30多颗科学实验卫星想上太空,为啥长征火箭家族不能“接单”? | 史晓宁

天下无双

既然有这么多科学卫星想上天做验证，我们何不“拼”一个火箭，把大家一起带到太空去呢？



video: https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&action=mpvideo&auto=0&vid=wxv_3394761582785511426史晓宁 · “力箭一号”运载火箭总设计师
格致论道第106期 | 2023年12月2日 北京



大家下午好，我是史晓宁，来自中国科学院力学研究所，一名运载火箭设计工程师，也是“力箭一号”运载火箭的总设计师。



大家看这张照片，第一眼肯定是中间的火箭，这就是我们设计的“力箭一号”。但你仔细看，能看到照片左下角还有几个人，这是在“力箭一号”发射之前跟火箭合影，可以直观感受到“力箭一号”的庞大。
那我们做这个庞然大物来干什么呢？今天，我就给大家揭开“力箭一号”的神秘面纱。
谁能把“众筹卫星”带上天？

首先，我们把时间线拉回到2016年。当时，我们国家发射了“墨子号”“悟空号”等科学实验卫星，它们在天上做了包括量子实验在内的很多科学实验。很多科学家看到后，觉得自己也有很多的想法，也希望可以上天验证。
当时，中国科学院负责研制卫星的上海微小卫星研究院的创新中心主任就提出了一个非常先进的想法：既然有这么多科学家想上天做验证，我们何不“拼”一个卫星，把所有科学器件一块儿带到太空上去呢？所以，我们就提出了一个项目叫“众筹卫星”，并向全科学院及很多高校发出了众筹的倡议。


不试不知道，一试吓一跳。当时有100多家院所提出了要上天验证的申请，我们最后筛之又筛、拣之又拣，最后挑选出18家科研机构，拼出了26颗卫星，后来又增加了几颗卫星，一共有30多颗卫星要“包箭”上太空。上面就是“力箭一号”首飞时发射的几颗卫星。
这里面很多科学家的实验如果没有及时得到验证，科学成果的发布、科研项目的进度都会被推迟，所以我们都很着急，必须要在三年之内把这30多颗卫星打上太空。所以，我们需要一款能够发射这么多卫星的火箭。
我们第一个想到的就是大家比较熟悉的长征系列运载火箭，这一系列火箭是我们国民的骄傲。


这是长征运载火箭的族谱，其中头顶带个尖儿的长征二号F是我国的金牌火箭，把航天员送到空间站的火箭就是这一款。中间最胖的长征五号也叫“胖五”，把“嫦娥”发射到月球和把“天问”发射到火星时都用的这款火箭。
当时我们查完火箭的族谱，跟相关的负责人联系了之后发现了一个问题：这些火箭有的太大，有的太小。
“胖五”特别大，能装10多吨的货物，我们30多颗卫星加起来才2吨，装不满。有的火箭又特别小，像图中最右边和最左边的小型火箭，运载能力可能也就几百公斤。而有些正好的火箭，比如类似长征二号F这种的，它们有自己的任务，要负责发送航天员去空间站，排期很慢。所以我们很难找到一款合适的火箭，能及时把这30多颗包含科学家科研成果的卫星送到太空做实验。
怎么办呢？没有路，我们就自己修路。于是我们当时提出，要定制一款科学院自己的火箭。
这款火箭要有什么特点呢？首先，吨位要大。如果做出来很小，运载能力不够，那这30多颗卫星就打不上去。
其次，研究经费都很宝贵，更多要用到科学研究当中，所以我们的火箭成本要低。另外，作为中国科学院自己研制的火箭，科学院对我们团队的要求就是创新、智能。
所以我们火箭的定位就是这四个词：大吨位、低成本、智能化、创新性。而这四个词就决定了这款火箭设计难度之大。
哪种燃料最合适？已完成：20% //////////
燃料占火箭总重量的80%-90%以上，所以选择一款合适的燃料把火箭推上天空是我们首先要解决的问题。
火箭产生推力的主要原理就是，推进剂通过燃烧将化学能转化为动能，从而把火箭速度从0加速到第一宇宙速度。



燃烧效率最高的是氢气。氢气和氧气合理配比后，可以产生非常高效的能量。这就是氢气火箭的原理。后来，科学家提出可以把氢气和氧气液化后保存在储罐里，用的时候通过高压、高转速的泵抽到发动机里燃烧，从而产生很大的推力，这就是氢氧液体火箭。
长征五号就是用液氢液氧作为推进剂的。它是一款冰箭，因为氢气和氧气需要在大概零下200多度的低温环境下存储。


