（截圖來源于微博視頻）

12月27日晚20:45，寄托著“全村的希望”的中國大型運載火箭“長征五號”在海南文昌升空。點火剎那，耀眼的火光照亮了整片夜空，隨后“胖五”巨大的發動機轟鳴直接蓋過了隔岸觀測場地的哇聲一片，在數公里外都能感受到震動。

發射后175秒，助推器成功分離;發射后294秒，整流罩成功分離;發射后496秒，火箭一、二級成功分離;發射后501秒，二級成功一次點火;發射后774秒，二級成功一次關機;發射后1772秒，二級成功二次點火;發射后2146秒，二級成功二次關機;發射后2219秒，星箭分離成功，火箭搭載的“實踐二十號”衛星平臺成功入軌。至此，長五本次發射任務圓滿完成。

根據現場直播傳來的指揮中心大屏幕上的參數，衛星平臺入軌近地點高度192.793千米，遠地點高度68016.791千米，軌道傾角19.541°，堪稱完美。隨后，衛星平臺長達40米的太陽能帆板順利展開，當天全部任務取得圓滿成功。

后續在明年1月4日，衛星帆板將二次展開，1月6日定點在125E度的上空。

至此，中國終于很大程度上彌補了歷史欠賬，可以放眼展望未來。長五的成功發射，為2020年完成后續的火星探測、探月工程三期‘嫦娥五號’、載人空間站等重大項目打下來堅實的基礎。

“全村的希望”

早在1986年的“863計劃”中，大型運載火箭的研發制造就已提上議程。不過在之后十幾年間，中國航天業受困于起步太晚，一方面技術儲備不足，另一方面尚未形成大型火箭迫切需求，相關進展緩慢。

更重要的是沒錢。上世紀90年代，美國通過的“國際武器交易規則”使中國無法參與世界商業航天發射，使原本就缺錢的航天業雪上加霜，窘迫至一度有傳聞稱要解散航天部門。因此，相關研究工作也擱置了許久。

但在進入新世紀之后，隨著經濟發展，航天領域的資源逐漸恢復。同時，美、歐、日等玩家相繼提出新的大型火箭方案，國際競爭加劇。

更重要的是，我國的運載火箭需求也在升級。上世紀研發并長期擔綱主力的“長征二號”“長征三號”“長征四號”火箭家族，不僅技術落后，而且采用的都是昂貴且有毒的燃料，準備周期長，運力也不足，只能執行近地軌道(LEO)10噸以下的運載任務。

為了克服以上問題，長五的研發提上了日程。一開始的長五是一個模塊化設計的火箭系列，其中不同結構排列組合，衍生出小型、中型、大型，大型火箭又分成近地軌道專用型、地球同步轉移軌道專用型等。

最終，這些型號發展成了今天的“長征六號”“長征七號”“長征五號乙”長五。在此之中，長五尤為重要，它才是那個能夠負擔未來月球、火星乃至深空探索任務的大火箭。

按照國際慣例，為了求穩，航天新裝備的新技術比例都會壓縮在30%左右，但是長五一次性采用了90%的新技術。這種激進做法也導致了后面的研發并不順利。

作為長五的關鍵部分，大推力氫氧發動機YF-77的研發從2001年12月就已經開始。但根據官方記錄，該項目在2007年“遭遇了國內外罕見的重大技術障礙，先后四次試車結果不理想，直接影響到整個研制進展”。最終在2012年8月17日才實現全部技術突破。

隨后的2016年長五運載火箭首飛，雖然官宣成功，但過程實際上驚險重重。首先是發射過程一波三折，甚至在進入10秒倒計時后都被叫停，最終指揮中心下令發射時間延遲近3個小時。關注發射的航空愛好者都表示當時“驚出一身冷汗”。

