王悅寧
1970年4月24日,在酒泉衛星發射中心,一陣巨大的轟鳴聲打破夜晚的寂靜。緊接著,一枚長30米、直徑2.25米、起飛質量80噸的火箭,用熾熱的火焰劃破夜空,向南方深空飛去。
15分鐘后,我國第一顆人造衛星“東方紅一號”在太空中播放起優美動聽的樂曲——《東方紅》,以此宣告中國人的太空時代到來了。
載著“東方紅一號”進入太空的,正是我國第一枚運載火箭——“長征一號”。
提起“長征”這兩個字,很多人會想到80多年前紅軍二萬五千里的漫漫征途。其實,火箭的命名確實與紅軍長征有關。
1935年10月,毛主席率領紅軍越過岷山時,寫下一首七言律詩,表達了長征以來紅軍歷盡艱險、勇往直前的戰斗豪情。
紅軍不怕遠征難,萬水千山只等閑。
五嶺逶迤騰細浪,烏蒙磅礴走泥丸。
金沙水拍云崖暖,大渡橋橫鐵索寒。
更喜岷山千里雪,三軍過后盡開顏。
這首詩的名字就叫《七律·長征》。
在我國運載火箭設計之初,新成立的第七機械工業部第一研究院的同志們受毛主席詩中表達出的為實現革命理想不畏艱辛、頑強奮斗的精神所啟發,提出了將我國運載火箭命名為“長征”的想法,獲得了上級的批準。
“長征”之名,寓意我國的運載火箭事業會像紅軍長征一樣,克服一切艱難險阻,最終到達勝利的彼岸。

長征一號運載火箭的發展過程(圖片來源:中國運載火箭技術研究院)
長征一號運載火箭(代號CZ-1,以下簡稱長征一號)脫胎于1965年3月錢學森提出的“八年四彈”計劃中發展出來的東風-4中遠程導彈。長征一號在東風-4的基礎上,加裝了一枚用于入軌的固體燃料三級,并先后將“東方紅一號”衛星和“實踐一號”衛星成功送入預定軌道,實現了火箭與衛星從無到有的歷史性突破。
在此之后,我國開始對長征一號進行改進,以便能夠發射更重的有效載荷(航天器上裝載的儀器、設備、人員、試驗生物及試件等)。我國先后研制出長征一號A、長征一號B、長征一號C和長征一號D這四個改進型,但其中只有長征一號D投入使用,其余幾型由于各種原因并未繼續發展。
雖然長征一號解決了我國運載火箭從無到有的問題,但是要發射更重的有效載荷,例如重達1.8噸的返回式衛星,長征一號就有些力不從心了。
為了能夠發射更重的有效載荷,航天人就從“八年四彈”計劃中找出了剛剛發展成熟的、比東風-4中遠程導彈更粗更大的洲際彈道導彈——東風-5,以它為藍本,改進并發展出了長征二號。
最初的長征二號實際上與東風-5洲際彈道導彈并沒有太大的區別,只是把原來的有效載荷換成了衛星而已。但是隨著后續的改進,長征二號與東風-5的差異越來越大,逐步發展出長征二號C、長征二號D、長征二號E和長征二號F四個改進型。此外,長征三號和長征四號也是在長征二號的基礎上發展出來的。在長征五號出現之前,長征二號絕對是長征系列運載火箭中的核心型號。

長征二號系列運載火箭發展過程(圖片來源:中國運載火箭技術研究院)
到了20世紀80年代,為了擴大航天工業的對外貿易,我國開始嘗試讓長征運載火箭進入國際發射市場。在調研了國際發射市場后,我們發現我國已有的火箭運載能力不足,但又需要盡快給國外客戶交付符合需求的火箭。這可怎么辦?
想要提升火箭的運載能力,就要把火箭做得更大,但為了盡快推出新火箭,航天專家們只能在既有的火箭上下功夫。
要把既有的火箭做得更大,常用的方法就是在箭體直徑不變的基礎上,把燃料箱加長。燃料裝得越多,發動機就可以工作越久,那么火箭可以運載的有效載荷就越大。與此同時,火箭的總重也會增加,當燃料箱加長到一定程度時,現有的火箭發動機推力就不夠了。但重新設計推力更大的發動機又要花費不少時間。
說來也簡單,多裝幾個發動機不就可以了!但是既有的火箭箭體空間有限,裝不下太多發動機,于是專家們就想到在火箭側面捆上幾枚裝有發動機的小火箭!
于是長征二號E,也就是俗稱“長二捆”的運載火箭誕生了!
“長二捆”把長征二號C的一二級分別加長,并捆綁設置了4個助推器,將長征二號C原本只有兩三噸的近地軌道運載能力提升到了9.2噸,加裝了固體燃料上面級后更是可以將3噸的有效載荷送入同步轉移軌道。“長二捆”的推出,使我國順利地向國外的衛星制造商交出了合格的“作業”。
在“長二捆”的基礎上,進一步有針對性地提升可靠性和安全性,我們就得到了別稱“神箭”的長征二號F。它以100%的發射成功率將11艘神舟飛船、11名航天員和2個空間實驗室送入了太空,實現了我國千年來的載人飛天夢。
長征三號是我國最早采用液氧液氫作為推進劑的火箭,最初的長征三號僅僅是在長征二號C的上面加裝了一個2.25米直徑的液氧液氫燃料三級,體形纖細,運載能力一般,同步轉移軌道運載能力僅為1.6噸。盡管如此,長征三號還是成功完成了“東方紅二號”同步軌道通信衛星的發射任務。
然而隨著科學技術的進步和需求的提升,衛星越來越重,長征三號基本型已經難以將更重、更大的衛星送入同步轉移軌道,所以后來在長征三號基本型的基礎上,專家們加長了燃料箱,并且重新設計了一個3米直徑的三級,更換了性能更先進、推力更大的氫氧發動機——金牌火箭“長三甲”就此誕生。

