《国际航空》：中国新模块化火箭领先欧美
《国际航空》：中国新模块化火箭领先欧美
　航天工业&中国心&&&访运载火箭发动机专家朱森元院士&
& 珠海航展上的&长征5号&重型运载火箭模型
　　　 　　按照上述两个模组原则，新研制的两种发动机和芯级与现有的火箭发动机和芯级进行组合，其载荷可以涵盖10吨以下、10吨、20吨、30吨和40吨，实现了运载能力的跨度最大。 　　 　　&而根据未来空间站的需要，未来大型运载火箭的标准型载荷为25吨，并且可以扩展至40吨，完全超过了欧洲的'阿里亚娜'Ⅴ和美国的'德尔塔'Ⅳ，使我国在大运载能力火箭研制方面走在世界前列&。 　　 　　由于现有的三个发射场都地处内陆，高纬度对火箭的推力消耗很大，所以在海南省建立新的航太发射场，能够满足未来我国探月以及空间探测的发射需要。 　　 　　从1961年学成回国并开始参加科研工作一直到今天，他整整在航天工业运载火箭领域默默工作了45年，这几乎与我国航太工业历史相当。从最初参与研制液体火箭发动机，到后来领导研制液氧火箭发动机，到论证和参与今天大推力运载火箭发动机的研制，他的科研生涯可以说就是中国运载火箭的发展史。从刚过而立之年的血气方刚，到今天年逾古稀以至白发苍苍，他见证了中国运载火箭技术从弱到强，乃至成长为世界一流航太大国的全过程。流逝的是岁月，永存的是对祖国科研事业的无限忠诚，他就是朱森元院士，一个为中国航天工业助推加力的人。 　　 　　&运载火箭技术是航天工业的基础& 　　 　　朱森元院士1936年10月生于江苏溧阳县，1949年考入国立南京大学工学院航空系学习。1952年三年级时被派去苏联留学，1957年在莫斯科汽车机械工程学院毕业后转为莫斯科包曼高等工程学院（现国立莫斯科科技大学）研究生，1960年获副博士学位。采访过程中，朱森元院士一再强调&运载火箭技术是一个国家航太工业的基础，如果运载火箭无法实现自主研发和制造，那么航太工业便无从谈起&。
　　20世纪60年代初，我国的运载火箭发动机开始从仿制走向自行设计，所以面临许多亟待解决的理论和工程问题，因此1961年5月朱森元刚从苏联学成回国便被委以重任，开始了液体火箭发动机的研制攻关工作。&众所周知，运载火箭大多由弹道导弹发展而来的，我们国家也不例外。在弹道导弹方面，当时国家制定了明确的三步走发展战略，即研制一代，预研一代，规划一代&，明晰的发展战略，也是我国航天工业不断前进的重要因素。&在当时的情况下，我们没有任何外来的技术支援，所有的弹道导弹和运载火箭都是我们自力更生搞出来的&，说到这些，朱森元院士满脸的自豪。而在那种艰苦的条件下，科研方面能够不断地出成果，并且培养了大批的人才，在他看来，就是当时&非常重视基础性研究，各方面的基础研究工作做好了，等到型号任务一来，马上就可以迅速展开。因为在型号研究过程中，往往会出现一些共性的问题，这些共性的问题就形成了一个规模性的课题，针对该课题进行攻关，其成功对以后同类研究工作就具有指导意义。& 在参与两弹结合运载火箭主发动机研制的过程中，有一个问题一直困扰着当时的科研人员，那就是当时火箭发动机所用燃料的燃烧温度很高，很容易烧蚀发动机燃烧室壁或烧损发动机喷口。而经过调查发现，当时几个型号的研制过程中都曾出现过这个问题，因此如何冷却推力室成了一个必须马上解决的共性问题。在这种情况下，朱森元按照上级指示，组织并领导了&沸腾冷却的极限临界热流研究&和&沸腾冷却的超临界热流研究&两个课题组。经过近三年的研究和试验，朱森元和他的团队成功完成了超临界换热的设计原则和临界热流计算方法的研究，此后这些设计原则和计算方法都成功地应用于液体火箭发动机的再生冷却方案设计中。
　　朱森元院士在接受采访还多次强调，&在科研工作中，一定要有自己的观点，要勇于尝试，更不能迷信国外的技术&。说到这里，朱森元院士还讲到了一件趣事，1984年他到法国参观&阿里亚娜&火箭制造时发现，为了解决火箭发动机喷口烧损问题，法国人竟&别出心裁&地为发动机喷口设计了水冷系统，一个环形的喷水系统套在发动机喷口根部，不停地向其喷水以达到冷却的作用。由此可见，当时欧洲还没有解决推力室冷却问题，而我们的一些研究，已经走在了世界的前列。
　　我国在1964年开始新型号方案论证时，发现美国&大力神&Ⅱ导弹使用的推进剂为四氧化二氮和混肼-50（偏二甲肼和无水肼各50％），但混肼-50使用起来很不方便，它必须在接到命令前临时混合才能使用，但是它的性能还可以。当时国内就对新型号要不要采用混肼-50展开了激烈的争论。朱森元和他的同伴们在试验中发现偏二甲肼的性能并不亚于混肼-50，并且在超过临界压力时，偏二甲肼的性能更稳定，最后建议偏二甲肼可以作燃料，不一定要搞混肼-50，混肼-50含有无水肼，在管道清洗中无水肼只要遇到非常微量的铁元素，就会催化、分解、爆炸。因此用混肼-50这种燃料，操作人员的安全都很难得到保证。根据自己的研究结果，我们最终确定选用偏二甲肼，&长征&系列火箭的推进剂就是这样研究出来的。&基础性的东西一旦研制成功，为型号的开路创造了条件，也可少走弯路&。