液体火箭有什么好处呢？液体可以流动到不同的推气室燃烧，还可以通过管路调节多次启动和重复使用，甚至能回收后通过燃料再次加注再次发射。
液体火箭的好处很多，但是因为它整个系统比较复杂，管路很多，发动机也很多，研制周期比较长，所以做起来难度比较大。



因为时间紧急，我们想先做一款固体火箭。固体火箭主要以固体作为燃料，包括硝酸钾、锌硫、黑火药等等。固体燃料的好处是易存储，因为固体燃料比较稳定，无需加注，发射之前就放在火箭里了。它的发射准备也比较短，不需要在发射前加注推进剂。而使液氢液氧长期保持低温很难，所以液体火箭一般都是在发射前进行加注的。
总的来说，固体火箭的好处是研制周期短、发射准备周期短。另外，由于系统比较简单，成本也比较低。所以，我们当时就选择研制一款固体火箭。
火箭其实是软的？已完成：30% //////////
解决了燃料的问题，一个新的问题又摆了在我们面前，那就是地面试验的问题。
地面的环境跟火箭飞行环境、太空的环境有很大的区别，火箭飞行要超越音速，要穿过稠密大气进入太空，进入微重力的环境，这些环境都需要在地面上模拟。如果模拟不充分，预设不准确，就有可能在飞行过程中发生故障。
火箭在飞行过程中由于外界大气的干扰会发生振动。就像我们开车的过程中车也在振动，只是因为车体比较短粗，刚性较大，所以大家感受不到。而火箭比较细长，所以飞行过程中的振动是很剧烈的。

▲火箭飞行模态
如图中这样，火箭飞行过程中有三种形态，而且在这三种形态中来回切换。火箭一般都是通过图中最左边的喷管产生推力并控制方向，随着火箭的运动，这个喷管也要摆动，因为它要使火箭保持一个稳定的姿态。如果火箭的振动和喷管的摆动互相耦合，达到同一个频率产生共振，火箭就有可能折断。所以为了避免共振，我们要抑制火箭由于外界气动干扰产生的振动。
我们的方法是模态试验，也叫弹性振动试验。就是在地面上要通过实验摸清楚火箭这个复杂细长体的频率或者结构特性到底是什么。

▲传统振动塔
传统的试验方法就是利用振动塔。实验人员把火箭放到振动塔里，用一根绳子吊起来，模拟火箭的自由边界。因为火箭飞行的过程中是没有支撑的。
这个塔又高又大、成本很高、整个系统也很复杂，如果要在塔里做试验，就要花很多钱。而我们的时间比较紧、周期短、也没有那么多经费，所以怎么办呢？


我们利用了几个架子，通过一个气垫和空气弹簧把火箭顶起来，这样就代替振动塔模拟了自由边界。这就是我们提出的空气弹簧水平支撑模态试验，解决了一个重要的问题。
火箭也能更智慧已完成：40% //////////
解决了模态实验问题之后，接下来要解决的是火箭的控制问题。
我们都用过电脑和手机，电脑和手机最初都很大，后来都越做越小，还集成了很多部件，功能更多。火箭也是一样，早期的火箭里面的单机设备有很多，像控制系统、测量系统等，加起来有三四十台设备，很重，每个设备也很贵,也需要做很多试验。


所以我们借鉴了手机、电脑的一些新技术，它们内部都类似于一个盒子，里面由不同的板卡组成。所以我们就提出来图中的标准综合电子设备架构，就是在同一个机箱里把不同的板卡插接组合，这样通过五台单机就把所有功能放在了火箭里面，大大减少了整个火箭的设备量。


我们还把一些重复的功能都集成在了一起，通过修改软件和板卡进行更新换代，使这个单机不但可以用在“力箭一号”、“力箭二号”，也可以用在“力箭十号”。这就是我们提出的软件定义火箭的概念。
解决了火箭的控制问题，下一个就是分离。
为什么火箭要有一个分离系统呢？因为根据经典的公式，单级火箭的运力是很小的，所以科学家们提出了多级接力。就是说一级的燃料燃烧完以后，它的壳子不能被带着接着飞，因为会产生多余的阻力，所以我们要把它抛掉。
这个过程就是火箭的分离。火箭整个舱段切开之后，还需要一个力给它推开。传统分离有两种方式。一种是弹簧，弹簧推力一般都比较小，但是系统简单。

