以下文章來源於星球研究所 ，作者星球研究所
星球研究所
一群國家地理控，專注於探索極致世界
本文經微信公眾號「星球研究所」授權轉載
中國航天日 特輯
飛天之路
註定是坎坷的
1996年2月15日
長徵三號乙運載火箭
在萬眾期待下首次出徵
然而火箭起飛不到2秒
卻突然偏離發射方向
（長徵三號乙首發，箭體姿態出現異常，圖片來源@Internet Archive）
▼
此後短短22秒內
火箭頭部下墜、徑直撞向山坡
最終在沖天的火光中
粉身碎骨、灰飛煙滅
這是中國運載火箭
第9次發射失敗
（長徵三號乙首發失利，墜毀於距發射場1.85千米外的山坡，圖片來源@Internet Archive）
▼
20餘年後
2020年4月9日
已連續成功發射26次的長徵三號乙
又因火箭第三級工作異常而墜落解體
這是中國運載火箭
第22次發射失敗
截至目前
中國航天史上
共計有22次發射失敗
但與此同時
發射成功的次數達到
334次
（請橫屏觀看，長徵七號首飛，這是中國「長徵」系列運載火箭第222次發射成功；另：上文中僅將太空飛行器到達目標軌道視作成功，攝影師@苟秉宸）
▼
是的
失敗是沉痛的
但科學的高峰
卻永遠是咬著牙、含著淚
才能攀上的
（下文引自「中國航天之父」錢學森）
▼
正確的結果，是從大量錯誤中得出來的。
也正因如此
50年前
我國成功發射的第一顆人造衛星
只有「微小」的0.178噸
50年後
一代代中國運載火箭
載著
北鬥、風雲、高分、鵲橋、尖兵
實踐、長空、烽火、海洋、神通
探測、前哨、資源、鑫諾、天鏈
中星、天拓、天繪、珞珈、雲海
載著
神舟、天舟、嫦娥、天宮
一次次擺脫地心引力
奔向星辰大海
（請橫屏觀看，中國「長徵」系列運載火箭主要型號型譜，製圖@陳隨/星球研究所）
▼
這是一條怎樣的升級之路？
未來又將如何呢？
01
小型火箭的誕生
1970年1月30日
我國第一顆中遠程彈道飛彈
東風四號
試飛成功
它利用燃燒產生的
噴射氣流提供推力
推進劑則是
「燃料+氧化劑」的組合
可以徹底擺脫燃燒對氧氣的依賴
即便在無氧的太空環境
也能自由飛行
它的箭體
由下至上分為兩級
第一級工作結束後便在高空分離
再由第二級重新點火、接力推進
這便是
中國運載火箭的雛形
（第一級箭體分離場景，右側白色軌跡為分離墜落的第一級箭體；此為中國民營火箭雙曲線一號發射，供示意，攝影師@餘明）
▼
然而
要實現環繞地球飛行
衛星的飛行高度
一般不能低於180千米
相應的入軌速度也需接近7.9千米/秒
否則將在地球引力和大氣阻力的作用下
墜入大氣層中
（上文中的7.9千米/秒，即為第一宇宙速度，製圖@陳思琦&陳隨/星球研究所）
▼
遺憾的是
這樣的速度和高度
令東風四號望塵莫及
於是工程師們
在原有箭體上繼續加級
將其升級為三級火箭
箭體頂部的飛彈彈頭
則被衛星取代
並由整流罩加以保護
避免遭受高速氣流的衝刷
（火箭整流罩，用爆炸螺栓連接，螺栓起爆即可解鎖分離、拋掉整流罩；下圖為長徵七號整流罩，作示意，攝影師@王若維）
▼
第一級與第二級之間
由金屬杆相連
連接處如同被鏤空
以便二級發動機點火時
噴射的火焰能經此儘快排出
（兩級間的「鏤空」結構即為斜拉金屬杆；下圖為長徵四號丙的外形，供示意，剝落的是泡沫保溫層，攝影師@韓超）
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經過一系列優化
