功。
钱学森时代的火箭有一个特点，所使用的推进剂都是剧毒的，含有四氧化氮和偏二甲肼，接触多了会引起皮肤癌症。
那为什么上一代人要用这种推进剂？是因为刚才提到的，火箭是国家力量的象征，保证我们的安全是那时候它的主要用途。
在最开始，“东风5号”导弹是用来发射核弹的。因此它有一个要求，就是在有需要的时候，要在一秒钟之内发射。如果用现在的新一代液氢液氧推进剂就无法做到这一点，它们不能长时间储存，需要用到时只能临时加注。因为液氧会蒸发，会让发动机内像高压锅一样，不得不把推进剂给排出来。
这时候的火箭就进入了系统工程时代。火箭能进入太空了，而且能给我们带来很多的好处，因为能站得高望得远。但它是一次性的，成本很高也不可靠。那么未来的火箭，就应该是可以重复使用的。
让火箭像飞机一样便捷
美国很早就开始尝试研发可以重复使用的火箭，于是研制了航天飞机，但是它很不可靠。
航天飞机的可靠性只有98%左右，在5架航天飞机执行的130多次任务中，就有2次发生了爆炸，每次牺牲了7名航天员。我们说航天员是航天英雄，就是因为航天在现在还是一件很困难、不够可靠的事情。
▲图片来自wikipedia
航天飞机重复使用也是为了节约成本，结果这个可以重复使用的航天飞机平均一次的使用成本高达15亿美元，因此在后来被淘汰了。
我国的长征二号F载人运载火箭将两个不可靠的方法并行组合，尽力解决航天员的安全问题。
假设我们发射10000次载人运载火箭，由于火箭底下两级只有98%的可靠性，所以这10000次里面就可能有200次会发生错误。如果航天员在这200次错误发生时位于火箭里面，岂不是太危险了吗？
载人运载火箭上面还有一个尖尖，在图片里看起来很小，其实有两层楼高，甚至可以有10来米高。它其实是一个固体火箭，这个火箭的可靠性也有98%。所以将这两个系统结合之后，这200次里面就有196次能够把航天员安全带回地面。
这就是钱学森时代的方法，他们用这两个不可靠的系统组成了一个非常可靠的系统。这其实也给同学们一个启示，像我考数学的时候，我做一遍只能得90分。想要得更高的分数，可以用两种完全不同的方法，或者有时候把答案代到题目里面去倒着算一遍，这样大概就能得到99分。考试跟这个道理其实是一样的。
现在SpaceX公司在发展它们的可重复使用运载火箭，第一级能够像图中那样垂直降落。
▲刘佳玺,刘党辉.可重复使用航天运载器及其关键技术
国际航空航天科学,2019
我们国家现在也在发展可重复使用的火箭。目前参与工作的我们这一代人，不管是运载火箭研究院还是各家民营火箭公司里的研究人员，都在研究可重复使用的运载火箭。
未来的可重复使用火箭能不能像飞机一样飞行呢？
我想，每一代人有每一代人的使命。我们每一个人在庞大的时代当中就像一粒沙子。像我，在研发火箭的领域里面只能做很渺小的一点点工作。但是一代人的力量汇集在一起，我相信未来就能做出不但能像飞机一样快速飞行，还能在发射卫星以后返回地面的火箭。
现在，我们国家已经有了一些关于具体发展的规划，但是这些都还具有不确定性。我们等待着各位同学们、所有对火箭有兴趣的人，等着你们这一代人参与进来，一起见证这样一个新的时代。
谢谢大家。
- END -
本文2024年1月16日发表于微信公众号 格致论道讲坛 （火箭的可靠性只能做到98%，那航天员岂不是太危险了吗？| 周炳红），风云之声获授权转载。
■ 扩展阅读
“罪恶之城索多玛”毁于天火？一文解锁小行星撞击地球的五种“姿势” | 周炳红
《流浪地球》的航天技术，中国还差多远？| 周炳红
钱学森对美国航天的贡献，他们至今没忘 | 周炳红
中国航天最低潮的时候，外企一车车挖走我们的火箭人才 | 周炳红
你问我端午节干什么？当然是围观“火箭”发射啦 | 周炳红
中国火星车成功登陆，同时其他国家的探测器在干什么？| 科技袁人
为了找到火星生命，中国火星车带了哪些秘密武器？| 科技袁人
建基地、装镜子、炸两极……这些改造火星的方法靠谱吗？| 科技袁人
■ 作者简介
周炳红
中国科学院国家空间科学中心研究员，主要研究小行星防御与利用、微重力流体力学
风云之声
科学 · 爱国 · 价值
继续阅读
阅读原文
关键词
航天
技术
推进剂
技术
导弹