▲传统反推火箭
一般火箭会再装一个小火箭，把小火箭点燃就可以通过反推力把下面燃烧完的舱段拉开，这是第二种反推分离方式。
但是这个小火箭有一个特点，它的燃烧产物很黑，还会产生尾焰。如果尾焰往回喷的话，火箭前面的一些设备比如高价值的卫星、光学镜头等可能会受到干扰。但是它的优点是推力很大，就可以快速分开两级，保证上面赶紧飞走。

▲冷气分离系统
我们将这两个方式的特点结合，做出了一个新型的气动分离系统，叫冷气推冲分离系统。就是通过一些管路把高压气体排出，用气体反推代替弹簧和小火箭，把火箭的舱段拉走。


这就是当时气体喷出时的样子，画面中间就是燃烧过的舱段，我们就需要把它推走。
解决了控制和分离，下面要讲火箭飞行的算法。火箭在飞行过程中是瞬息万变的，速度最高的时候会达到第一宇宙速度，每秒7公里。即使是平时我们开车控制方向盘，都不是所有人都反应得过来。那火箭这么快，要怎么去纠正火箭的姿态和轨迹呢？
我们只能预先装订很多算法软件在火箭大脑里，让它自己飞。但如果干扰较大，我们装订的算法不够准确或者克服不了这些干扰，火箭就有可能失利。

▲《阿波罗13号》
大家有没有看过一个美国电影《阿波罗13号》？阿波罗13号是美国航天局（NASA）把航天员送到月球登月再送返地球的一项任务。电影里，火箭刚发射不久，推进系统的贮罐就爆炸了，爆炸以后动力不足，航天员们就回不来了。于是地面工程师就经过反复演算，装订了一个新的轨迹给阿波罗13号，最终把航天员安全地送回来了。


在这部电影的启示下，我们提出来了一项在线规划轨迹的算法，把不同的轨迹装订到火箭大脑里，让它根据不同外界干扰自行计算不同的轨迹。
大家知道两点之间直线最短，最好的路径只有一条，但是我们可以装订不同的目标上去。如果这个不行，我们就换下一个，这就是智慧火箭的特点。
我们终于成功了！已完成：60% //////////
火箭的问题都解决了，接下来就要发射了。


▲欧洲织女星火箭塔架发射
在火箭发射之前，大家要做很多工作，比如要检查火箭，要提供很多点火装置等等，很复杂，所以一般采用塔架发射的方式。搭载神舟飞船的长征二号F火箭发射之前，都需要通过轨道也就是火车的铁轨做转运。
发射塔的优点是可以提供种类丰富的支撑，包括气体、液体、电线、电缆等等，对火箭很友好。但是它造价很贵，且生产周期很长，三年之内根本造不出来。
所以我们提出来一个新的想法，考虑能不能用一个车头拉着平板，在这个平板上通过一些液压装置把火箭顶起来，顶起来以后这个装置再回来，让火箭自己飞出去。


这种装置的好处是这个板可以被车拉着到处走，在哪儿都可以发射，整个造起来也简单，使用起来也灵活。但是“力箭一号”重达135吨，用什么装置能把135吨的东西顶起来呢？
我们当时做了很多工作，做液压又做冗余，因为不能让火箭被顶到一半之后又掉下来，必须要要用不同的方式保证它能可靠地竖起来。所以我们提出了快速无依托的水平起竖。


这是“力箭一号”第一次发射前，在厂房里，科研人员跟卫星做了一个合影。



这是我在发射前的照片，在火箭所有舱段总装对接之前，我去检查火箭的设备。当时我的心情非常忐忑，因为火箭的系统非常复杂，飞行是全自动的，软件也是提前装订好的。所有的东西是不是按照我们预先的想法准备就绪、有没有把所有工作做到位，这是我们要反复确认的一件事。

接下来我们先要把卫星放在火箭里，再把火箭吊装到刚才讲的水平起竖装置里。接下来我们转运火箭，转运的过程中要严格控制汽车行进的速度，因为如果开得太快，火箭中很多器件会受不了。把火箭送到发射点位附近之后，有个厂房提供保障。我们所有的小伙伴们、科学家们都很关爱这个火箭，特别给它造了一个厂房、造了很多检查设备。

接着同志们开始对火箭发射前做最后状态的确认，把电缆绑扎到可靠的状态，检查是否具备发射情况，还要检查电力系统、结构系统、卫星系统。到了发射当天，火箭点火以后都要靠自动飞行，所以科学家们需要做最终的状态确认。

