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此心安處
7月2日晚，第二枚長征5號運載火箭在海南文昌發射場發射失利。google 了一下，所有資料來自網上，認識差距，中國航天加油。
以長征5號為代表的新一代運載火箭，將中國火箭的運載能力提高了一大截，中國進入空間的能力直接步入世界第一集團的最前列。
但是需要清醒的認識到，中國運載火箭的技術水平，並沒有像它的運載力那樣擠入第一集團的前列。
實際上，如同航空工業一樣，航天工業仍然麵臨著“心髒病”的問題。新一代運載火箭的投入使用是一種改觀，但遠遠沒有逆轉這種現狀。
當下世界GTO運載能力最強的火箭
這次發射的長征-5號運載火箭是長征-5號係列構型中起飛重量最大，也是載荷最大的一種。
按照官方的說法，長征-5起飛質量867噸，地球同步轉移軌道（GTO）運載能力14噸，近地軌道（LEO）運載能力25噸級。長征-5的研製成功，是中國進入空間能力的一次巨大躍升。官方的說法是，上一代運載火箭的LEO運載能力8.5噸（其實當年的長征-2E運載火箭達到了9.2噸，隻不過因為不太可靠而早就退出現役了）、太陽同步軌道（SSO）運載能力6.1噸、GTO軌道運載能力5.5噸。可以說，長征-5的投入使用，讓中國進入空間的能力實現了成倍提高。
和國產上一代火箭相比，長征-5號的運力提高幅度很大，那麽他和現役國際主流大型運載火箭相比又怎麽樣呢？
我們先來看看運載能力。目前LEO運載能力達到20噸級、GOT運載能力達到10噸級的大推力運載火箭已經成為航天器發射的主力軍，這一級別的運載火箭包括美國的“德爾塔-4” 、“宇宙神-5”（又譯阿特拉斯-5）、“獵鷹-9”運載火箭，歐洲的“阿裏安-5”運載火箭，俄羅斯的“質子”、“安加拉-A5”以及日本的H-2B運載火箭等。
這其中，運載能力最強的是美國波音公司的重型構型的“德爾塔-4”運載火箭，其LEO最大運載能力根據軌道高度不同可以達到23.6到28.4噸之間，是目前近地軌道運載能力最強的，不同來源的數據顯示其GTO運載能力為13.8噸到14.2噸，一般認為其為14噸。洛克希德·馬丁公司研製的“宇宙神5”（使用了俄羅斯的RD-180發動機）551構型的LEO運載能力達到18.9噸，GTO運載能力為8.9噸；俄羅斯的“質子M”運載火箭的LEO運載能力為23噸，GTO為6.9噸；俄羅斯2014年首次試射的“安加拉-A5”運載火箭的LEO運載能力為24.5噸，GTO運載能力為7.5噸；歐洲航天局的“阿裏安-5ES”的LEO運載能力為20噸，“阿裏安5ECA”的GTO運載能力為10.7噸；日本的H2B的LEO運載能力為19噸，GTO為8噸。俄羅斯的“質子M”、“安加拉”的LEO運力較大，而GTO運力卻比較小，一個重要原因在於其發射場維度較高，向地球同步軌道上發射衛星有點“吃虧”。
這樣看來，長征-5號在現役大型運載火箭中運力可謂數一數二了，特別是其在文昌發射時的GTO運載能力，幾乎是與重型德爾塔-4在同類火箭中並列第一了。
這個判斷一點不假，但就此說中國的火箭技術已經數一數二了，可能就有些樂觀了。
首先，從時間來看，上述大型火箭都已經首飛若幹年，並投入使用多年。其中重型“德爾塔-4”的首次發射在2004年（但沒有成功），較晚的是日的H-2B火箭，2009年發射，最晚的是俄羅斯的“安加拉-A5”，2014年發射。
另外，從運輸潛能上看，上述火箭中的不少型號仍然有大幅度提升的空間。之所以大多數火箭運力均低於長征-5號，還主要出於成本和需求的原因。長征-5的一個重要使命是進行空間站發射。而對於其他國家來說，主要是安全、經濟地發射衛星，而目前其運載力基本夠用。像“阿裏安-5”、H-2B，他們的芯一級火箭發動機均為大推力、大比衝的氫氧發動機，二級發動機推力也超過長征-5號，如果為其配備更大的助推器，研製一種運力超過長征-5的大型運載火箭並非不可，隻是需求不那麽強烈。重型“德爾塔-4”的幾次發射都是用於發射美國空軍的重型偵察衛星。這次發射的長征-5號運載火箭是用了眾多的小火箭發動機，通過係統優化，實現了運能的最大化，其提升空間已經不大。
德爾塔-4係列運載火箭的芯級推質比大於一，通過采用不同的助推器實現不同的運載能力。