東風四號飛彈搖身一變
中國的第一枚運載火箭
長徵一號（CZ-1）
就此誕生
（長徵一號火箭結構示意，製圖@陳隨/星球研究所）
▼
它直徑2.25米、高約30米
能將不超過
0.3噸
的載荷
送至高度約440千米的近地軌道
例如中國第一顆人造衛星
東方紅1號
自此
中國成為繼蘇、美、法、日之後
第五個獨立發射人造衛星的國家
中國航天的近地衛星時代
也就此開啟
（東方紅1號，攝影師@Brücke-Osteuropa）
▼
然而
0.3噸的載荷
遠遠滿足不了一般衛星的需求
運載火箭勢必再次升級
推進劑上
人們改用全新的
「燃料+氧化劑」組合
「偏二甲肼+四氧化二氮」
它們均為常溫液體
不僅具有更高的推進效率
且一旦相遇便可立即燃燒
點火簡單、維護方便
（此處的推進效率是指「比推力」，即單位時間內消耗單位推進劑產生的推力，也稱「比衝」，下文同；四氧化二氮分解可產生棕紅色的二氧化氮，因此火箭起飛時可見棕紅色的濃煙，攝影師@阿毛）
▼
結構上
火箭直徑加大至
我國鐵路運輸的極限尺寸
3.35米
由於直徑更大、推進劑更強
即便重回兩級火箭
也能達到入軌速度
（載著火箭部件前往西昌發射中心的火車，攝影師@Donald）
▼
升級後的新一代火箭
其一
得名風暴一號（FB-1）
它令我國首次能夠
發射超過1噸的衛星
也首次實現「一箭三星」
（停放在酒泉衛星發射中心的風暴一號模型，攝影師@苟秉宸）
▼
其二
便是長徵二號（CZ-2）
其近地軌道載荷約
1.8噸
成功發射了
我國第一顆返回式衛星
可謂走出了載人航天的第一步
（注意：此處的「近地軌道」是指高度約200-400千米的軌道，後文如無特別說明均採用此範圍；下圖為我國發射並回收的第一顆返回式衛星尖兵一號，圖片來源@VCG）
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然而此時
中國運載火箭的近地軌道載荷
仍未突破2噸
屬於小型火箭範疇
更大的衛星、更遠的星空
載人航天的期盼、空間站的夢想
都將交給下一代火箭
成為它們光榮的使命
02
中型火箭的使命
中型火箭的近地軌道載荷
在2-20噸之間
在長徵二號基礎上改進的
長徵二號丙（CZ-2C）
長徵二號丁（CZ-2D）
比原火箭高出近10米
能攜帶更多燃料
加之材料和發動機的優化
其近地軌道載荷可增至約
4噸
一舉步入中型火箭行列
成為發射返回式衛星的主力軍之一
（長徵二號丁也沿用了部分長徵四號的技術，下圖為長徵二號丁發射升空，攝影師@曾誠宇）
▼
然而
這類衛星常工作在
高度約幾百千米的近地軌道
相較之下
氣象衛星軌道高度約1000千米
導航衛星可達到約20000千米
還有一類軌道則更為遙遠
其高度約36000千米
且軌道平面與赤道平面重合
運行在這裡的衛星
能與地面始終保持相對靜止
這便是獨一無二的地球靜止軌道
在理想狀態下
這裡只需部署三顆衛星
便可基本覆蓋全球通信
（不同高度的太空飛行器軌道示意，製圖@陳思琦&陳隨/星球研究所）
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但要抵達地球靜止軌道
卻並非易事
衛星須用「多級跳」的方式
先以約10千米/秒的速度
進入一個過渡軌道
再通過精確的變軌
在目標軌道的指定位置上入軌定位
這意味著
