做一发成功的火箭到底有多难

制作:中国科普

作者:赵红·悉尼

策划:吴月彤、金禾

监督人:光明网络科普部

12月27日20时45分，长征五号姚三运载火箭从中国文昌航天发射场发射升空。发射飞行试验完全成功。这是胖子五号的第三次发射。两天前的25日，由北京星探公司自主研发的商用亚轨道运载火箭“发现号，中国科技城之星”在酒泉卫星发射中心成功首航，为中国商业空间的发展写下了浓墨重彩的一笔。

自20世纪初火箭诞生以来，近百年过去了，世界上只有美国、俄罗斯、中国、法国和英国等少数几个国家能够独立发射火箭。在哪里发射火箭真的很难？本文暂时不讨论管理程序，如备案，批准和许可，但将只讨论一点关于火箭技术。

图1“发现一号，中国科技城之星”运载火箭成功发射时刻(网络图片)

作为一种运载工具，无论哪种火箭，除了它的有效重量外，它至少由三部分组成，即火箭体、推进系统和控制系统。一些火箭还具有自毁和遥测功能。

一个合格的火箭壳体必须具有高强度、耐高低温、低密度、易加工等基本性能，并且相辅相成，缺一不可。如果力量不够，它将无法承受飞行中的巨大加速度，然后变形甚至损坏将发生。如果耐温性不好，它就不能承受高速飞行和空气摩擦产生的空气动力热，导致火箭内部温度迅速上升和恶化。如果密度大，火箭的有效载荷就会减少；即使满足了前三个条件，如果处理非常困难，也不是一个好的选择。

先进的合金材料和复合材料保证了火箭的结构性能，如何获得和加工这些材料已经成为许多国家的首要障碍。各国火箭结构材料的配方和技术都是严格保密的。即使现有材料用于逆向研究和开发，在找到正确的元素类型和比例之前，必须进行数百次测试和分析。然而，这只是长征的第一步。如何控制大量的过程参数，如温度、湿度、时间和调整率，一个参数是否会引起其他参数的联动变化，这些变化的后果是什么？所有这些工艺量和无数的排列组合必须一一经历，以保证结构件原材料的可控质量。假设前两大障碍已经克服，下一个挑战是如何将这些高强度和耐高温材料加工成最终所需的形状，以及如何确保加工后的部件具有一致的强度、均匀的厚度和良好的密封性。有必要知道，即使是微小的薄弱环节，也可能在火箭发射后的高频振动中引起机械疲劳，导致火箭的结构损坏甚至解体。2010年，印度GSLV-F06运载火箭发射后2分钟的解体爆炸事故是由螺旋桨接头断裂引起的。

然而，看看火箭发动机，作为火箭的心脏，火箭发动机的结构材料比外壳材料要求更高的性能。同时，发动机推进剂也是最大的困难之一。与壳牌公司的原材料生产类似，如何为固体和液体发动机大量、稳定和安全地获得高性能燃料需要几十年的能力积累。不同代的推进剂有不同的燃烧效率和能量密度。就连中国也只是在最近几年才掌握了液氢/液氧推进剂技术。另外，作为一个复杂的动力系统，发动机还需要解决高压稳定性、高效冷却、稳定燃烧等问题。值得一提的是，在发现号第一次飞行成功的同一天，北京星光航天科技有限公司首次完成了福克斯1号可重复使用的液氧甲烷发动机500秒的远程试运行。发动机工作正常，参数稳定，这意味着中国民营航天产业已经完成了发动机领域关键技术的积累和突破，离产品交付又近了一大步。

图2“焦点1”液氧甲烷发动机成功调试(网络图片)

在解决材料和动力问题的同时，我们也应该考虑如何使火箭飞行更稳定。在起飞前，火箭将预设它的飞行路线。起飞后，火箭需要随时调整姿态来修正路线，以确保火箭按照预设的轨迹完成运载任务。火箭依靠陀螺仪、加速度计、全球定位系统等手段实时掌握自己的姿态和位置，同时将数据移交给控制系统计算偏差和修正。最后，控制气体舵和喷嘴以完成控制循环。在这个过程中，火箭能否及时感受到变化，能否及时反应，反应是否有效，与软件和硬件的水平密切相关。在高达每秒几公里的高速下，如果反应缓慢或行动不到位，火箭可能会远远偏离预定计划，甚至在严重情况下由于姿态控制而导致坠毁。

此外，作为一种高度精炼和综合的创造，火箭本身就是一门科学，如何将所有部分完美地结合在一起，有条不紊地协调，并相互冗余。随着国家对航天产业和人才的长期培养，中国商业航天企业已经走上了中国航天发展的快车道。严格地说，火箭建造是一项不允许短板出现的工作。在高度科学的管理下，需要大量成熟的科研人员、熟练的技术人员和近万种成功的产品或技术才能成功建造。通过无数的模拟、计算、测试和失败的积累，火箭建造的成功是可以实现的。因此，商业火箭技术突破的价值更加突出。

焦点

火箭技术是一个系统工程，专业领域广泛，投入成本高，对基础产业要求极高。无论是结构材料、推进剂还是其他软件和硬件，它都必须达到接近100%的可靠性，并且对不同舱室甚至部件之间的同步和兼容性有几乎严格的要求。它是一个国家经济实力、科研实力和工业能力的集中体现。