自2016年起，国务院正式将每年4月24日设立为“中国航天日”。这一日期的选定其实有着相当深厚的内涵，1970年4月24日，中国自主研制的第一颗人造地球卫星“东方红一号”从酒泉卫星发射中心升空，它的成功发射标志着中华人民共和国成为世界上继苏联、美国、法国和日本之后第五个独立发射人造卫星的国家。2020 年 第五个“中国航天日 ”有着一层特别的意义——距离“东方红一号”首飞正好过去了50年。在这50年间，中国的航天事业取得了无数的成就，“东方红一号”也早已成为了航天精神的标志与代名词。据悉，今年的“中国航天日”活动将以“弘扬航天精神 拥抱星辰大海”作为主题。说到星辰大海，首先需要实现的目标便是载人空间站、登陆月球乃至火星一类太阳系内的深空探测活动。要想实现这些目标，强有力的运载工具自然不可少。我们今天就来跟大家聊聊即将发射的长征五号B型运载火箭。
图一：长征五号B运载火箭首张“全身照”，图源：中国载人航天工程办公室长征五号B运载是目前长征五号系列运载火箭家族两大成员之一，主要用于空间站舱段等近地轨道大型航天器发射任务，是在长征五号运载火箭基础上改进研制的新型火箭，根据空间站任务要求新研制了大型整流罩，并对全箭进行了适应性改造。火箭全长约53.7米，整流罩长20.5米、直径5.2米，捆绑4个直径3.35米助推器。助推器使用四台YF-100液氧煤油发动机提供动力，采用液氧和煤油作为推进剂。芯一级直径5米，由四台YF-77液氢液氧发动机提供动力，采用无毒无污染的液氢液氧燃料作为推进剂。火箭起飞质量约849吨，近地轨道运载能力大于22吨。无疑这是我国近地轨道运力最大的火箭，代表着当前的航天实力。从世界范围来看，现役的各国运载火箭中，长征五号B运载火箭的运力是世界一流的水平。
图2：长五基本型及长五B改进型火箭结构示意图 图源：http://dy.163.com/v2/article/detail/F1FI3ADG05315NG1.html这些参数即便是与各国同类重型火箭相比也毫不逊色。现阶段长征五号B的作用主要在于将重型载荷送入地球轨道，也即建设空间站。那么，为什么长征五号B同时使用了液氢液氧和液氧煤油两种发动机？液氢液氧和液氧煤油相比，有哪些优势和劣势？此外，这次发射事关我国后续一系列太空计划，这些计划大致包括哪些？同一支火箭，为什么使用两套发动机，两种推进剂？长征五号B使用了两种推进剂组合，第一是液氧煤油，第二是液氢液氧，与之匹配的发动机系统也自然地分成两套。就目前而言，大推力火箭所使用的发动机一般有四种燃料体系：偏二甲肼/四氧化二氮、液氧煤油、液氧甲烷和液氢液氧，它们都是强氧化剂和强还原剂的组合。火箭发动机点火后，依靠燃料发生剧烈氧化还原反应（燃烧）释放的强大能量将载荷送入太空。作为火箭燃料，除了能够剧烈燃烧释放能量，还要有较高的比冲量，简称比冲。这里我们首先明确一下比冲的概念。对于燃料而言，“比冲”是指消耗单位质量的推进剂产生的冲量。而根据牛顿第二定律，施加的冲量将赋予火箭加速度，从而挣脱地球引力，飞往太空。因而，比冲越大，代表燃料的效率越高。传统的偏二甲肼/四氧化二氮组合的比冲为348米/秒，液氧煤油为347米/秒，液氧甲烷可达375米/秒，而液氧液氢可达惊人的457米/秒。假设同样都是将20吨重的航天器从静止提升到足以摆脱地球引力的第一宇宙速度，经过计算，可以得到液氧煤油发动机所需要的推进剂质量大概为181.5吨。而液氢液氧发动机所需要的推进剂质量仅为96.7吨左右，相差几乎一倍。而这些节约的燃料质量将可以直接用于增加航天器的质量。由此可见，氢作为元素周期表中排行第一的元素，蕴含着人类用于征服太空的惊人力量。
图3：在NASA的斯坦尼斯航天中心热试车的正处于测试阶段中的RS-68发动机，为目前最大的液氢液氧发动机 图源：https://en.wikipedia.org/wiki/RS-68那么，为什么还要发展其他燃料体系呢？既然液氢液氧能够达到如此高的效率，我们干脆把所有的发动机全都发展成液氢液氧型不就好了吗？这就涉及到液氢的性质了。氢的沸点为-253°C，在这个温度下，几乎所有的其他气体都会变成液体甚至是固体，这将给液氢燃料的加注带来相当高的技术难度。在实际操作过程中，长征五号的燃料加注是分液氢液氧和液氧煤油两部分组成的。助推器使用的YF-100发动机需要加注液氧煤油推进剂，而芯级使用的YF-77发动机需要加注液氢液氧推进剂。液氧煤油的加注相对简单，将燃料加注到贮箱中即可，但液氢的加注需要对管路进行反复清洗（是指使用液氦进行清洗）。液氦的沸点为-268.9°C，是为数不多的和液氢沸点类似的气体。实际加注过程中，需要首先通过给管路通入液氦来将管路中的其他气体“挤出”管路，之后进行降温，再加注液氢。倘若处置不当，很容易导致液氢将管道内其他残余气体冷却至固态，从而在管路形成其他气体产生的固态颗粒。这对于氢气的燃烧是不利的，同时还会增加爆燃的危险。由此可见，虽然利用液氢液氧推进剂的火箭发动机系统具有非常高的燃烧效率和推进能力，但该推进剂系统的使用和维护具有相当高的技术风险，特别是燃料加注环节，稍有不慎就有可能导致灾难性的后果。长征系列运载火箭同时使用两种类型的发动机也是综合考虑性能、成本和风险等方面因素后的选择。使用液氢液氧作为燃料的火箭发动机大都被用作空间站建设及深空探测任务。如土星一号火箭的第二级使用6台（用于阿波罗登月计划），半人马座火箭的上面级使用2台（载人航天），德尔塔-4运载火箭上面级使用2台（用于航天飞机发射）。而在NASA提出的重返月球的计划中，RL-10发动机有可能继续被启用，来为登月舱提供稳定可靠的动力。由此可见，使用液氢液氧作为长征五号B的推进剂，彰显了我国探索深空，奋力跻身航天强国的愿景。长征五号运载火箭将有哪些任务“等”首秀？就目前已披露的计划来看，将使用（或可能使用）长征五号运载火箭的任务如表所示：