從運載能力上看，美國上世紀60年代研發成功的用於登月的“土星5號”運載火箭、以及蘇聯用於發射航天飛機的“能源”號運載火箭LEO運載能力都超過了100噸。更是遠遠超過了長征-5號，隻不過他們均已退役。
同類火箭中推力最小的芯級發動機
最初構想的長征-5號是通過直徑為5米的芯級分別與不同數量的3.35米直徑（安裝兩台發動機）和2.25米直徑助推器（安裝一台發動機）的組合，再加上芯級為一級半和二級半的不同狀態，組成一個包括6種構型的龐大家族。
但是後來，所有配備2.25米直徑助推器構型均被擱置，因為這些構型的大部分功能能夠由更廉價的長征-7號完成。最終確定下來的包括兩種構型，即本次和第一次發射的基本型長征-5號和長征-5B。他們不同在於前者是一種兩級半的構型，而後者是一種一級半的構型，後者主要用於發射近地軌道載荷，芯級更短些。
當初長征-5設計了多個不同構型，如今隻保留了兩個型號。
此次發射的長征-5號是一種二級半的運載火箭。一級芯級直徑5米，采用兩台並聯的采用燃氣發生器循環的YF-77液氫液氧火箭發動機（以下簡稱氫氧機），單台地麵推力約50噸，真空推力約70噸。火箭發動機在真空中的推力和比衝（燃燒單位質量的推進劑產生的衝量）都較地麵上更大，主要是燃燒室內外的壓力差不同所決定的，燃燒室內的壓力不變，真空中外部的壓力幾乎為零，那麽壓力差就更大，所以推力和比衝就更大。這裏需要說明的是，YF-77是迄今為止國內研製的推力最大的氫氧機。但是和世界同級別火箭的芯級氫氧機相比，推力是最小的！即便是日本H2B使用的LE-7A，真空推力也有112噸！所以說，長征五號用同級別火箭中推力最小的發動機，扛起了同級別最強的GTO運載能力。
H-2B的LE-7氫氧機采用分級燃燒循環，推力、比衝、循環方式均超過YF-77。
由於並聯兩台發動機，我們能夠很明顯地看到芯級有兩個噴管，但需要注明的是，不是說火箭有幾個噴管就裝了幾台發動機。因為有的發動機是多燃燒室發動機，例如RD-180是雙燃燒室發動機，一台發動機有兩個燃燒室，兩個噴管。而長征-5的YF-77則是典型的單燃燒室發動機，所以確實是一個噴管對應了一台發動機。
長征-5號芯級周圍捆綁4個3.35米的助推器，每個助推器安裝兩台地麵推力120噸的YF-100高壓補燃循環的液氧煤油發動機（以下簡稱煤油機）。該發動機是中國在吸收了俄羅斯RD-120高壓補燃煤油機相關技術後，曆經多年研製成功的。此前在長征-6號和長征-7號上經曆了多次考驗。
第二級發動機則是並聯兩台推力各為9噸的膨脹循環YF-75D氫氧機。他是在之前的YF-75燃氣發生器循環氫氧機的基礎上改進研製的，比衝更高，對於較小推力的二級發動機來說，循環方式更科學。
YF-75D發動機采用閉式膨脹循環方式，單台真空推力9噸，在長征五號上兩台並聯使用。
長征-5的剖視圖。
中國火箭的“心髒病”
關於循環方式，我們簡單的說一說，因為液體火箭發動機的技術先進與否性能高低很大程度上取決於其循環方式。
簡單來說，循環就是指將推進劑通過不同方式和路徑輸送到燃燒室的整個過程，這是一個實現起來很複雜的過程。比較簡單的循環方式是擠壓循環，就像是注射器給人打針那樣，靠壓力將燃料擠入燃燒室中。可以通過簡單地為儲箱增壓，通過壓力將燃料和氧化劑壓到燃燒室燃燒。擠壓循環的優點就是避開了結構複雜的渦輪機，泵和輸送管道。使用擠壓循環可以大幅降低發動機成本和複雜度。但是這種方式的弊端也同樣明顯，因為壓力不能過大，否則儲箱受不了，而且隨著燃料的逐漸消耗，壓力會逐步減少，且攜帶的壓力裝置數量有限，這樣燃料的輸送量就受到限製，很難將其用於大推力的運載火箭發動機，主要用於一些小推力火箭。
於是，人們發展了用渦輪泵將燃料和氧化劑泵入燃燒室。那麽用什麽來驅動這個泵呢？最早的是便是燃氣發生器，這就誕生了燃氣發生器循環。燃氣發生器循環是一種開式循環，最終的“廢氣”（實際上仍然含有一定能量）要排放到發動機以外，不能充分利用燃料的“剩餘價值”。於是，人們就想到，用發動機燃料的在預燃室燃燒來驅動渦輪泵，通過渦輪泵將大量的燃料泵入燃燒室的同時，第一次燃燒後的氣體進入主燃燒室進一步燃燒，這就是分級燃燒循環，也被稱為高壓補燃循環。這就大致相航空發動機加裝“加力燃燒室”，坦克發動機用上了廢氣渦輪增壓（當然不是那麽準確）。更重要的是，燃燒室此時進行的是“液-汽”燃燒，要比“液-液”燃燒更可控和充分，當然最充分的是“氣-氣”燃燒。這種循環發動機燃燒充分，利用效率高，再加上預燃室的推進劑流量大，可以為渦輪泵提供足夠的工質，讓發動機能在更高的室壓下工作，並獲得更高的性能。當然，這種循環方式的泵、渦輪和管路係統質量大、複雜，研製難度和成本高。一般來說，大推力發動機主要是使用燃氣發生器循環和分級燃燒循環，而後者的比衝通常較高，代表著大推力發動機的先進循環方式。