&我们的新型大推力运载火箭，总体技术水准和性能都要优于欧美同类产品& 　　 　　航天工业作为一个国家综合国力的重要体现，一直都是欧美、日本等国家技术发展的重点领域，特别是近10年来，这些国家将太空领域看成了综合国力新的增长源，把夺取空间优势作为航太领域的首要任务，以确保其航天大国地位。在这种战略的指导下，这些国家纷纷加大了对运载火箭技术的投资，加快研制新型大推力运载火箭，预计在今后的5年里，世界上将有一批大推力运载火箭投入市场，这些都将对我国运载火箭的国际地位形成严峻挑战。 　　 　　同世界先进国家相比，我国的运载火箭技术还存在着诸多不足，包括火箭型号偏多，型谱重迭，火箭发射准备周期长，以及缺少大运载能力等，这些问题不解决，必将严重影响我国未来的航天发展战略。而要从根本上解决这些问题，最好的方法就是发展新型大推力运载火箭。 　　 　　1987年，朱森元开始从事863计划中的航天高技术发展战略研究工作，负责大型运载火箭的论证、发展和研究。在担任火箭发动机和大型运载火箭专家组组长期间，朱森元提出了我国新一代运载火箭的发展战略，他提出&我国新一代运载火箭，必须是低成本、高可靠、无污染、模组化研制、积木式发展的&建议，并结合国内的各种条件，对此进行了方案计算和分析。当时国家对新型运载火箭有一个要求：新一代大运载火箭低轨道的运载能力要达到20吨载荷。
　　朱森元通过组织专家讨论，制定出一个原则：今后的新一代火箭&要花最少的研制经费获得运载能力跨度最大&，这就是模块化、积木式发展所要实现的目标。朱森元提出的建议得到了国家有关部门的高度重视，在经过论证和完善后，最终称为我国新一代运载火箭发展的基本原则。 &根据模组化的研制、积木式发展的原则，如何确定火箭的模组是一个很麻烦的问题&，2001年我国新一代大推力运载火箭研制计画正式立项，而朱森元院士和他的同事们要解决的问题就是&火箭的模组如何定，用什么原则定&。 最后通过对各种方案进行筛选，专家组确定了两条原则，&一是以火箭发动机推力来确定模组，这包括两个模组，一个是助推模组，推力为120吨力（正负20吨），采用液氧煤油发动机；一个是箭身模组，推力为50～70吨力（地面推力50吨，太空推力70吨，正负20吨），采用液氢液氧发动机&，而另一个原则就是&以火箭箭身直径为模组，包括2.25米、3.35米和5米箭身模组&。&之所以采用上述两个模组原则，就是为了少花钱多办事，并且可以最大限度地利用现有的技术&。因为按照上述的模组原则，在现有产品的技术上，我们只需要研制120吨液氧煤油火箭发动机，50吨液氢液氧发动机即可，而箭身方面，只需要研制5米直径的芯级即可，其他的都是现成的。然后按照不同的发射任务需要，各种模组可以象积木一样进行组合，&总的组合方案超过1000种，可以满足我国所有的航天发射任务&。
　　120吨级液氧煤油发动机已经进行过长时间试车。 　　 　　按照上述两个模组原则，新研制的两种发动机和芯级与现有的火箭发动机和芯级进行组合，其载荷可以涵盖10吨以下、10吨、20吨、30吨和40吨，实现了运载能力的跨度最大。 　　 　　&而根据未来空间站的需要，未来大型运载火箭的标准型载荷为25吨，并且可以扩展至40吨，完全超过了欧洲的'阿里亚娜'Ⅴ和美国的'德尔塔'Ⅳ，使我国在大运载能力火箭研制方面走在世界前列&。自2001年立项以来，两种大推力火箭发动机的研制工作进展的非常顺利，现在两种火箭发动机试验样机已完成了各种点火试验，包括500秒燃烧试验等，&预计在2007年底到2008年，新的大推力火箭发动机就可以交付使用&。未来大推力运载火箭不但可以用于空间试验室和探月工程，还可以积极参与国际商业发射竞争，新一代大运载火箭标准型用来发射同步定点卫星，由于其运载能力强，可以实现一箭多星发射。
　　&航天工业的成长，需要团队的力量，而不是一个人& 　　 　　作为一名行业里的卓越专家，在我国火箭发动机的各个历史发展时期，各个关键的转捩点上，都能看到朱森元院士的身影。然而当看到他的时候，本刊记者还是被他身上的那种卓识、淡泊、平静、朴素所感动。在谈到他所取得的成就时，朱森元院士一再强调团队的作用，&人才的培养是事业成长的关键，团队的成长是事业成功的保证&。&航天工业是我国综合实力的一个标志，也是现代文明的一个标志，航太事业不仅仅能带动国民经济的发展，增强经济实力，增强国防实力，同时也能推动社会进步，增强民族自信心，增强民族凝聚力，能够为祖国的航天事业贡献力量，是一生的骄傲&。 　　 　　1970年8月，刚刚从北大荒调回北京研究所的朱森元被指定为氢氧火箭发动机的研究室负责人。当时的条件真的可以用一清二白来形容，许多关键技术还没有突破，国外的技术支持更不可能，一切只能靠自己解决。
　　&文革&期间，液体火箭发动机研究所绝大部分都迁到了陕西秦岭的大山里。北京仅留下一个工作组，力量十分薄弱。在当时，氢氧发动机作为一种新型发动机，大家对其认识很有限。甚至对于液氢和液氧的特点，都要从头学起。朱森元作为氢氧发动机研究室负责人，手下有23个人员供调配。
　　但在当时，这些人多数不是被认为政治上&有问题&，就是身体不太好。本来氢氧发动机就是白手起家的高难项目，偏偏是这样一群&老弱病残&去啃这块硬骨头，当时的困难可想而知。然而就是在这种条件下，朱森元和他领导的研究组吃住都在工厂，有了问题随时解决，1975年1月，由他组织研制的氢氧发动机试车成功，这标志着我国第一台泵压式液氢液氧火箭发动机正式诞生。
