洞穴之外|中国的火箭多吗？
文摘
科技互联网
2023-12-13 09:00
北京
公众号：理念世界的影子
文不可无观点，观点不可无论据。
转载请注明出处
![]()
这两天航天科技集团官方表态对标SpaceX大而不强，离航天领域率先实现强国目标还相去甚远。也有一些自媒体文章在解读，具体没细看，因为这两天在看这本书：《爆笑吧！上古诸神来了：一方山海中的神话故事》，系统性地把中国上古神话梳理出了脉络，把一连串散点故事整合起来了，真的太好看了。在故事中还能感受到，慢慢时间长河中福祸相依，反者道之动。正如当我们得意厉害了我的国时，马上就被卡脖子，也许我们大大方方承认比不上别人而奋进时，反而可能打开另一片天地。濒临灭国的沃王国将两座宝山献给西王母，在其帮助下赢得了战争胜利；为了绑定西王母他们穷极整个沃野的珍宝来点缀两座宝山，西王母也帮沃王国在沃野称霸；后来共工搬走两座宝山，西王母远走西昆仑，沃民国失去保护被推翻毁灭；几十万沃民国找到西王母时仅剩两千人，西王母为他们新建白玉京；经历大难后沃王国央求西王母将白玉京变成一个永恒不朽的国度，西王母找到了不死药药方但极度耗费资源，彻底掏空了西王母家底，也因为抢资源把其它神明得罪遍了；西王母将不死药推销，获得了很多礼物暂时化解财政危机，后来又进行限量营销，反而获得巨额财富，成为大荒的顶级势力。
扯远了，说说我们的长征火箭，只说长征，不说其它的。长征，Long March，漫长的征途。航天事业不是一朝一夕之功，本身就是漫长的征途。火箭飞行，少则千里，多则万里、十万里，其飞行也要走过漫长的征程。长征还有良好的寓意，它是人类历史上罕见的不畏艰难险阻的远征，长征是宣言书，长征是宣传队，长征是播种机，正是长征火箭播下了中国航天的种子。最后，长征是胜利的，也寓意着长征火箭也会胜利，特别好的寓意。长征火箭一直在胜利，而且家族越来越壮大，如果不考虑SMA和远征等上面级状态，现役有16款，因为部分运力存在重合，因此也有领导专家说火箭太多了。现役：CZ-2C、CZ-2F、CZ-3A、CZ-3B、CZ-3C、CZ-5、CZ-5B、CZ-7、CZ-7A、CZ-8、CZ-11、CZ-2D、CZ-4B、CZ-4C、CZ-6、CZ-6A![]()
中国的火箭多吗？如果我们对标的是美国，可以和美国比一下。
先说CZ-2C，长征系列的老祖宗，对标大力神导弹或大力神2SLV。1955年开始研制的大力神1导弹是美国第一代洲际弹道导弹，但它采用液氧/煤油推进剂，发射前准备时间长，很快就被常温有毒推进剂的大力神2导弹替代。大力神2导弹于1962年首飞，至1988年退役，共进行了81次飞行。而大力神2导弹弹改箭的就是大力神2SLV火箭。
| CZ-2C | 大力神2SLV |
构型 | 二级(N2O4/UDMH) | 二级(N2O4/混肼50) |
直径(m) | 3.35 | 3.05 |
起飞重量(t) | 245 | 155 |
运载能力(t) | 3.85 (200km, 63°) | 3.175 (185km, 28.6°) |
一级推力(t) | 4x75 | 2x98 |
二级推力(t) | 1x75+4x1.2 | 1x45 |
- 总体构型上，一二级采用一个直径系列，一种类型发动机。大力神2SLV二级发动机LR-91-AJ7基本上是按比例缩小的一级LR-87-AJ-7发动机，而CZ-2C二级主机和一级就更几乎相同了。同一种类型发动机的使用大幅简化了研制和批产成本，从设计源头保证了低成本。中国将这种设计理念发挥到极致的是CZ-2F，一级、助推和二级主机共9台发动机均基本相同，美国的猎鹰9同样是这样。