除此之外，還有一種膨脹循環方式。這種循環方式，燃料燃燒前通常被主燃燒室餘熱加熱，當液態燃料通過在燃燒室壁裏的冷卻通道時，“膨脹”為氣態。膨脹後的氣壓差推動渦輪泵轉動，從而使推進劑高速進入燃燒室燃燒產生推力。這種循環方式要比分級燃燒結構更為簡單，但是現有產品的推力比較小，主要用於液氫液氧上麵級。但是日本正在研製的打算用於H-3火箭芯主發動機的LE-9發動機采用了膨脹排放循環，真空推力高達150噸，比H-2B運載火箭的采用分級燃燒形式的芯級主發動機LE-7還高出不少。
日本在研的LE-9開式膨脹循環發動機
長征-5芯級使用的YF-77液氫液氧發動機就是一種燃氣發生器循環發動機，它與先進國家的大推力氫氧機，包括日本的H-2B使用的分級燃燒的LE-7氫氧機相比技術上仍然落後不少，不僅推力小（不到LE-7的一半），而且比衝也偏低。而YF-100的研製成功，雖然使中國成為世界上第二個掌握高壓補燃煤油機技術的國家，但是與俄羅斯的煤油機的推力仍有差距，美國不用高壓補燃煤油機，更主要的原因還是技術路線的問題，而非不能。
和重型“德爾塔-4”火箭一比，就能看出長征-5號和世界先進水平差在哪裏。重型“德爾塔-4”的LEO運載能力超過了長征-5號，GTO能力相當，但是起飛重量卻隻有732噸，比長征5號輕了近140噸。重型“德爾塔-4”的一級包括一個芯級和兩個助推器，兩側的助推器和芯級都是一樣的5米直徑構型，隻用了3台RS-68A氫氧發動機。RS-68A是一種先進的燃氣發生器循環氫氧發動機，其海平麵最大推力3137千牛（是YF-77的6倍多），真空比衝411.9秒。其實真空比衝不算高，但是他針對大氣層內飛行進行了優化，海平麵比衝超過YF-77不少。客觀來說RS-68A雖然推力高，但循環方式並不是太先進，真空比衝在氫氧機種也不算高，如果和日本的LE-7係列比較，比衝就更小些了。
重型德爾塔-4運載火箭發動機。
總體說，長征-5的發動機技術，如果放在美俄，大概是在上世紀60年代初中期就實現了的。但是我們不能簡單地說長征-5的火箭發動機就是上世紀60年代的水平，因為那是一個火箭發動機大發展的時代，一些“史詩般”的作品和技術就誕生在那個年代。例如，美國用於登月火箭的F-1燃氣發生器循環氫氧機，截至目前仍然是世界第一大推力的單燃燒室液體火箭發動機。那個年代蘇聯研製的用於登月火箭N-1的NK-33高壓補燃煤油機，封存到了新世紀，啟封後還賣給美國公司組裝“安塔瑞思”火箭。
通過上麵的介紹，我們大概也了解到，火箭發動機同樣是航天業急需提升的一個弱項，就像發動機對於航空工業一樣。所以有知乎用戶調侃：“其實國產火箭發動機一直就是弱項，萬戶當年就是因為國產發動機不行才失敗的。”
人們有一種印象，認為中國航天發射的成功率很高，但是根據航天科技集團專家的統計，在本世紀初設想研製長征-7號和長征-5號的時候，長征係列運載火箭在當時10種主要運載火箭中，其發射成功率位居第七，處於中間偏低的位置。長征-3甲係列運載火箭經過多輪的可靠性提高改進，才使其可靠性達到較高的水平，但是其總發射量相對美俄經典火箭偏少，一次失敗，就會令其總體成功率降低不少。
其我國目前使用的長征-2、長征-3和長征-4號運載火箭的基本設計都脫胎於上世紀70年代研製的東風-5號洲際彈道導彈。而東風5號的發動機采用的發動機基本上是美、俄上世紀五十年代末的技術。
當然，火箭使用的液體火箭發動機也不能光去拚比衝、推力、推重比等硬指標，可靠性、成本更是需要考慮的重要方麵。從這方麵來看，我國新一代火箭各項指標還是比較均衡的。當我們為長征-5號的成功而鼓掌，感到歡欣鼓舞的時候，我們也要看到並正視差距。同時更要知道，這是中國在長期有限的資金和科研投入長期欠賬下取得的難得的成就。同時，我們有理由對中國火箭的未來更有信心。
畢竟長征5號的研製團隊平均年齡隻有35歲