我們還需要
飛得更遠、更高、更精準的火箭
（上文中的過渡軌道即為「地球同步轉移軌道」，下圖是地球靜止軌道衛星發射過程示意，製圖@陳思琦&陳隨/星球研究所）
▼
為此
工程師們首先嘗試的
依舊是
縱向加級
但此時人們卻面臨著
兩種艱難的選擇
其一
是以長徵二號丙為基礎
在第三級使用全新的低溫推進劑
「液氫+液氧」
替換傳統的常溫推進劑
新推進劑的推進效率再次增強
但發動機技術難度更高
液氫溫度低於-253℃又易燃易爆
因此從發動機技術
到燃料的貯存、運輸、加注
一切都要從零開始
（長徵三號系列火箭在總裝廠房調試，可見被拆開的燃料箱，攝影師@宿東）
▼
其二
則是在風暴一號的基礎上
第三級依舊使用技術成熟的
傳統常溫推進劑
風險更低、把握更大
一面是高技術
一面是低風險
這個選擇並不好做
人們各執己見、爭論不休
直到中國通信衛星總工程師
任新民站出來說
（引自任新民，參考中國運載火箭技術研究院《天穹神箭》）
▼
中國要想在本世紀末成為航天大國，甩掉落後的帽子，眼睛必須瞄準當代火箭發動機的高峰……航天事業本身就是個大風險，如果怕失敗、怕風險，還搞什麼航天！
此一言擲地有聲
而自此約10年後
成功扛起我國
地球靜止軌道衛星發射大旗的
便是採取第一套方案
第三級使用「液氫+液氧」推進劑的
長徵三號（CZ-3）
（長徵二號丙和長徵三號的結構對比，製圖@陳隨/星球研究所）
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其第三級的推進劑貯箱
防凍、防滲、防潮、絕熱
發動機則能進行二次點火
令衛星再次加速
進入過渡軌道
而進一步改進誕生的
長徵三號甲（CZ-3A）
更首次將我國衛星
送入前往月球的必經之路
地月轉移軌道
從此在中國航天史上
開啟了嫦娥時代
（長徵三號甲發射「嫦娥一號」探月衛星，拍攝於2007年10月24日，攝影師@雨水）
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與此同時
仍使用傳統常溫推進劑的
另一套加級方案
也在同步進行
這便是
長徵四號系列
（CZ-4A、CZ-4B、CZ-4C）
它們是發射太陽同步軌道衛星的主力軍
（長徵四號乙，攝影師@史悅）
▼
這又是一類特殊的軌道
其軌道平面可繞地軸旋轉
且旋轉周期與地球公轉周期一致
因此每當衛星經過同一地點上空時
總能保持相同的日照條件
極其適合氣象、地面觀測
但這種軌道的傾角
往往超過90°
需要火箭提供大量推力
用於改變飛行方向
（太陽同步軌道示意，以風雲一號衛星軌道為例，製圖@陳思琦&陳隨/星球研究所）
▼
因此當1988年9月7日
長徵四號甲載著第一顆
風雲一號氣象衛星
成功進入高約900公裡、傾角99°的
太陽同步軌道時
便受到了國內外的高度關注
我國依靠國外氣象衛星數據的時代
也正式宣告終結
（長徵四號乙發射部署在太陽同步軌道的中巴地球資源衛星，攝影師@阿毛）
▼
至此
我國中型運載火箭的
近地軌道載荷
已達到約
6噸
然而
若要在未來實現載人航天
載荷需求至少將有近8噸
但此時單芯級火箭的起飛推力
幾乎是加無可加
這該如何是好呢？
（僅有一根芯級的便是單芯級火箭，如同「一柱擎天」，下圖為準備發射的長徵三號甲，圖片來源@VCG）
▼
答案便是
橫向捆綁
例如
以長徵二號丙為基礎
縱向上適當加長