表1：目前披露的未来飞行计划根据飞行任务规划可以看出，空间站工程大致可分为三个阶段，即关键技术验证，空间站正式建造和空间站运营。其中关键技术验证阶段安排了长征五号B运载火箭首飞、天和一号试验核心舱、神舟飞船、天舟飞船任务;建造阶段安排了问天舱、梦天舱发射等任务。长征五号系列火箭的发展历程也并非一路坦途作为中国载人航天的主力火箭，长征五号系列运载火箭的发展过程并非一帆风顺。2017年7月2日长征五号火箭在海南文昌发射中心发射失败，在此次飞行任务中，发动机点火成功，同时，在点火170秒后，4个装有液氧煤油发动机的助推器完成使命，成功分离，但在起飞后346秒时，芯级发动机提前熄火，导致任务失败。事后，经过航天科研人员的分析研判，证实问题出在一台芯一级YF-77发动机上。这台发动机由于涡轮泵泄压失败导致发动机熄火。而一台主发动机的推力可达509.6千牛（约52吨），能够使大概10多头成年大象挣脱地球重力。一台发动机熄的火直接导致整体推力下降，最终火箭发射失败。此次失败使航天人“归零”了整整三年，终于，在经历了2019年12月份长征五号的王者归来后，长征五号B也将重新启航。据悉，长征五号B有望在年内搭载新一代空间站核心执行发射任务。这将为我国新一代空间站的建设事业拉开序幕。在第五个航天日到来之际，我们要清楚地明白，星辰大海不是终点，而是更加神秘深邃的远方，她令无数航天人魂牵梦萦。长征五号系列运载火箭就承载着中国航天人的梦想，承载着共和国和平探索和利用太空的愿望。这个梦想，同样深深地埋藏在每个中国人的心底，融入到中华民族伟大复兴的征程之中。作者| 祁敏 北京航空航天大学 宇航学院博士生审稿人| 赵磊 北京航空航天大学 宇航学院助理教授文章由腾讯科普“全民爱科学”团队推出转载请注明来自科普中国
参考文献：1、王瑞铨，运载火箭发射技术及地面设备试验 [M] 北京:中国宇航出版社,20192、耿光有，长征运载火箭发射地火转移轨道优化研究 [M] 北京：北京航空航天大学：航空宇航推进理论与工程，20193、齐真. 《2016中国的航天》白皮书(摘编)[J]. 国际太空, 2017(1):8-13.4、Nikischenko, IgorN, Wright, Raymond D, Marchan, Roman A. Improving the performance of LOX/kerosene upper stage rocket engines[J]. Propulsion and Power Research, 2017, 6(3):157-176.5、Ewig R , Sandhu J , Shell C A , et al. The K2X - Design of a 2ND generation reusable launch vehicle[J]. AIAA journal, 2013.6、沈文金, 蒋文山, 韩英杰. 深度变推力发动机氧泵工作适应性仿真研究[J]. 导弹与航天运载技术, 2018, 364(05):40-43.7、徐浩海, 李春红, 陈建华等. 深度变推力液氧煤油发动机初步方案研究[J]. 载人航天, 2016(2):150-155.8、谭永华, 杜飞平, 陈建华等. 液氧煤油高压补燃循环发动机深度变推力系统方案研究9、9、Study on Deep Variable Thrust System of LOX/Kerosene High Pressure Staged Combustion Engine[J]. 推进技术, 2018, 039(006):1201-1209.10、维基百科：RS-68火箭发动机 https://en.wikipedia.org/wiki/RS-6811、The History of Rocket Science https://aerospaceengineeringblog.com/history-of-rocket-science/12、NASA. A Pictorial History of Rockets https://www.nasa.gov/pdf/153410main_Rockets_History.pdf
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