　　70年代后期，朱森元负责研制长征三号运载火箭第三级液氢液氧火箭发动机，不仅要攻克许多液氢超低温技术的关键，而且要攻克失重条件下空中二次启动发动机的重大关键难题。1984年长征三号运载火箭成功地发射了我国第一颗地球同步定点转移轨道的通信卫星，从而我国成为世界上第二个掌握空中二次启动技术的国家。日长征三号火箭首次成功地将美国休斯公司制造的地球同步定点通信卫星送入轨道，从此开始了我国运载火箭进入国际发射市场，这其间都凝聚了朱森元和他的同事们的无数心血。 在氢氧火箭发动机的研制过程中，科研上的困难可谓是一个接着一个，其中超低温液氢高速轴承作为一个关键性的部件，如何攻克这个难关成了整个研制计画的转捩点。根据国外资料分析，为了保证轴承保持架工作的稳定，要遵循内环引导的原则。然而在实际中一试验，这招就不灵了，不是保持架碎裂，就是滚珠烧伤。经过仔细分析，朱森元怀疑国外资料上的内环引导原则是错误的。他做了个试验，反着来，将超低温的液氢从外环引导到内环去，这下滚珠冷却改善了，再也没有被烧伤过。后来据瞭解，当初他们看到的国外资料在该国也不是最终的确定方案。从此，我国氢氧发动机使用的液氢高速滚珠轴承都采取了外引导保持架方案。采访中，谈起当年的艰苦，朱森元院士非常平淡，也非常豁达。&其实在搞氢氧火箭发动机预研的那几年里，我背着很大的压力，除了要参与科研之外，下工厂期间还被扣着再教育的帽子，还要经常参与政治学习。&即使在这种情况下，朱森元院士想得最多的仍然是火箭发动机的研制，他最担心的是无法完成国家交给的任务。现在谈起来，朱森元院士很动情地告诉记者，对于能够在逆境中为人民作出一点成绩，这让他很感慨，这也证明他没有虚度年华，那段岁月中的艰难困苦在淡淡的一句话中都化作云淡风轻。
　　采访其间，时有前来拜访和向朱森元院士请教的人，对于别人的要求，他都慷慨地答应，其间你丝毫看不出这是一位76岁高龄的老人。谈起我国航天事业的未来发展，朱院士说出了自己的良好祝愿，也提出了自己的建议，他希望任何时候都要重视基础研究工作，而基础研究要围绕提高火箭运载效率这个中心；其次要抓好技术的集成和创新，航天工业主要是技术集成，集成创新，才能够推动整个航天工业的不断进步。
相关链结：阿丽亚娜&世界上最大的商用运载火箭家族 　　 　　格林尼治时间日22时45分（北京时间29日凌晨6时45分），在法属圭亚那库鲁航天发射中心内一枚载有两颗卫星的阿丽亚娜5型运载火箭顺利点火升空，火箭飞至第28分钟时第一颗卫星与火箭成功分离，大约8分钟后第二颗卫星随之分离。两颗卫星分别是义大利阿莱尼亚航空航天公司研制的&大西洋鸟1号&商业通信卫星和法国阿尔卡特空间公司研制的&第二代气象卫星1号&气象卫星，它们分属于欧洲通信卫星公司和欧洲气象卫星组织。两颗卫星的发射总品质大约4720千克。 　　 　　此次是欧洲阿丽亚娜系列运载火箭自从1979年首次发射以来的第154次发射，同时也是阿丽亚娜5型运载火箭的第13次发射。 　　 　　阿丽亚娜5型运载火箭由欧洲空间局开发研制，是目前世界上运载能力最大的商用运载火箭，它为近年来欧洲在国际商业卫星发射市场中占据领先地位立下了汗马功劳。然而，与美国和前苏联等早期的世界航天技术大国相比，欧洲的运载火箭研制计画起步较晚。 　　 　　众所周知，人类历史上的第一枚现代运载火箭是在1957年10月由前苏联发射成功的，它把世界上第一颗人造地球卫星送入了太空，从此为人类发展航天运输和空间应用技术开创了先河，并奠定了坚实的基础。而欧洲虽然在二战期间，由德国研制了着名的V-2火箭，它被公认为是后来人类现代运载火箭和洲际弹道导弹发展的雏形。
　　但二战结束后，德国作为战败国，这项技术不仅被迫搁置，而且美国还从德国掠走了大量的火箭部件和技术设计人员，从而壮大了本国的火箭技术开发实力。由于历史政治原因，欧洲一直没有大规模发展航天运输技术，直到日欧洲空间局成立时才结束了这种局面。 　　 　　1973年12月，欧洲空间局的11个成员国（现在已发展到15个国家）开始联合投资研制阿丽亚娜1型运载火箭，这是一种液体三子级运载火箭，研制工作历时6年时间，投资费用大约10亿美元（1988年币值）。
　　1979年12月，第一枚阿丽亚娜1型运载火箭首次亮相，并圆满完成了第一次试飞任务，1981年正式投入商用。自此，欧洲的运载火箭技术获得了快速发展。
　　特别是进入20世纪80年代以后，由于商业通信卫星技术的迅猛发展及其大量应用，推动了运载火箭的不断发展。卫星操作商希望在通信卫星上安装更多的有效载荷，从而提供更多的通信功能，这导致运载火箭必须具备更高的运载能力。 就运载火箭的运载能力而言，80年代至90年代初国际商业卫星发射市场呈现了供不应求的局面。为此，欧空局又在阿丽亚娜1型运载火箭基础上陆续研制了阿丽亚娜2型、阿丽亚娜3型、阿丽亚娜4型和阿丽亚娜5型运载火箭，从而使阿丽亚娜系列运载火箭的地球同步转移轨道运载能力从最初的1850千克增加到6500千克。 　　 　　与其他国家运载火箭的不同之处在于，阿丽亚娜系列运载火箭主要用于发射商业有效载荷。由于不断出现性能更高的新型阿丽亚娜运载火箭，因而进入90年代之前，为了减少性能接近的火箭型号，欧洲空间局先后停止生产了阿丽亚娜1、2、3型等几种火箭，只保留了阿丽亚娜4型和阿丽亚娜5型运载火箭。自从90年代初至今，它们为欧洲竞争国际商业卫星发射市场提供了保障，特别是1999年阿丽亚娜5型运载火箭正式投入商用以后，更加巩固了欧洲商用运载火箭强国的地位。 　　 　　阿丽亚娜4型运载火箭的研制开始于1982年，其研制费用大约6.5亿欧洲货币单位，包括6种不同的子型号，各型号之间的主要区别是捆绑不同数量的助推器，其地球同步转移轨道运载能力介于千克之间。