以增加推進劑儲量
橫向上
則「捆綁」4個較小的火箭
每個高15.3米、直徑2.25米
是為「助推器」
起飛時
4個中間芯級發動機
4個助推器發動機
共8個發動機共同點火
場面蔚為壯觀
（捆綁4個助推器的火箭發動機；下圖為長徵三號乙，供示意，攝影師@史悅）
▼
這便是
最早登場的捆綁式火箭
長徵二號捆（CZ-2E）
其起飛推力可達到長徵二號丙的2倍
近地軌道載荷達到約
9.5噸
而它從開始研製到首次發射
僅僅只用了18個月
（長徵二號丙和長徵二號捆的結構對比，製圖@陳隨/星球研究所）
▼
不過
真正實現了
中國載人航天夢想的
則是大名鼎鼎的
長徵二號F（CZ-2F）
（長徵二號F轉運至發射塔，採用垂直總裝、垂直測試、垂直運輸，攝影師@孫海英）
▼
它的形態十分獨特
相比長徵二號捆
在整流罩頂部
增加了一頂尖尖的「帽子」
人稱「逃逸塔」
（長徵二號F逃逸系統結構示意，製圖@陳隨/星球研究所）
▼
這是一個安全保障裝置
從起飛前15分鐘
至起飛後的120秒內
一旦火箭出現意外
逃逸發動機便可立即點火
帶著飛船的軌道艙與返回艙
迅速與箭體分離
幫助太空人脫離危險
堪稱是一座「生命之塔」
（長徵二號F逃逸塔，此發火箭將搭載神舟七號載人飛船，圖片來源@VCG）
▼
包括逃逸塔在內的救生系統
加上主控制系統的備份
以及故障自動檢測系統
三管齊下
令長徵二號F的設計可靠性
從長徵二號捆的0.91
增長至0.97
（最高為1）
而它也不負眾望
在2003年10月15日
將中國第一位航天員楊利偉
安全送入太空
令我國成為全球第三個
成功發射載人飛船的國家
（神舟五號返回艙成功返回，圖片來源@央視網）
▼
在服役的21年裡
長徵二號F可謂戰功赫赫
從神舟1號-11號
到天宮1號-2號
共計發射
5次無人飛船、6次載人飛船
以及2次空間實驗室
至今仍保持著100%的發射成功率
是名副其實的
"神箭」
（長徵二號F「換帽子」，天宮一號船箭組合體對接，箭體上可見「神箭」局部字樣，攝影師@宿東）
▼
長徵二號系列
均為兩級火箭
而如若在長徵三號甲的基礎上
加長、捆綁
便可形成三級捆綁火箭
長徵三號乙（CZ-3B）
長徵三號丙（CZ-3C）
（長徵三號甲和長徵三號乙、長徵三號丙的結構對比，製圖@陳隨/星球研究所）
▼
尤其是長徵三號乙
作為捆綁4個助推器的三級火箭
在近20年間
都是中國運載火箭的「頂配」
其近地軌道載荷首次突破10噸大關
達到約
11.5噸
幾乎是以一箭之力
成為我國中高軌道發射的絕對主力
（2019年9月23日，長徵三號乙搭載第47、48顆北鬥衛星，前往高度約20000千米的軌道，攝影師@史悅）
▼
更成功發射嫦娥三號、嫦娥四號
築就了中國的登月天梯
（長徵三號乙成功發射「嫦娥四號」月球探測器，將代表全人類首次登陸月球背面，攝影師@蔣濤）
▼
然而
正所謂
（引自《神箭凌霄：長徵系列火箭的發展歷程》）
▼
當中國的運載火箭從連續成功的驚喜中醒來時，
它面對的將是4個強大的對手。
到了21世紀初
美國、歐洲、俄羅斯的
商用大型火箭紛紛亮相
有的運載能力可達到
長徵三號乙的2倍之多
且更加安全清潔、部署迅速、成本低廉
相較之下
當時的中國運載火箭
幾乎方方面面都相形見絀
（長徵三號乙和同時期國外大型火箭的對比，製圖@陳隨/星球研究所）
▼
一次
全方位升級
迫在眉睫
推進劑上
使用了近40年的