其次，火箭發射之后的進展實際上并不完美。雖然當日宣布發射成功，但有航空愛好者從稍后的新聞報道中發現，火箭攜帶的“遠征二號”上面級工作時間比預定值多了60%，賦予的速度增量近乎設計值的3倍。這說明作為火箭主體的前2級結構并沒有完全將“實踐十七號”衛星送到預定軌道。

根據后續消息，當時實際上出現了火箭芯二級異常，載荷未能進入預定軌道，“遠征二號”延長了點火時間，才完成任務。

而次年的“長征五號遙二”發射，火箭出現了嚴重問題，導致任務失敗。研制階段就出狀況的2臺芯一級發動機YF-77，其中一臺渦輪排氣裝置在飛行346秒發生異常，發動機推力瞬時大幅下降，導致火箭最終墜入西太平洋。

糟糕的是，有消息稱，由于火箭攜帶的傳感器不足，故障原因未能第一時間傳回發射中心，火箭墜入深海后，想要回收檢查更是不可能的事。因此研究團隊用了很長時間才定位故障，做出改進。

結果，2018年10月30日，改進好的YF-77試車出現故障。“長征五號遙三”火箭發射推遲到今年年中。

隨后，今年4月4日，YF-77再爆出氧渦輪泵出現細小裂紋的問題，又要重新回爐。

在這2年中，由于多次事故和拖延，國內航天愛好者的耐心逐漸耗盡。外界一度傳出下馬長五，重新研發類似SpaceX“重型獵鷹”的火箭。甚至于，看到SpaceX的成就，還有人喊出解散航天“國家隊”，扶持國內民營航天的說法。

好在，昨天“全村的希望”完美實現，讓一切質疑煙消云散，中國航天的下一部計劃也得以順利推進。即將到來的2020年，和長五有關的航天看點有3項：

首先是中國空間站任務。根據此前的規劃，中國空間站任務將在2022年前后完成空間站在軌建造任務，而在明年，頭炮——“長征五號乙”火箭首飛——將打響。

其次是探月工程三期“嫦娥五號”任務。根據規劃，2020年，我國將用長五將重達8噸的“嫦娥五號”探測器直接送入地月轉移軌道，實現月面無人采樣返回。

最后是火星探測器任務。每隔26月出現1次的“火星沖日”天象是發射火星探測器的最佳窗口，因為火星與地球的距離會達到最小值，可以最快將探測器送往火星。按照計劃，我國將在2020年由長五搭載“火星一號”探測器升空，隨后探測器一次性完成環繞、著陸和巡視探測任務。

領先之中仍有不足

可能對于大多數普通吃瓜人來說，關于長五，他們最關心的問題應該是“比起其他國家的火箭怎么樣”。關于運載火箭的水平，可以從2方面分析，分別是能力和技術。

先看能力。火箭說到底只有1個作用：載貨。 看一枚火箭能力強不強，主要看它的運載能力強不強。

這里簡單科普一下，在許多關于航天器，尤其是衛星的報道中，常常會看到LEO、MEO、GEO之類的英文字母，這些指的都是航天器的運作軌道：

LEO指的是低地軌道/近地軌道，軌道高度在距地球2000公里以下;

GTO是地球同步轉移軌道，這是一種橢圓形軌道，近地點距地球不到1000公里，遠地點為月36000公里，也就是地球同步軌道的高度。同步衛星都是從這條軌道運動至遠地點，再用自身動力變軌至地球同步軌道;

再上面是地球同步軌道，軌道高度約為36000公里，其中又分為地球靜止軌道(GEO)、傾斜地球同步軌道(IGSO)、極地軌道同步軌道，又叫太陽同步軌道(SSO)。

按照行業慣例，比較火箭運載能力通常采用LEO運載能力和GTO運載能力2個指標。

根據航天機構官方指標，長五系列火箭的LEO運載能力為25噸，較此前最強的“長征七號”提高了11.5噸;GTO運載能力為14噸，較長七提高了7噸。那么，長五在國際上是什么水平呢?

