以下文章來源於科工力量 ，作者物質第四態
李會超
空間物理學博士，科普作者
2020年12月22日，長徵8號火箭成功在海南文昌發射基地首飛。作為中國航天的年末戲，長徵八號發射的順利進行也標誌著新一代長徵火箭家族的全數亮相。在未來數年內，上一代長徵火箭也將繼續活躍在中國航天的舞臺上，與新一代長徵火箭工作託舉中國航天的發展。
應用廣泛的太陽同步軌道衛星
從有關報導看，長徵八號是為發射太陽同步軌道衛星而量身定做的一型火箭。雖然名字裡有「太陽」二字，但太陽同步軌道仍然是圍繞地球的一種軌道。太陽同步軌道的高度一般在600-800公裡，比載人太空飛行器使用的300-400公裡高度的軌道要稍高一些。太陽同步軌道的傾角一般比較高，衛星在工作過程中要經過南北兩極上空。由於衛星軌道周期比地球自轉的周期小很多，衛星每轉一圈都能覆蓋地球表面的不同區域。衛星數據積累一段時間後，就可以獲得整個地球表面的情況，這是軌道傾角較低的衛星所無法完成的任務。
同時，為了使軌道平面相對太陽始終保持固定的方向，軌道平面每天向地球公轉方向移動約1度，與地球繞太陽每天公轉過的角度相等。這樣，衛星經過地球上某個特定地點的光照條件總是相同的。例如，假如我國的某顆海洋衛星第一次經過南海某島嶼上空時，太陽高掛於正南方，那麼這顆衛星下次光臨該島嶼時，太陽也應該處於大致相同的位置。這為相關數據或情報的分析帶來了方便。如果某國希望監視另一國軍事基地的動態，顯然應該在太陽同步軌道上部署衛星，並在需要監控的區域光照條件較好時飛臨該地上空，獲得相關的高解析度數據。
工作在太陽同步軌道上的吉林一號光學A星拍攝的美國費城海軍造船廠。由於太陽同步軌道的特點，這顆衛星每次飛臨費城上空都能獲得較好的光照條件。
我國的風雲系列氣象衛星有運行在靜止軌道（風雲二號、四號系列）和太陽同步軌道（風雲一號、三號系列）的兩種衛星配合工作。靜止軌道衛星高懸於赤道上空、我國經度範圍附近，對我國的天氣形勢進行監測。而太陽同步軌道衛星則在較低的軌道上獲取解析度更好的全球數據。除了氣象衛星外，太陽同步軌道也是海洋、資源、高分等一系列對地遙感衛星的工作軌道，獲取海洋、大氣、水土、林木、礦場等自然系統和資源的全球分布與變化情況。當然，當把衛星上的有效載荷改裝為用於軍事的偵查儀器後，太陽同步軌道也是非常適用於軍事偵查衛星工作的軌道。
風雲系列衛星軌道示意圖，風雲3系列衛星工作在太陽同步軌道上。注意本圖僅能標示軌道面的位置，軌道高度比例與實際不相同。
除了測地，太陽同步軌道也是用於「觀天」的衛星理想的工作軌道。工作在晨昏交界線附近的太陽同步軌道的衛星，能夠始終處於晨昏交界線附近，持續獲得觀察太陽的視角。日本的「日出」、」日落「和美國的TRACE等太陽觀測衛星，都部署在這個軌道上。
模塊化研發的新一代火箭
研發新一代火箭長徵最迫切的需求，來自於未來大型、深空等「國之重器」級的太空飛行器對火箭運載能力的需求。如果沒有長徵五號、長徵七號火箭對我國火箭最大運載能力的提升，月球採樣返回、航天站建設等標杆性航天任務都無法開展。在此需求的驅動下，新一代火箭攻破了諸多技術難關，實現了火箭燃料由更適於飛彈部署的有毒常溫材料，向更適用於航天發射的低溫無毒燃料的升級換代。新一代大推力液氧-煤油發動機和液氧-液氫發動機，也讓我國的火箭擁有了推力更加強大的「心臟」。
不過，並非所有的太空飛行器重量都能達到「國之重器」級別，一型火箭的運載能力如果和衛星等太空飛行器的實際需求脫節，就會陷入沒有衛星客戶使用的尷尬境地。美國SPACE X公司研發的獵鷹重型火箭是目前現役火箭中運載能力最高的火箭。但是由於其運載能力機不能滿足載人登月這一標杆航天任務的需求，又超出了目前大部分衛星的需要，因此首飛成功後的兩年多年內僅進行過1次商業發射。而同一時期生意不斷的，還是運載能力相對較小的獵鷹9型火箭。