「偏二甲肼+四氧化二氮」
將被逐步捨棄
轉而採用「煤油+液氧「的組合
其燃燒後產生二氧化碳和水
不僅全程無毒無汙染
且成本大幅降低
發動機
也隨著推進劑的改變而升級
推進效率可再提高約15%
助推器
則高達驚人的近27米
是此前所有型號助推器的近2倍
這便是
長徵七號（CZ-7）
（上文中的「推進效率」是指海平面比推力；下圖為長徵三號乙和長徵七號的結構對比，製圖@陳隨/星球研究所）
▼
它的近地軌道載荷約
14噸
足以發射重約13噸的
天舟一號貨運飛船
將在中國的「空間站時代」中
扮演至關重要的角色
未來
它還將逐步接替
長徵二號、三號、四號系列的使命
承擔我國約80%的發射任務
成為支撐中國航天夢想的
中流砥柱
（長徵七號轉運途中，下方的人和車看起來十分渺小；長徵七號的設計可靠性達0.98，比長徵二號F還要高，攝影師@宿東）
▼
至此
我國的中型運載火箭
已全部登場
若要發射超過20噸的近地軌道載荷
就必須指望下一代選手了
03
大型火箭的博弈
2014年10月
海南文昌衛星發射中心建成
其緯度更低、更接近赤道
可充分利用地球自轉速度
提高火箭的運載效率
且在發射地球靜止軌道衛星時
還可減少火箭變軌和飛行距離
與酒泉發射場相比
衛星入軌定點的質量
可提高16.3%-18.5%
（上文數據源自中國運載火箭技術研究院《天穹神箭》；下圖為中國衛星發射中心分布圖，製圖@陳思琦&陳隨/星球研究所）
▼
另一方面
它是中國首個沿海發射基地
東南方向1000千米內幾乎都是海洋
保證了殘骸墜落的安全性
（海南文昌發射塔架，攝影師@陳肖）
▼
但更重要的是
自此以後
火箭部件可通過海運運輸
徹底擺脫3.35米直徑的
鐵路運輸限制
（遠望二十一號火箭運輸船正在裝載長徵五號部件，攝影師@宿東）
▼
至此萬事俱備
中國第一枚大型運載火箭
長徵五號（CZ-5）
橫空出世
作為兩級火箭
它卻高達近57米
相當於一座近20層的高樓
幾乎與現有的三級火箭不相上下
且中間芯級直徑由3.35米增加至5米
4個助推器直徑由2.25米增至3.35米
是名副其實的「龐然大物」
人送外號「胖五」
（長徵七號和長徵五號的結構對比，製圖@陳隨/星球研究所）
▼
此外
相較於長徵七號
其中間芯級完全改用
「液氫+液氧」的低溫推進劑
並配置全新的發動機
助推器的發動機數量
也翻倍至8個之多
起飛時
共計10個發動機將同時點火噴射
起飛推力增加約50%
近地軌道載荷可達到約
25噸
（長徵五號發射升空，因為中間芯級的兩級均採用低溫氫氧推進劑，亦被稱為「冰箭」，其尾焰呈藍色，攝影師@陳肖）
▼
這是中國迄今為止
起飛質量最大、芯級直徑最粗
運載能力最強的火箭
僅次於
美國獵鷹重型運載火箭
德爾塔-4重型運載火箭
在世界現役火箭陣營中位列第三
（身形巨大的長徵五號，攝影師@陳肖）
▼
2016年11月3日
第一枚長徵五號
在萬眾矚目下首飛成功
並首次利用運載火箭
將衛星直接送入地球靜止軌道
而在未來的30年
甚至更長的歲月裡
它還將見證
月球探測、火星探測
太陽軌道太空望遠鏡等深空探測任務中
更多歷史性的時刻
（2016年11月3日20時43分13.998秒，長徵五號首次發射，攝影師@CNAurora）
▼
但超級火箭的夢想
並未在此終結
縱觀世界航天
有史以來運載能力最強的火箭
是美國的土星5號
它的近地軌道載荷高達140噸