目前長五對標的全球大型火箭包括美國的“德爾塔-4”(Delta IV)、“宇宙神-5”(Atlas-V)、“獵鷹9號”(Falcon 9)，俄羅斯的“質子M”(Proton-M)，歐空局的“阿里亞娜-5”(Ariane 5)，日本的H2B。為了直觀，前瞻經濟學人將各種火箭的指標做成表格如下：

可以看到，長五已經妥妥的超過了俄羅斯、歐洲和日本的火箭，僅僅在LEO運載能力上比美國的“德爾塔-4”差一點。這么說。它應該是全世界第2了?

并不是。

在這些LEO運載能力20噸級的火箭之上，還有一個高端玩家，那就是SpaceX的“重型獵鷹”(Falcon Heavy)火箭，其一次性版本LEO運載能力達到驚人的63.8噸，GTO運載能力是同樣驚人的26.7噸，當之無愧的全球第1。

所以從運載能力上看，長五是當前排在世界第3的火箭。

那么， 從技術上看，長五又如何呢?

基本上，看火箭的技術如何，主要是看火箭發動機的技術，這個問題又可以從技術指標和技術方向上看。遺憾的是，無論是哪一點，長五都并不領先，而且處在較后面的位置。

首先，運載火箭有兩大技術指標——推力和比沖。

火箭起飛階段，萬有引力與速度相反，引力的作用是減速，這時候推力必須大于自身重力。這時候推力顯然更重要。入軌后，萬有引力提供向心力，引力的作用是改變速度方向。推力不必大于自身重力，這時候決定最終速度的比沖更加重要。

以上文提到的各國大型運載火箭為例：

“宇宙神-5”火箭發動機：RD-180液氧煤油發動機，真空最大推力4320千牛，真空比沖337.8秒;

“質子M”火箭發動機：RD-253液氧煤油發動機，真空最大推力1830千牛，真空比沖316秒;

“德爾塔-4”火箭發動機：RD-68氫氧發動機，真空最大推力3445千牛，真空比沖409秒;

“阿里亞娜-5”火箭發動機：Vulcain 2氫氧發動機，真空最大推力1340千牛，真空比沖431秒;

HIIB發動機：LE-7A氫氧發動機，最大推力1098千牛，真空比沖442秒。

而作為長五的芯一級發動機，YF-77氫氧發動機的真空最大推力僅為673千牛，真空比沖僅428秒，是全球氫氧機里面表現最差的。

接下來說說技術方向，這里又能區分成燃料和循環方式來說。

關于燃料，在前述幾型發動機中可以看到“液氧煤油發動機”和“氫氧發動機”的說法，這實際上就是在說火箭發動機的燃料，其中“氫氧”是“液氫液氧”的簡稱，而這2類發動機也是當前的主流方向之一。除此以外還有落后的四氧化二氮加肼類燃料的發動機，這種便是前幾代長征火箭采用的路線，目前在全球已經逐漸淘汰。

從技術的先進程度上說，液氫液氧無疑是最先進的。在所有燃料物質中，氫的分子量最小，而氫氧燃燒的熱值很高，所以在所有發動機種類中，氫氧機的比沖是最高的。比沖高的意思是，火箭增加同樣的速度，氫氧機需要攜帶的燃料最小，火箭最輕。

其次，氫氧燃燒的產物只有熱、水和電，一方面非常環保，另一方面，它的產物非常干凈，不用擔心因為燃燒不干凈，產生一些固體小顆粒，堵塞發動機管線之類的問題。

但是氫氧機也有其難以忽視的缺點。首先，氫的沸點極低，要將其作為燃料儲存、加注到火箭內，必須降到非常低的溫度，例如長五上的液氫溫度為-253℃。為了保證溫度，液氫燃料只能在發射前很短時間注入火箭，同時還需要給燃料箱增加保溫設備。氫氧燃料的液氧溫度為-183℃，和液氫有70℃的溫差，二者之間還需隔熱設備。