　　日，第一枚阿丽亚娜4型运载火箭试飞成功，此后转入正式的商业发射，它成为了欧洲未来10年内最主要的商用运载火箭。至今，阿丽亚娜4型运载火箭已完成了113次发射，而自从1995年3月以来获得了77次连续发射不败的战绩。从运载火箭技术方面讲，阿丽亚娜4型运载火箭在当时保持了相当高的水准，特别是它采用了以液氢液氧作为发动机推进剂低温上面级，这种技术后来在其他国家的运载火箭上得到了广泛应用。
　　阿丽亚娜5型运载火箭是90年代由欧洲率先研制成功的世界上第一个&少级数、大直径&的大型运载火箭。1987年11月，欧洲空间局部长级会议正式批准研制阿丽亚娜5型大型运载火箭。次年1月，计划正式实施。原计划1995年4月和10月分别进行两次鉴定发射，随后投入商用。后因研制进度和财政等原因，计划被迫推迟。日，终于进行了第一次鉴定发射，但不幸遭遇失败，这在世界上产生了重大影响。
　　从1987年确定计划直到1996年首次鉴定飞行以来，阿丽亚娜5型运载火箭计画历时8年多时间，研制费用高达80亿美元以上。虽然首次发射不幸失败，但为以后的研制工作积累了丰富的经验。日，阿丽亚娜5型运载火箭进行第二次鉴定发射时，终于获得成功。 　　 　　日，第三次鉴定发射任务成功后，正式投入商用。至今，阿丽亚娜5型运载火箭已完成了10次商业发射任务，其中9次成功。日，第七枚商用阿丽亚娜5型运载火箭进行双星发射时，由于上面级发动机不稳定燃烧导致卫星进入了比预定轨道低很多的无用轨道。这是阿丽亚娜5型运载火箭正式投入使用以后第一次遇到故障，为此，欧洲空间局停止了2001年阿丽亚娜5型运载火箭的其他发射任务，并成立了专门的故障调查小组对故障原因进行调查，2002年3月再次恢复发射。
在技术方面，与以前的火箭相比，阿丽亚娜5型运载火箭具有很大的突破。 　　 　　首先，它采用了&少级数、大直径&的箭体结构，芯级采用5米大直径，箭体采用两级，这样可以有效增加运载火箭内部零部件的部署空间，降低火箭的纵横比，从而提高火箭的结构可靠性。 　　 　　其次，一子级采用一台液体氢氧火箭主发动机，由于火箭级数和主发动机数量减少，使运载火箭的分离控制得到简化，从而增加了运载火箭的系统可靠性；此外，由于采用无毒、无污染推进剂，也有利于环保。 第三，研制大直径整流罩和多种灵活的多星发射支架，使阿丽亚娜5型运载火箭具有良好的多星发射环境。 　　 　　阿丽亚娜5型运载火箭是目前世界上运载能力最大的商用运载火箭。当进行单星发射任务时，它可以把6500千克的有效载荷送入地球同步转移轨道，而进行双星发射任务时，可以把6000千克的有效载荷送入相同的轨道。由于目前世界上最大的商业通信卫星品质不超过在5.5吨，而大部分商业通信卫星的品质介于2.5~4吨之间，因而阿丽亚娜5型运载火箭不仅具有发射世界上最大的高轨道商业通信卫星的能力，还具有一箭发射两颗较大高轨道卫星的能力，这样可以大大降低用户的发射成本。 　　 　　阿丽亚娜系列运载火箭的发射服务业务由阿丽亚娜空间公司负责，该公司成立于1980年3月，总部位于法国，是一间私营股份公司，股东包括法国、德国、英国、爱尔兰、意大利、荷兰、西班牙、瑞典和瑞士等国家的空间技术研究机构或公司，其中法国持有最多的股份。它专门负责经营并发射阿丽亚娜系列运载火箭。
　　90年代以来，阿丽亚娜空间公司凭藉阿丽亚娜5型运载火箭无与伦比的性能优势，在整个的国际商业卫星发射市场中占据了几乎一半的市场份额，成为了名副其实的世界顶级商用运载火箭经销商。然而，据相关资料报导，首批阿丽亚娜5型运载火箭的平均发射价格为1.5亿美元/枚，这样的价格显然有些过于昂贵。 　　 　　为此，欧洲空间局又在1995年召开的部长级会议上提出研制阿丽亚娜5型改进型运载火箭。改进的目的是：一方面，继续提高阿丽亚娜运载火箭的运载能力；另一方面，大幅降低发射成本。 　　 　　阿丽亚娜5型改进型火箭的改进点主要集中在以下两个方面：(1)改进现有的一子级主发动机，使其具有更高的推力；(2)改进或重新研制新的上面级，从而形成系列化的阿丽亚娜5型运载火箭。 　　 　　改进后，阿丽亚娜5型运载火箭将由4种型号组成（包括现有的普通型）。欧洲空间局原计划2002年春季发射第一枚改进型阿丽亚娜5型运载火箭，但由于研制进度问题，发射时间已被推迟到下半年。即将发射的新型阿丽亚娜5型运载火箭命名为&阿丽亚娜5ECA&，它除使用了改进的一子级外，还使用了在阿丽亚娜4型运载火箭三子级基础上改进而成的新型低温上面级，经过改进后，它的地球同步转移轨道运载能力提高到8吨（单星）。