從1967年起
便為阿波羅計劃保駕護航
其記錄至今無人超越
（1967年11月9日，土星5號首次發射，搭載著阿波羅4號，現已退役，圖片來源@NASA）
▼
而經過數十年馬不停蹄地追趕
預計在2028-2030年
中國的重型火箭
終於將應運而生
長徵九號
它的總長將超過百米
芯級直徑則接近10米
是「胖五」的2倍
近地軌道載荷更將突破
100噸
即便只在腦海中想像
也足以震撼人心
屆時
它將扛起
中國載人登月
火星取樣返回
甚至太陽系的外行星探測等
更加艱巨的任務
04
漫漫徵途
50年來
中國運載火箭隊伍日益壯大
大火箭規模蒸蒸日上
小火箭同樣百花齊放
長徵六號（CZ-6）
可利用簡易發射架快速發射
曾創造「一箭20星」的發射記錄
（長徵六號使用簡易發射架發射成功，攝影師@李崗）
▼
長徵十一號（CZ-11）
長度減小至約20米
直徑減小至2米
可直接在海上平臺進行發射
（長徵十一號海上發射，圖片來源@VCG）
▼
快舟一號
則更為袖珍
其直徑僅有1.4米
兩次發射間隔最小僅6小時
可快速響應、靈活部署
（徑直升空的快舟1號，圖片來源@VCG）
▼
此外
眾多民營火箭日趨成熟
可重複使用的火箭也在研製當中
（中國民營火箭雙曲線一號起豎過程，攝影師@陳肖）
▼
總而言之
以「長徵」系列為代表
中國運載火箭的能力將日益全面
以覆蓋不同類型的軌道
去往月球、奔向火星
直至更遠的星際
儘管在每一次任務中
它們只是作為故事的開頭
從不曾參與故事的結局
一旦成功分離後
它們便功成身退
或消逝在大氣之中
（長徵七號的助推器在結束工作後分離墜落，攝影師@陳肖）
▼
或墜落於荒野大海
（長徵二號丁墜落在荒野中的箭體，攝影師@在遠方的阿倫）
▼
只留下衛星和飛船
繼續奔向遙遠的星際
正所謂
（引自李白《俠客行》）
▼
事了拂衣去，深藏身與名
但這就是它們的使命
就如同科學的高峰
也是經過一代又一代人的接力
才能夠翻越的
待到
北鬥列陣、神舟飛馳
嫦娥奔月、火星著陸
天舟往返、天宮建成
……
便是這條飛天之路
最為榮耀的時刻
（長徵七號升空，映照在天空海面的火光耀眼奪目，攝影師@陳肖）
▼
【致謝】本文創作中得到了攝影師阿毛的大力支持，特此感謝。
【參考文獻】
[1]陳閩慷, 茹家欣. 神箭凌霄:長徵系列火箭的發展歷程[M]. 上海科技教育出版社, 2007.
[2]中國運載火箭技術研究院. 天穹神箭: 長徵火箭開闢通天之路[M]. 中國宇航出版社, 2008.
[3]李成智. 中國航天技術發展史稿[M]. 遼寧教育出版社, 2006.
[4]《世界航天運載器大全》編委會. 世界航天運載器大全[M]. 中國宇航出版社, 1996.
[5]冉隆燧. 航天工程設計實踐[M]. 中國宇航出版社, 2013.
[6]劉家騑, 李曉敏, 郭桂萍. 航天技術概論[M]. 北京航空航天大學出版社, 2014.
... The End ...
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一群國家地理控，專注於探索極致世界
星球研究所 授權轉載
審核：張照 雲舞空城 段昊書
文章作者：楨公子 艾藍星
專家顧問：中國運載火箭技術研究院 張博戎博士
圖片：任炳旭
設計：陳隨
地圖：陳思琦
原標題：《3、2、1，發射！今天，講講風雲衛星「上天」的故事》