長征三號系列運載火箭發展過程(圖片來源:中國運載火箭技術研究院)
“長三甲”系列運載火箭包含了三個子型號——長征三號A、長征三號B和長征三號C,其中長征三號A發展最早,總體上就是為長征三號基本型更換了一個性能更好的三級,同步轉移軌道運載能力達到了2.6噸。值得一提的是,2007年10月24日,長征三號A成功將我國第一顆探月衛星“嫦娥一號”發射升空,拉開了我國探月工程的序幕。
為了能夠實現“一箭多星”和更大質量同步衛星的發射,長征三號B在長征三號A箭體的基礎上捆綁了4個“長二捆”的助推器,使其同步轉移軌道運載能力達到了5.1噸,成為在長征五號出現之前我國運載能力最強的火箭。
長征三號B在1996年首次發射之后經歷了20多年的改進歷程,運用了大量的新技術、新方案,可靠性和運載能力均得到了提升,同步轉移軌道運載能力達到5.5噸。從2017年10月到2020年3月,長征三號B的25次發射任務全部成功,在嫦娥探月計劃和北斗導航系統的建設中立下了汗馬功勞,堪稱“勞模”。
當用長征三號B發射一些衛星運載能力綽綽有余的時候,為了避免浪費,我們還可以做“減法”,比如把從“長二捆”那里拿來的4個助推器還回去2個,只裝2個2.25米的助推器,就成了長征三號C。長征三號C3.8噸的同步轉移軌道運載能力剛好介于長征三號A和長征三號B之間,可以把長征三號A載不動或用長征三號B發射太浪費的衛星,更經濟、更實惠地發射到相應的軌道上。
20世紀70年代,周恩來總理感到發展航天事業的重要性與緊迫性,結合上海較為先進的工業水平,他提出“兩條腿走路”的戰略。受到周總理的鼓舞,上海市第二機電工業局開始研發風暴一號火箭。
風暴一號作為承擔我國首次“一箭三星”發射任務的火箭,是我國火箭家族中少有的不以“長征”命名的火箭之一,但實際上它與長征二號都是以東風-5洲際彈道導彈為藍本改進而來的。二者性能、結構和技術指標都非常相似,從某種意義上說,長征二號是北京版的“東風-5改”,風暴一號則是上海版的“東風-5改”。

長征四號系列運載火箭發展過程(圖片來源:中國運載火箭技術研究院)
風暴一號與長征二號最大的區別在于二級火箭發動機,風暴一號的二級發動機可靠性不是很好,導致發射任務多次失敗,后來便逐漸停止發展。
不過,風暴一號的技術成果并沒有被浪費,上海市第二機電工業局以風暴一號為基礎,成功研發了服役至今的長征四號系列和長征二號D運載火箭。
最初,長征四號其實是與長征三號競爭發展的一個項目。因為當時國內沒有研制液氧液氫燃料發動機的經驗,人們擔心火箭會拖慢同步轉移軌道衛星的發射進度,所以,上海市第二機電工業局受命研發長征四號以防萬一。后來,長征三號發展頗為順利,但作為第二方案的長征四號進度也很快,為了不浪費已有的成果,同時為了發射太陽同步軌道氣象衛星風云一號,航天專家們便將長征四號進一步改進為發射太陽同步軌道有效載荷的長征四號A,其太陽同步軌道運載能力達到2.5噸。
在此之后,長征四號系列發展成專門用于發射太陽同步軌道有效載荷的運載火箭,在長征四號A的基礎上發展出長征四號B和長征四號C兩種改進型火箭。長征四號B改進了二級發動機,采用了更大尺寸的整流罩,其太陽同步軌道運載能力達到了2.65噸;長征四號C為了進一步提升運載能力,在長征四號B的基礎上更換了可以二次啟動的三級發動機,太陽同步軌道運載能力大幅提升至3.1噸。
當然,長征四號系列發射高軌道衛星的“老本行”也沒有荒廢,2018年5月,長征四號C成功將鵲橋號地月中繼衛星發射入軌,完成了嫦娥四號探月任務中重要的一步。
20世紀90年代,隨著長征三號B等一系列火箭的首飛,中國火箭體系基本完善,但同時既有的長征火箭也暴露出一系列問題,包括燃料成本高昂且含有劇毒、火箭直徑偏小、型號偏多、型譜重疊等,例如尚在服役的長征二號C與長征二號D,二者的近地軌道運載能力近似,均為3噸~4噸,卻一直作為兩個獨立的型號存在,這就是一種浪費。
同時,隨著衛星小型化、微型化技術的發展,微小衛星因為制造成本低、研發速度快等優勢,在衛星領域異軍突起,成為一股不可小覷的力量。為了配合微小衛星的發射需求,發射成本低、運載能力適中的小型火箭成為新的發展目標。
另一方面,隨著中國載人航天工程的持續推進,未來的空間站以及其他大質量衛星的發射需求超出了當時“老長征”火箭的運載能力,研發新型火箭的需求越發急迫。到了2002年,為了解決“老長征”火箭的一系列問題,航天專家們提出“模塊化研制、積木式發展”的想法。也就是說,我們只需要研制各種模塊,然后用不同的模塊就可以組合出不同的火箭。在長征五號最初的設計方案中,專家們提出只需研制兩種發動機和三個模塊。三個模塊包括使用液氧液氫燃料的5米直徑火箭芯級、使用液氧煤油燃料的3.35米直徑模塊和同為液氧煤油燃料的2.25米直徑模塊。有了這三個模塊,航天專家們以直徑5米的芯級為核心,通過將3.35米和2.25米兩種直徑的助推器進行“搭積木”一般的組合搭配,就能夠變換出六種火箭構型,其運載能力覆蓋近地軌道10噸~25噸,同步轉移軌道6噸~14噸的范圍。