- 分离设计上，一二级均采用热分离，大力神2通过在壳段上开排焰窗口来排出气体，CZ-2C采用了更容易排气的杆系。由于杆系抗扭性能差一些，到了CZ-2E，又改成了排焰窗口，并继承到了CZ-2F上，但其它的CZ-2和CZ-3系列仍沿用杆系结构。
- 增压系统上，大力神2和CZ-2C一二级氧箱均采用氧化剂自生增压，燃箱采用燃气降温增压方案。
- 结构材料上，大力神贮箱采用2A14铝铜合金，CZ-2C也在中国首次采用了2A14铝铜合金。说首次是因为CZ-1采用的是5A06铝镁合金，这个贮箱结构后来被CZ-2E/F和CZ-3B/C借用作为助推器。
- 直径差异，大力神2是3.05m，1英寸为2.54cm，因此3.05m是120英寸，或10英尺，在英制单位中是个整数，可以理解。CZ-2C直径稍大一些。
- 发动机差异，大力神2一级为双机双摆，CZ-2C为四机单摆。总体比起来，CZ-2C比大力神2的性能差一些，也就是两款火箭及其原型技术指标差不多，但CZ-2C基于自己能力考虑增加了一些起飞重量，关于这点在后面类比中可以一次次看到。
- 大力神2二级采用发动机涡轮废弃作为滚控能源，CZ-2C采用二级4台游机。俯仰和偏航控制一直是火箭控制的核心，而滚控控制力不用太大但又需要，大力神2的二级、猎鹰9的二级都采用涡轮废弃滚控，国内CZ-2C采用游机，有型号采用一套独立的滚动控制系统；根据百度百科，CZ-6早期采方案用一套4x1000N过氧化氢/煤油辅助动力系统用于滚控，后来飞行的构型则采用了高压补燃发动机燃气滚控技术。
总体看来，CZ-2C与大力神2比较相近，可以认为是类似型号，CZ-2D与CZ-2C类似，也可以认为是类似型号。关于CZ-2D溯源，参考百度百科，1969年8月14日，国务院总理周恩来指示：上海不仅可以搞导弹，也可以搞火箭和卫星，还可以搞洲际导弹。根据周总理的指示精神，同年10月31日，中共中央、国务院、中央军委向上海下达了“701工程”任务，任务中主要包括由上海抓总研制火箭和卫星。1975年3月31日，中国将发展卫星通信工程正式列入国家计划，并命名为“331工程”。“331工程”以长征三号火箭为主，并由当时的上海航天局研制一型常温推进剂三级运载火箭作为备份方案，命名为“新长征三号”。随后更名为长征四号。1990年，取CZ-4火箭一二级研制了CZ-2D火箭。因此，抛开一些历史过程，可以大致认为CZ-2D和CZ-2C类似，CZ-3A和CZ-4则是它们的低温和常温三子级版本。CZ-4B和CZ-4C的技术差异也不是很大，CZ-4B为三级一次启动版本，CZ-4C为三级二次启动版本。因为二次启动的引入，600km SSO轨道运载运力由2.65t提升到了3.1t。在运载火箭大全中详细说明了两者的技术状态差异，包括箭体结构、推进系统、控制系统和其它系统。总体说来，两个型号差异并不大。![]()