　　而运载能力最大的阿丽亚娜5型改进型计划2005年或2006年发射，它的上面级发动机将采用先进的膨胀回圈技术。改进后，地球同步转移轨道运载能力将提高到12吨（单星）。2002年第一种改进型阿丽亚娜5型运载火箭投入使用后，欧洲空间局将停止生产旧的阿丽亚娜4型运载火箭。 　　 　　在过去十年里，阿丽亚娜系列运载火箭不仅在激烈的国际商业卫星发射市场竞争中获得了巨大的成功，并且推动了人类现代运载火箭技术的发展。同时，也带动其他航天大国开发研制了新一代运载火箭。如上个世纪90年代中期，美国、俄罗斯和日本分别研制了&德尔它4&、&宇宙神5&、&安加拉&和&H-2A&系列运载火箭，由于这些运载火箭全部采用了&系列化、标准化、模块化&的设计方案，并且由于引入了高性能发动机等，不仅使其具有了与阿丽亚娜5型运载火箭相当的运载能力，还使生产成本大幅降低。这些运载火箭将在本世纪初陆续发射成功，并在未来两三年里形成一定的生产规模。大批新型运载火箭涌入国际航天发射市场后，必将对未来的市场格局产生重大影响，阿丽亚娜5型运载火箭的竞争优势也必将受到影响。&
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这么多年了，探索太空为啥还在用火箭呢？
空天飞机 太空天梯 可重复火箭 电磁炮 卫星 发射
本文作者:罗辑9527
自1920年左右罗伯特o戈达德提出液态火箭发动机理论后，人类文明的半只脚就迈进了航天时代；1944年，德军的V-2火箭刷新了纪录，抵达190公里的高度；1957年，苏联成功发射第一颗人造卫星，标志着航天时代正式来临。在此后的半个多世纪内，运载火箭技术有了极大发展，我们已经在轨道上完成第四代空间站的建造，探测器遍布太阳系各大天体。在1960年代，运载火箭技术就出现了爆炸式发展，土星五号和N-1火箭都可认为是“暴力机器”，尤其是土星五号起飞质量3000吨以上，号称把一艘驱逐舰送上天。
但是，土星五号都快五十年了，怎么还没出现质的飞越呢？科幻里的什么反重力也就罢了，至少有些原理上靠谱的发射技术，这些技术现在都怎么样了呢？
简单地说，理想很丰满，现实很骨感；不是我军不给力，而是物理学太狡猾了呀。
历次阿波罗任务中土星系列火箭的发射。图片来源：wiki
大火箭的客观规律：为啥火箭没有变更大？
在美苏航天竞赛结束后，运载火箭的对数期发展到头了，开始进入稳定期。目前世界上最强大的火箭要数德尔塔-4系列，近地轨道有效载荷在25吨左右，欧洲阿丽亚娜-5ECA和俄罗斯质子火箭都属于同一级别。在最近的数十年内，运载火箭都没有突破登月竞赛的规模，航天飞机的2000吨起飞质量足以鹤立鸡群。这是因为近地轨道业务的拓展不需要如此强大的火箭，航天飞机就能胜任总质量400吨的国际空间站建造，而和平的规模就更小了，只有130吨左右，我国即将建造的空间站规模为60吨级。综上，美苏当时的技术已经甩开全世界好几条街，如果按这个速度让他俩再发展半个世纪，估计得脱离地球联邦玩单飞了。
再牛的事物也无法逃脱一样东西的制约，这就是客观规律。美苏全力登月的背后需要大量的资金注入，阿波罗计划下的各种天顶星技术都是钱堆出来的，美国人花了250亿（1960年代币值）美元让阿姆斯特朗的左脚踩在月球上，开着一辆敞篷月球车兜风；而苏联人花了钱也没捞个名分，N-1火箭还创下了四射四炸的尴尬纪录，连发射塔都炸没了。美国人赢得了登月竞赛，把运载火箭技术提高了近地轨道120吨的水平，此后全世界都消停了，近地轨道运载能力维持在20至25吨，够用就好，因为违背规律的发展无法长久。
航天飞机与土星五号火箭的合影 图片来源：NASA
核潜艇与海上移动平台：小打小闹的改进
登月之后的半个世纪，世界主要航天国家只干了两件事情：发达国家想把火箭发射的费用压低，前提是技术要进步；落后的国家则全力追赶，美国人在1960年代就能把一艘驱逐舰送上天，过了半个世纪怎么也得意思下吧。于是有志向的国家就开始研发各自的运载火箭，而已经掌握火箭技术的国家则开始想办法降低发射费用，从商业发射中挣到钱。各种奇特的航天发射方法开始被提出，最有意思的要数潜艇平台发射。1996年，俄罗斯海军开始了一项新的业务，核潜艇部队除了战略值班外，还要参与商业卫星发射，一枚SS-N-23潜射弹道导弹被改装成运载火箭，将一颗70公斤重的卫星送入400公里高度的轨道，这样不仅能节省维护费用，还让库存的300多枚潜射洲际弹道导弹有了发挥余热的机会。当然用潜艇发射卫星也是迫不得已而为之，俄罗斯海军经费窘迫只能开源节流。从效费比上说，核潜艇发射卫星也有可取之处，不然这些弹道导弹到了年限也要报废处理。
与此类似的是海基发射系统，在抛弃冷战分歧后，俄罗斯人和美国人手牵手成立了海上发射公司，把发射架搬到海上。海上发射平台是一艘巨大的自航式驳船，领到发射任务后可航行到赤道附近的国际海域，统一使用俄罗斯制造天顶-3SL三级运载火箭发射卫星。赤道附近发射卫星，在相同推力条件下可增加有效载荷的质量，对于同步轨道的通信卫星而言，使用海上移动平台发射更廉价，费用会比陆基发射便宜一些。不过天顶- 3SL运载火箭的有效载荷不大，同步轨道不到2吨，因此要发射更大的卫星就无法使用海上移动平台，但它的存在为一些小卫星发射提供了便捷通道。