其次，液氫的密度非常小，只有每立方米70千克，是水的7%，就要巨大的儲存空間。

此外，氫氧的特性對發動機的核心部件——渦輪泵構成了巨大壓力，氫的密度態度，氧泵轉速要求高，需要多級泵才能得到需要的燃燒室壓力。而渦輪泵本身造成了發動機成本的絕大部分，這么一搞，發動機成本又要提升。

由于液氫的問題難以解決，近年來，液氧煤油發動機又有了復興之勢。相較于氫氧機，盡管液氧煤油的比沖沒那么高，但是勝在發動機設計和制造更容易，燃料存儲更方便，整體性價比高得多。

液氧煤油的缺點在于，煤油燃燒后會出現積碳現象。美國就是因為在研制過程中炸了好幾次機，后續放棄了煤油發動機的發展。而蘇聯得益于巴庫油田的優質低硫煤油，在煤油發動機的研發上順利推進，當前俄羅斯的煤油發動機技術仍然冠絕全球。

在這2個方向上，我國均有技術儲備，例如YF-77發動機就是氫氧機，而長五那4個巨大的助推器，就是采用液氧煤油的YF-100發動機。

遺憾的是，這2個方向雖然是主流方案中最先進的，但并不是最能代表未來的，目前公認的最有前景的燃料技術是液氧甲烷。去年9月，美國聯合發射聯盟選中藍色起源的BE-4 發動機作為下一代火神(Vulcan)火箭將采用的發動機。BE-4就是液氧甲烷發動機。同時，SpaceX下一代火箭BFR的猛禽發動機也選了液氧甲烷組合。

液氧甲烷可以說完全融合了液氧煤油和液氫液氧的優點。第1，它的比沖高于液氧煤油;第2，它不會積碳結焦;第3，液氧(-182)和甲烷(-162)的沸點非常接近，存儲容易;第4，甲烷的分子量為16，遠高于氫的2，密度大很多;第5，設計難度低，可沿用液氧煤油發動機的設計;第6，甲烷的制備難度低，而且在外星球非常常見，可以得到補充。

總體而言，液氧甲烷是一種非常優秀的燃料選擇。今年7月，我國民營火箭企業藍箭航天航天研發的80噸液氧甲烷發動機“天鵲”TQ-12圓滿完成100%推力試車，但是這只是初步的100秒試車，其推力也和國外產品相差較大。

再看看循環方式，目前主流的液體燃料發動機循環方式有燃氣發生器循環和分級燃燒循環2種，又叫開式循環和閉式循環。

前者是傳統的循環方式，利用燃氣發生器產生的燃氣驅動渦輪泵，運送推進劑。由于燃氣在推動渦輪泵后就變成廢氣排出，并沒有得到充分利用，且部分燃料不產生推力，導致性能較低。

分級燃燒循環又叫補燃循環。它實際上是給燃氣發生器循環增加了一個補燃環節。當燃氣發生器的廢棄驅動渦輪泵后，并不直接排出，而是輸入燃燒室進行補燃。由于推進劑利用更充分，因此分級燃燒循環的發動機比沖一般較高。

還有一種全部燃料都進入燃氣發生器的分級燃燒循環，被稱為全流量分級燃燒循環。全流量分級燃燒循環的渦輪燃氣流量很大，因此達到同樣的渦輪泵功率，渦輪前溫度更低，渦輪體積也可以更小，可以降低渦輪泵的技術難度。

在長五上，主發YF-77采用的就是比較落后的燃氣發生器循環。

因此，總體來看，長五在能力上是世界首屈一指的大型運載火箭，但在關鍵技術上還沒有達到領先水平。考慮到中國航天起步基礎低，又一直存在資金不足的狀況，YF-77更大意義上是補了過去的“欠賬”。真正要實現技術追趕甚至趕超，還有很長的路要走。