难于上青天：做一发成功的火箭到底有多难

　　出品：科普中国

　　作者：鸿爪雪梨

　　策划：武玥彤、金赫

　　监制：光明网科普事业部

　　12月27日，20时45分，长征五号遥三运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空。发射飞行试验取得圆满成功，这是胖五的第三次发射。两天前，25日，由北京星途探索公司自主研发的“探索一号·中国科技城之星”商业亚轨道运载火箭在酒泉卫星发射中心成功首飞，为中国商业航天的发展写下了浓墨重彩的一笔。

　　从20世纪初火箭诞生开始，近百年过去，全球范围内能独立自主发射火箭的国家也仅有美、俄、中、法、英等寥寥数国，发射火箭到底难在哪里，本文暂不讨论备案、审批、许可等管理流程，仅从火箭技术方面略谈一二。

图1“探索一号·中国科技城之星”运载火箭成功发射瞬间（图片来自网络）

　　作为一种运载工具，无论是哪一种火箭，除其有效负重之外，至少由三个部分组成，即火箭箭体、推进系统和控制系统。部分火箭还带有自毁、遥测等多种功能。

　　一个合格的火箭外壳，必须具备强度高、耐高低温、密度低、易加工等基础性能且互相补充、缺一不可，强度如果不够，那在飞行过程中就无法承受巨大的加速度，进而发生变形甚至破坏；耐温性能不好，则无法承受高速飞行与空气摩擦产生的气动热，造成火箭内部温度迅速升高、恶化；密度如果较大，则火箭的有效载重量会下降；即便满足了前三个条件，如果加工难度很大，同样不是好的选择。

　　高精尖的合金材料和复合材料保证了火箭的结构性能，而如何获得并加工这些材料就成了难倒许多国家的第一道关卡。各国的火箭结构材料，其配方及工艺是严格保密的，即便用现成的材料去逆向研发，也必须经过成百上千次的试验和分析，才有可能摸索出正确的元素种类和配比。然而这只是万里长征的第一步，温度、湿度、时间、调节速率等大量的工艺参数如何控制，某一项参数是否会引发其他参数的联动变化，变化的后果又是什么样的？所有的这些过程量及其数不胜数的排列组合必须一一经历，才能保证结构件原料产品的质量可控。假设跨过了前两个大坎，下一个挑战是如何把这些高强度、耐高温的原料加工成最终所需的形状，且加工后的部件如何保证强度一致，薄厚均匀，密封良好，需知即便是轻微的薄弱环节，在升空后火箭高频的振动中都有可能发生力学疲劳，从而导致结构受损甚至火箭解体，2010年印度GSLV-F06运载火箭发射升空2分钟后解体爆炸事故就是由于推进器的连接器断裂引发的。

　　而将目光转移到火箭的发动机上，作为火箭的心脏，火箭发动机的结构材料对性能的要求比壳体材料有过之无不及。同时，发动机推进剂也是最大的难点之一，和壳体原材料的生产类似，无论是固体还是液体发动机，如何大量、稳定、安全的获得高性能燃料本身就需数十年的功力积累。不同代际的推进剂，其燃烧效率、能量密度可谓云泥之别，就连我国也是在近年才掌握了液氢/液氧推进剂技术。除此之外，作为一个复杂的动力系统，发动机还需解决高压稳定、高效冷却、稳定燃烧等难题。值得一提的是，在探索一号成功首飞的同一天，北京星际荣耀空间科技有限公司首次完成了“焦点一号”可重复使用液氧甲烷发动机的500秒全系统长程试车，发动机工作正常、参数平稳，意味着我国的民营航天在发动机方面已完成关键技术的积累和突破，距离产品化交付又近了一大步。

图2 “焦点一号”液氧甲烷发动机试车成功（图片来自网络）

　　在解决材料和动力问题的同时，还要考虑如何让火箭飞的更稳。火箭在起飞前会预设飞行轨迹，在起飞后，则需要随时调整姿态以对路线进行修正，以保证火箭按照预轨迹完成运载任务。火箭依靠陀螺仪、加速度计和GPS等方式实时掌握自己的姿态和位置，并把数据同步交由控制系统去计算偏差和修正量，最后控制燃气舵、喷管做出反应动作，完成一个控制循环。在这个过程中，火箭能否及时感受到变化、能否及时做出反应、反应是否有效，与软硬件的水平息息相关，在高达数公里每秒的高速下，反应稍慢或动作稍不到位，火箭就可能离预设方案偏差十万八千里，严重时甚至导致姿态失控导致坠毁。

　　此外，火箭作为高度精细化、集成化的造物，如何把各个部分完美的结合在一起，协调有序，互相冗余，本身就是一门科学。在国家对航天工业和人才的长期培养下，我国的商业航天公司一同踏上了中国航天发展的快车。严格来说，造火箭是一项不容许出现短板的工作，需要在高度科学的管理下，由大量的成熟科研人才、技能人才，将近万个成功的产品或技术，经过无数次仿真、计算、试验和失败的积累，方能打造成功，由此也更加凸显商业火箭技术突破的难能可贵。