海基发射系统发射卫星。图片来源：spacenews.com
航天飞机：过于昂贵的奇迹
为了进一步降低卫星发射的费用，美国宇航局在1970年代提出了航天飞机计划，可重复使用这个词开始进入公众的视野。航天飞机在设计之初是让进入轨道的货物单价更加便宜，一架航天飞机可重复使用100次左右。美国宇航局曾在1977年出版了一本空间运输系统的手册，其中提到航天飞机商业租凭价格为一架次2000万美元，这是1975年的报价。如果考虑到航天飞机近24吨的商业载荷，几家卫星公司联合包租一架次，那么费用还是可以接受的，比如一颗长度为1米，质量接近1吨的卫星，平均单价不到300万美元。
结果，5架航天飞机机队总共才执行了100多次任务，每次发射需要大量的人力和物力准备，以奋进号为例，一次发射要花费5亿美元，与当初的设想相差太远。两次失事更是带来了沉重打击，自哥伦比亚航天飞机失事后，美国宇航局在执行一次航天飞机任务时还要准备另一架担任救援机，防止入轨后回不来的情况发生。如此种种因素，最终导致了它们黯然退役。
但是航天飞机近30年的生涯中依然立下了汗马功劳。最著名的卫星发射任务要数1990年把哈勃空间望远镜送入轨道，还有后续的修复工作，要是没有航天飞机，哈勃的故障可能很难修复。1989年“阿特兰蒂斯”号还将伽利略探测器送入轨道，巨大的货舱让航天飞机可携带大型航天器进入轨道，为后续建设空间站做出了不可磨灭的贡献。
航天飞机释放伽利略探测器与哈勃空间望远镜。图片来源：NASA
可重复使用火箭：商业航天的展望
航天飞机、运载火箭其实都属于经典的航天发射平台，目前商业航天发射领域已经向可重复使用火箭迈进。航天飞机是可重复使用运载器，但是价格昂贵，而运载火箭为一次性产品，用完就丢，研发一种可重复使用的火箭就能达到又便宜又好用的目的。SpaceX公司就是这个行业的领跑者，其开发的猎鹰系列可重复使用火箭能让发动机自动返回，然后再次利用，目前世界上主流运载火箭发射单价普遍在5000万美元以上，如果发动机重复利用后，发射卫星的费用就接近白菜价了。更重要的是，自主降落的技术还能用于地外天体登陆，比如降落火星、月球，只要钱的问题解决后，大航天时代也就不远了。
不过可重复使用火箭也不是天顶星的技术，只是这几家私人公司利用成熟到烂大街的航天科技，加上先进的成本控制与管理方法，将卫星发射这个行业做到了极致。比如“灰背隼-1D”发动机就是登月舱上安装的着陆动力，上个世纪60年代的技术，2195铝锂合金和搅拌摩擦焊都是拿来就用，真正管用的还是技术积累到一定程度后的成本控制与管理能力。卫星发射技术的先进性不是小小的可重复使用火箭所能代表得了的，运载火箭这般古老技术照理说没有资格说话，真正大咖应该是空天飞机。
SpaceX公司使用可重复使用火箭发射卫星 图片来源：SpaceX
空天飞机：遥远的理想
空天飞机顾名思义是一种飞机，不仅能在“空”的高度飞，还能在“天”的领域翱翔，因此空天飞机的基本要素就是能水平起降、单级入轨。在世界上任何一处机场起飞，爬高后加速直接进入近地轨道，在短时间内将卫星等航天器送入轨道，具有准备时间短、成本低的特点。更先进的空天飞行器还能在入轨后进行行星际航行，想去火星去火星，想去月球去月球，妥妥的说走就走的旅行，具体可以参考《星际穿越》中的飞行器。
空天飞机由于飞行环境变化较大，因此其涉及到的技术更加繁杂，比如动力装置就是一大难啃的骨头。大气层内飞行需要使用吸气式发动机，轨道运行则要切换到火箭动力，要想让吸气式发动机提供25马赫的入轨速度，目前也仅是纸上谈兵。在空天飞机发展上仍然是美国人走在最前面，比如1980年代的国家空天飞机计划，最后由于概念过于先进而停止发展，但也基本掌握了空天飞行器的一些成果，比如超燃技术等。
空天飞机可在任意一处机场起飞，加速入轨后可投放卫星等载荷。图片来源space.com
太空电梯：近未来科幻之梦
空天飞机是许多科幻片基本元素，直接进入轨道能够开展各种空间作业，当然还有许多未曾推广的技术也可以用于卫星发射，比如太空电梯。在最新的科幻片《木星上行》上就有直接通往轨道的大型建筑，可从地面直接进入轨道，如果用这种方式发射卫星，那么成本就更低了。早期的太空电梯设想来自俄罗斯航天专家齐奥尔可夫斯基，后来阿瑟o克拉克在他的小说中将太空电梯进行推广，构思了一种停留在同步轨道上的航天器向下释放悬梯，人们可乘坐悬梯直接进入太空。太空电梯的研制仍然处于理论推进之中，最大的问题在于材料，日本一家公司正在攻克碳纳米技术，称将在今年2050年开建太空电梯，定点在赤道上空的静止轨道上，1公斤的卫星载荷只要200美元，比任何一种发射方式都要便宜。不过太空电梯仍然面临其他外界的因素制约，比如轨道碎片，如何避免意外撞击也是个棘手的问题。
太空电梯提供了超低卫星入轨的费用，1公斤的卫星载荷只要200美元。图片来源：sapiains.deviantart.com
超电磁炮：或许并不那么科学