检查完所有工作之后，我们的厂房通过轮子自动移动，把“力箭一号”的真容展现给大家，通过液压装置起竖到垂直状态。起竖到位以后，起竖架再摆回来，进入到最终发射状态。



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所有的工作做完以后，点火！加速火箭！

这里面要经历火箭的点火、分离、星箭分离、把非常宝贵的卫星们送到相应的位置。虽然已经过去了一年多，但我此时此刻看这个视频时的心情还是非常激动。



最后看到的这个大红屏是我们航天的特色，大家在新闻里常常看到。每次航天任务发射成功之后，就会在指挥大厅展示一个大红屏。拍摄这张照片时，所有人心里的石头才落地，因为我们发射成功了！经过这些年的努力，终于用我们的火箭把科学家们的卫星送上了太空，我们的任务完成了！
高兴只限时一个晚上已完成：80% //////////
那第一发任务完成之后，我们的工作是不是就结束了呢？
其实不是的。所有航天人都有一个特点：他们的愉悦、高兴只限时一个晚上。我们所有小伙伴们在庆祝完第一发成功、6颗卫星成功入轨以后，马上就要投入到第二发火箭的研制过程中。
这一发的任务更紧，因为我们要把26颗卫星送入预定轨道，这就需要给卫星“排好座”。
因为火箭在飞行过程中有气动加热，可以达到好几百摄氏度。另外也有很多外力、气动的压力，卫星被吹起来可能受不了。所以我们要用整流罩把卫星罩住，在这些约束下，留给卫星的空间也小、重量也有限。
怎么办呢？我相信在座的朋友们都堆过积木，大家堆积木时，会把积木尽可能往中间堆，让它更稳。火箭也是这样。火箭飞行过程中有一个持续的推力，如果不稳，就有可能使卫星来回晃动，卫星可能就散架了，所以我们要尽量让卫星靠中间集中。
但是集中又导致了一个新问题。到了预定位置之后，卫星还要散开。如果太集中了，就不好散开了，散开的过程中还有可能会使卫星发生碰撞。一旦碰撞，有些卫星的镜头可能就不能用了。所以我们既不能让它碰，又要让它稳。


于是我们提出来一种考虑分离安全性的布局，把卫星通过不同的角度错开，给它不同的时序。还在上面加一个大斜板，让它们在不同的位置布好座，有不同的分离时间，又做了很多地面的仿真分析、提前装配等工作，花费了很多时间和努力，最终实现了26颗星的布局。


这是“力箭一号”第二发成功发射的场景。我们用了十个月零十天，终于把总计超过1吨重量的26颗卫星送入轨道，这也打破了我国当时一箭多星的发射纪录，创造了一个新的纪录。
未来，普通人也能上太空？已完成：90% //////////
这两发火箭一共把32颗卫星送上太空，并帮助科学家们取得了一些科学成果。


举个生物实验的例子，这个实验是清华大学的一位老师研究在太空微重力环境下，肿瘤细胞是不是能够更好地被抑制、杀死。但因为火箭飞行过程中会产生很多制动环境，如果提前把细胞装上去，可能对生物活性有影响。所以我们设计了在轨用3D打印技术制造生物细胞，长期观察整个肿瘤的生物活性。这个实验搭载“力箭一号”第二发火箭升空之后，对肿瘤医学研究做出了贡献。

▲上：高能爆发探索者(HEBS)发现并精确测量迄今最亮的伽马射线暴左下：国产量子磁力仪首次空间应用并获得全球磁场图右下：46.5nm极紫外成像仪（LEIA）获得我国首幅太阳过渡区图像
其他的科学成果还包括极紫外成像仪（LEIA）获得首幅太阳过渡区图像等。


现在“力箭一号”可以做到年均10发，脉动式生产、航班化发射，后续会为全球更多的科学家提供全链条的搭载服务。
那未来我们还要做什么呢？


第一个，要做大吨位的液体火箭。一开始我提到，液体火箭可以把推进剂流动到不同的发动机中，通过发动机点火产生更大的推力。另外，液体火箭可以通过关机和调推力进行回收。相信在不久的将来，我们也可以把火箭收回来，把更大吨位的货物送到太空。


另外，我们要做太空旅行，把普通人送到太空。我们火箭的直径是3.35米，提供了4扇全景悬窗，一次可以搭载7名乘客，让大家体会美丽的太空风光。


video: https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&action=mpvideo&auto=0&vid=wxv_3389087332376494081
这是神舟十六号飞船从空间站分离以后，神舟十七号航天员拍摄的视频，以地球为背景。相信将来有太空旅游飞行器以后，所有人可以乘坐我们的飞行器，用自己的双眼体会这么美丽的风景。
用太空科技促进科学，服务大众、改变世界。这就是我们的目标。希望在不久的将来，太空的场景不仅出现在科幻电影里，也能出现在所有人的身边。
谢谢大家！
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