此后,長征五號 的設計方案幾經變革,直到2009年前后,長征五號系列中衍生出的小型、中型火箭分別獨立出去,形成了長征六號和長征七號兩個新系列。長征五號系列僅剩5米芯級直徑的大型火箭,同時為了避免運載能力重疊的情況,航天專家們只保留了最初六種構型中近地軌道與同步轉移軌道運載能力最大的兩種構型,也就是現在的長征五號和2020年5月份發射成功的長征五號B,其他運載能力范圍的發射任務由后來發展出的長征六號與長征七號承擔。
與長征五號承接重型發射任務不同,長征六號的目標是輕小有效載荷的發射,其最大太陽同步軌道運載能力只有1噸,滿足了微小衛星的發射需求。這種小型火箭發射便捷且成本較低。
長征七號最早其實是在長征二號F的基礎上進行改進的,其項目代號為長征二號F/H,“H”就是“換發”的意思,即把過去使用四氧化二氮-偏二甲肼劇毒燃料的YF-20系列發動機更換為長征五號項目中正在研制的性能更好、燃料無毒、成本較低的YF-100和YF-115型液氧煤油發動機。
與長征五號早期發展方案類似,長征七號也可以通過類似于搭積木的方式搭配不同的助推器與二、三級,形成不同的子型號,以發射多種不同重量等級的衛星。
為了方便區分之后有可能出現的更多火箭子型號,航天專家們重新將其命名為長征七號XYZ,其中X是級數,Y是助推器個數,Z是助推器類型。
此外,大家看到的火箭的命名還有一些有趣的規則。比如:使用固體燃料助推器的構型用S表示,液體燃料助推器無須特別標注;有上面級的構型名稱中要增加“/上面級”;芯二級采用氫氧發動機的構型,名字中要增加“(HO)”加以區分。所以,捆綁2個2.25米直徑的固體燃料助推器、芯二級采用氫氧發動機的二級構型就要命名為長征七號22S(HO)。除了長征五號、長征六號、長征七號之外,利用新型固體燃料彈道導彈技術改進的長征十一號、快舟系列運載火箭以其快速響應、快速發射的優越性,與同樣可以快速發射的長征六號挑起了近年來小衛星發射任務的大梁。

新時代長征系列運載火箭的發展過程(圖片來源:中國運載火箭技術研究院)
長征十一號的起飛質量僅為58噸,太陽同步軌道運載能力為400千克~700千克,它的最大的亮點在于其超短的發射準備時間,只需24小時就可以完成星箭技術準備和發射任務,實現衛星的快速組網和補網,可以滿足在發生突發事件時應急快速發射的需求。
從長征一號到長征十一號,中國航天事業歷經了50年的艱難長征。“實踐”“風云”“神舟”“ 北斗”“ 嫦娥”“ 天宮”“ 天舟”“悟空”“墨子”……這些“中國星”乘著長征系列運載火箭奔向太空,閃耀蒼穹。可以說,一代代“長征”火箭,正是一代代中國人艱苦奮斗、自力更生的縮影。經過50年的太空探索,“長征”又有了一個新的含義——突破群星間的距離將是一場更加遙遠艱險的長征,但我們依然對廣袤的宇宙心馳神往。
“待來日,去星辰大海,九天翱翔!”