还有一种设想中的发射卫星的方法是磁悬浮助推发射，利用磁悬浮轨道技术对航天器进行初段加速，然后航天器启动发动机，这样可大大降低起飞时的能量消耗，同时能够提升载荷的携带量。磁悬浮助推发射的原理与磁悬浮列车类似，都由驱动电机和轨道构成，有研究人员通过计算得出，如果航天器的质量为500吨，利用现有的磁悬浮技术可将其加速至0.7倍音速；但是这样消耗的功率却相当大，如何获得强大的脉冲磁流发电机是该工程能否实现的难点。
电磁技术目前主要用于小型载荷的远程投放，将其用于发射卫星不太合适。图片来源：Wiki
有了磁悬浮加速发射装置，那么建立在电磁加速原理上的电磁炮也曾被考虑由于卫星发射。目前电磁炮还仅限于发射小型炮弹。美国海军测试中的电磁炮可获得7马赫的初速度，射程数百公里，弹头重量仅为10公斤，因此要用电磁炮发射卫星不太现实。目前规格比较高的电磁炮电源能量达到200MJ，可发射20公斤的弹头，也是7马赫的出膛速度，射程为300多公里。如果要用电磁炮发射卫星需要功率更大的电源，技术上难以实现。更重要的是电磁炮发射时物体要承受极大的载荷，以10公斤的弹头为例，初速达到5至7马赫要承受数万个G，因此利用电磁炮发射卫星是不合适的。
本文看起来似乎都是在泼冷水——但这些都是我们现实中面临的真正困境。如果某一天某一项困难得到了突破，那么我们的航天飞行技术也许就能够迎来下一次飞越；不过同样可能的是，下一次飞越将诞生于那些脑洞更大、距离现实更加遥远的推进方式之中。这些构想中的方式甚至连非常规都算不上，迹近于异想天开——但那就是另一篇文章的主题了。（编辑：Ent）
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说来说去，最大的难题就是缺钱
引用 的话：“工质推进飞船不过是个大火箭，要用超过三分之二的运载能力运载推进工质，且工质消耗很快，这种飞船只能以行星基地为依托，在太阳系内航行。这样做，是在重复甲午战争的悲剧，太阳系就是威海卫！”三体里这段话就是逗,甲午海战中北洋水师困死威海卫又不是因为战舰不能远洋作战,纯粹只是指挥失当,事实上北洋水师的外购舰艇哪艘不是从国外接舰后远洋航行回国的.同时北洋水师困死威海卫,原因很简单便是港口内舰队无法展开,无法机动作战,存粹只是个固定炮台,只能当一动不动的活靶子,即便如此依旧到日本陆军从陆路保卫才占领威海卫,日本海军依旧没打进威海卫.但是把这个规模放大到宇宙战范围,太阳系不够宇宙舰队展开的?不够宇宙舰队进行机动作战?宇宙舰队塞满太阳系没地方动以至于都是固定炮台?简直就是生拉硬套,章北海设定是天朝军人就非得说这种生拉硬套历史的话?也难怪人家说大刘创意很好,文采一般了.
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全部评论(106)
理想很丰满。
说来说去，最大的难题就是缺钱
也许最终人类探索太空的方式是——把人意识上传进电脑，把大量服务器打进太空组成星际网络 ——》光速旅行
早早建立月球殖民地才是王道啊。
“工质推进飞船不过是个大火箭，要用超过三分之二的运载能力运载推进工质，且工质消耗很快，这种飞船只能以行星基地为依托，在太阳系内航行。这样做，是在重复甲午战争的悲剧，太阳系就是威海卫！”
引用文章内容：空天飞机由于飞行环境变化较大，因此其涉及到的技术更加繁杂，比如动力装置就是一大难啃的骨头。大气层内飞行需要使用吸气式发动机，轨道运行则要切换到火箭动力，要想让吸气式发动机提供25马赫的入轨速度，目前也...超音速燃烧冲压发动机，是一个不错的选择。不过缺点同样明显，因为冲压发动机无法原地启动，需要在一定速度下才能够运作。所以用它的话，空天飞机起码要携带2-3种的喷气发动机，一个是涡轮喷气发动机（这个可以用火箭发动机代替），用于起飞，第二个是超燃冲压发动机，用于加速至入轨速度，第三个是火箭发动机，用于轨道飞行。总结起来就一个字“麻烦”不过就现阶段的技术，各方面上来说还是不错的选择。
不知哪一天有个蓝胖子把任意门寄到了日本航空局
航空时代 ？看来海贼王要转行了，路飞要揍外星人了。
“…将在今年2050年开建太空电梯…”来自 MI 4W 上的 SourceWall
引用文章内容：日本一家公司正在攻克碳纳米技术，称将在今年2050年开建太空电梯，定点在赤道上空的静止轨道上唉……2050年不知道哪国都要积分胜利了……刚刚正好在看Moonlight Mile，真希望人类在走出摇篮之后能够抛弃争执，共同进发啊。
引用 的话：“工质推进飞船不过是个大火箭，要用超过三分之二的运载能力运载推进工质，且工质消耗很快，这种飞船只能以行星基地为依托，在太阳系内航行。这样做，是在重复甲午战争的悲剧，太阳系就是威海卫！”三体里这段话就是逗,甲午海战中北洋水师困死威海卫又不是因为战舰不能远洋作战,纯粹只是指挥失当,事实上北洋水师的外购舰艇哪艘不是从国外接舰后远洋航行回国的.同时北洋水师困死威海卫,原因很简单便是港口内舰队无法展开,无法机动作战,存粹只是个固定炮台,只能当一动不动的活靶子,即便如此依旧到日本陆军从陆路保卫才占领威海卫,日本海军依旧没打进威海卫.但是把这个规模放大到宇宙战范围,太阳系不够宇宙舰队展开的?不够宇宙舰队进行机动作战?宇宙舰队塞满太阳系没地方动以至于都是固定炮台?简直就是生拉硬套,章北海设定是天朝军人就非得说这种生拉硬套历史的话?也难怪人家说大刘创意很好,文采一般了.