新一代火箭模塊化組合示意圖，摘自《中國運載火箭技術的成就與展望》一文
因此，當解決了運載能力上限的有無問題後，還要解決上限以下、對於不同重量的太空飛行器的運載能力覆蓋問題。新一代運載火箭在設計時，採用了模塊化、通用化的設計思路，通過不同模塊的組合，可以形成適應不同任務的運載能力。執行嫦娥五號、天問一號等高軌深空太空飛行器發射任務的長徵五號，在去掉第二級、換裝大型整流罩後，就變成了更適於低軌載人航天任務的長徵五號B。而長徵五號的助推器和長徵七號的第一級基本相似，是新一代火箭中的3.35米模塊，安裝有兩臺YF100發動機。長徵七號的助推器變成一顆獨立的火箭後，就成為了發射方式機動靈活、靶場準備時間極短、適合發射微小衛星的長徵六號。
在2013年的一篇論文中，中國火箭技術研究院範瑞祥等科技人員對長徵七號經過模塊化組合的運載進行展望時，提出了以長徵七號3.35米模塊作為第一級的16種火箭構型方案。不同構型的助推器種類數量、芯二級發動機選型有所不同，有些構型還添加了第三級。今年首發不幸失利的長徵七號改在這篇論文中被列為CZ-734構型，而現在實際使用的長徵八號是這篇論文中提出的CZ-722（HO）構型。按照這篇文章的估算，長徵七號各種構型可以覆蓋近地LEO軌道2.0-13.5噸、太陽同步軌道1.0-8.5噸、GTO同步轉移軌道1.2-7.0噸的運載能力，具有較高的靈活性。
對哪個構型的運載能力需求最迫切，就可以利用已經由標杆任務驗證過的模塊，快速組合研發出那種火箭構型。比起新一代火箭中的其他型號，長徵八號這種「編外」型號的研製時間很短，從立項到首飛僅花了三四年的時間，足見模塊化技術對火箭研製帶來的改變。而之所以這種構型的火箭能率先轉正，則是因為於太陽同步軌道的3-4.5噸太空飛行器的發射需求十分旺盛，但3噸已經是上一代主要用於太陽同步軌道衛星發射的長徵4號系列火箭運載能力的天花板。長徵8號火箭的成功首飛，成功的填補了長徵火箭在這一領域的運載能力空白。另一種由CZ-734構型「轉正」的長徵七號改，也是為了填補處於長徵三號乙和長徵五號運載能力之間的5.5-7噸GTO軌道發射的空白。這個重量範圍內的大型通信衛星近年來所佔比例逐漸加大，發射需求越來越高。
上一代長徵火箭還會繼續工作
當新一代火箭悉數亮相後，上一代長徵火箭是否會很快消失在我們的視野中？筆者認為，答案是否定的。首先，新一代火箭已有的構型還無法覆蓋上一代火箭的運載能力範圍，如果現在全部「下架」上一代火箭，將使一些中型載荷失去發射工具。
長徵二號、三號、四號家族的諸多火箭型號，根底上都可以溯源到東風5型洲際彈道飛彈，有著諸如使用有毒燃料等諸多固有的局限。但通過長期的技術改進和任務驗證，它們在所覆蓋的發射能力範圍內已經形成了較高的可靠性。其中，長徵2號乙和長徵3號甲火箭還因其出色的表現，獲得了「金牌火箭」的稱號。而長徵2F火箭，則是唯一一種能夠滿足載人任務可靠性要求的火箭。此外，新一代火箭採用了全新的總裝轉運模式和燃料，除了文昌發射場外，其他幾個發射場的設備尚不具備保障長徵五號、長徵七號的新一代大型火箭的能力。長徵七號具備運輸到全國所有發射場的可能，但要發射這種火箭，酒泉、太原和西昌發射場的設備需要進行規模較大的升級改造。
上一代火箭一般採用在發射工位總裝的準備方式，而新一代火箭則是在總裝廠房中總裝完成後再轉運到發射工位
在長徵八號首飛太陽同步軌道幾天後，12月27日，長徵4號丙火箭將遙感十三號衛星送入了太陽同步軌道。可預見的是，未來幾年內，這種新老火箭並肩完成航天任務的場景將成為常態。同時，新一代火箭的各種構型也會按需求逐步「上線」，完成替代上一代火箭的工作。
原標題：《新一代火箭悉數報到，上一代火箭啥時能退休？》
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