呵呵，一大波三体厨正在赶来！今天英国每日邮报的科学版面的头版文章题目就是“Nasa tests 'WARP DRIVE' engine that could carry passengers to the moon in just four hours...and may even travel faster than the speed of light" 呵呵，最近这段时间看到好多关于曲速引擎的报道，都说什么快要实现了，难道是真的？
引用 的话：三体里这段话就是逗,甲午海战中北洋水师困死威海卫又不是因为战舰不能远洋作战,纯粹只是指挥失当,事实上北洋水师的外购舰艇哪艘不是从国外接舰后远洋航行回国的.同时北洋水师困死威海卫,原因很简单便是港口内舰...引用 的话：这两位没看过小说的上来就开喷了。请注意小说里人物说的话不代表人物想的话，更不代表作者想的话。实际上章北海一开始就明白被智子锁死物理学的地球舰队是无论如何也无法和三体舰队抗衡的，所以他一开始想的就是怎么尽快逃亡。不信请直接看黑暗森林下部，第八章，水滴还没到他就开溜了。很明显，他当时说的那些不代表他真正想的，他跟丁仪说那些话很可能只是为了隐藏自己的真实计划。这话再怎么逗，忽悠丁仪这样的纯研究人员也是正常的，大刘这么写完全没问题。
引用 的话：这两位没看过小说的上来就开喷了。请注意小说里人物说的话不代表人物想的话，更不代表作者想的话。实际上章北海一开始就明白被智子锁死物理学的地球舰队是无论如何也无法和三体舰队抗衡的，所以他一开始想的就是怎么...谁都知道小说里人物说的话不代表人物想的,所以你也看到我的评论是针对在这篇文章里引用这段话的那位同学,他在这里引用这段话,表达的含义自然就是这段话的字面含义,而不是什么"人物心里不是这么想的啊,他这么说是骗人的啊"什么的.那么他在这里引用这段话的字面含义,自然是等于他认同并且要表达这段话的字面含义,我自然得针对他的字面含义进行反驳,这再正常不过.事实上从古至今很多俗语名言之类的被引用时都是与出处表达含义不同的,那么请问你如果要反驳引用者的话,你反驳时是针对引用者自己引用这段话想表达的含义,还是说针对这段话出处中的原文内涵,而且这个内涵还和引用者表达的意思八竿子打不着.说真的,你急切的想为三体辩护,却连我表达的意思针对的人都没搞明白,大刘行文措辞一般偏下,你是连理解能力都一般偏下了.
看评论又变成三体讨论会了。。。。难道这儿的人都只看过三体这一部科幻小说？？
引用 的话： 变循环双模式发动机很早就有了，X-51实验就是验证在大气层...哎，高科技嘛，有那个是不贵的？
只有牵涉军事的研究投入可以不计收益。不过现在连打仗都精打细算了
引用 的话：看评论又变成三体讨论会了。。。。难道这儿的人都只看过三体这一部科幻小说？？14楼之前，2人举三体例，1人批三体，然后14楼来了个“呵呵一大波三体厨即将到来”；之后到22楼为止是2人批三体对1人驳批三体。结果22楼您冒出这么一句来。且不说阁下这地图炮放的到底有多广，也不说“三体讨论会”这种评判是否符合事实，我就问问“有人讨论三体”和“所有人只看过三体一部科幻”之间的逻辑何在？三体厨多是事实，不过见三体就黑的人，恐怕无聊程度并不会下于脑残粉呢。
用不可能性引擎驱动。。。
居然看到海射.... 乌克兰早就out了哦 现在商业说得过去的也只有毛毛的质子 米国的spx
分级式太空天梯是目前最理想的经济方式，不是还有硕大的弹弓直接弹上近地轨道的么，可以将其结合起来，同时将磁悬浮结合起来，核心奥义就是机械能+磁能守恒，减少能源消耗。
引用 的话：用不可能性引擎驱动。。。然后只造一架被总统大人偷走去泡妞？
我知道！因为地球科技被智子锁死了！
引用 的话：谁都知道小说里人物说的话不代表人物想的,所以你也看到我的评论是针对在这篇文章里引用这段话的那位同学,他在这里引用这段话,表达的含义自然就是这段话的字面含义,而不是什么"人物心里不是这么想的啊,他这么说...“谁都知道”么？上边那个人明显到现在都还不知道。我已经懒得理他了。至于你说的，我的主要反驳在后边，我还是认为章北海用这个说法试图获得丁仪的帮助完全没问题。他又不是在跟什么军事大师讨论。关于星际间战争问题本身，“但是把这个规模放大到宇宙战范围,太阳系不够宇宙舰队展开的?不够宇宙舰队进行机动作战?宇宙舰队塞满太阳系没地方动以至于都是固定炮台?”没错，宇宙空间是很大，但是机动性问题虽然不受环境制约了可还是受自身硬件本身的制约。打过星际的都知道作战方案要依靠地图选择，被包围的后果有多严重，但是对于移动缓慢的空军部队，虽然不受地形制约但仍然很容易被包围，跟固定炮台没多大区别。我认为这里设定工质推动引擎能获得的加速度很小所以机动性很差，而且需要时常从行星获得补给，跟被地形制约也差不多。不知你有什么见解。假如星际里有一个空军兵种，每次转弯或加速/减速都会消耗能量，能量耗光前必须到主基地补充能量否则就只能匀速直线运动了，那这个兵种估计也没人用吧。
评论真热闹
引用文章内容：以10公斤的弹头为例，初速达到5至7马赫要承受数万个G分段加速可行吗？初速给低点之后逐渐增加
引用文章内容：日本一家公司正在攻克碳纳米技术，称将在今年2050年开建太空电梯 2050前多了“今年”二字。
引用 的话：也许最终人类探索太空的方式是——把人意识上传进电脑，把大量服务器打进太空组成星际网络 ——》光速旅行意识都数字化了，干嘛还要发射服务器，应该发射各种终端，望远镜啊机械手啊。
不是我军不给力，而是物理学太狡猾了呀好淘气。。~
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