大力神火箭也有氢氧上面级状态，这就是大力神3E，由大力神捆绑构型加半人马上面级组成，这个不好与CZ-3A类比，可以与CZ-3B类比。大力神3A是大力神2加常温推进剂上面级构成，大力神3B是另外一种常温推进剂上面级阿金纳，到了大力神3C，则是大力神3A增加了两枚固体助推器组成。每个助推器装药量192t，推力高达500t。在超大固体助推的助力下，185km圆轨道能力提升到13.4t。也就是至此，长征系列捆绑路线和大力神火箭逐渐分道扬镳，一个是小型液体捆绑，一个是超大型固体捆绑。美国一直没有捆绑小液体火箭的传统，要么就是捆很多很多小固体，要么就是两个超大固体，要么就是CBC（通用芯级）构型。- 小固体如大力神2S，是大力神2SLV捆绑2～10枚不等的直径1m推力50t的固体火箭，或者宇宙神5捆绑1～5枚直径1.55m，推力140t的固体，或者德尔塔2捆绑3～9个不等的直径1m左右固体助推器，反正小固体火箭价格便宜量又足，想捆几枚捆几枚。
- CBC构型如德尔塔4H、宇宙神5重型，以及猎鹰重型等。
![]()
相比之下，液体大芯级捆液体小助推俄罗斯用的比较多，如最早的联盟号系列，以及能源号。因此，CZ-2和CZ-3系列带小液体助推的，美国真没有这样的构型，所以就用固体助推器简单类比吧。也许你会说，大力神3E的GTO没有拉开梯度呀。商业大力神3的助推和一二级与大力神3D类似，通过使用不同的上面级来区分梯度。同时，当时也还有德尔塔、宇宙神等众多火箭。
最后，让我们来看看大力神家族型谱，其芯级均为3.05m直径有毒推进剂系列，CZ-2C/2D/2F，CZ-3A/B/C，CZ-4B/C基本可以与之类比，而大力神系列型号只多不少。![]()
再说新一代火箭，国内首飞顺序是CZ-6、CZ-7、CZ-5、CZ-7A、CZ-8、CZ-6A。CZ-6为高压补燃发动机YF-100和YF-115的首次验证，CZ-7为更大规模验证，CZ-5则是大型氢氧的大规模验证，CZ-8是CZ-7和CZ-3A三子级的结合，CZ-6A则首开国内固体捆绑助推的先河。新一代火箭是我国首次脱离战略导弹体系研制的火箭，拉开了航天强国建设的序幕。比较时，我们稍微换个顺序，先比较CZ-8的光杆构型，它和美国一个型号非常类似，这就是宇宙神3A，宇宙神3A一子级使用购自俄罗斯的RD-180发动机，二级使用RL10A发动机，起飞规模不大，GTO能力却高达4吨。CZ-6火箭比较小，也姑且对应到宇宙神3A。注：由于CZ-8在运载火箭大全上没有数据，这里用了百度百科等互联网数据，其它新一代火箭均相同。![]()
宇宙神火箭是以宇宙神导弹为基础发展起来的，最早芯级直径都是3.05m系列，与大力神相同。宇宙神一直是液氧煤油推进剂，最早大力神1也是液氧煤油推进剂，后来改成了常温有毒推进剂，而宇宙神则一直保留了液氧煤油推进剂。最初的B、D、E、F、G、H和宇宙神1等系列使用的是MA-3发动机，包括2台各75t的LR-89-NA5助推发动机、1台25t的LR-105-NA5主机，以及2台各4.5吨的游机，配置比较复杂，分离时，助推发动机被单独甩掉，说单独是因为发动机都是挂到一个子级贮箱上的。到了宇宙神2，取消了游机，但仍有主机和助推发动机。到了宇宙神3，则采用了美俄联合投资研发的RD-180高压补燃发动机，比冲一下从263s提高到了311s，提高了近50s。该款发动机一直用到了宇宙神5，可能是发动机推力惊人，3.05m直径委实配不上它，因此宇宙神5芯级直径增长到了3.81m，也即12.5英尺。- 宇宙神5采用RD-180发动机，为两喷管共泵发动机，推力390吨，它适配直径3.81m的芯级。
- RD-180为RD-170衍生而来，RD-170为四喷管共泵发动机，推力740吨，它适配的是3.9m直径的天顶号火箭。
- RD-190为RD-170的单喷管版本，推力200吨，它适配的是2.9m直径的安加拉火箭芯级。
CZ-7/7A和CZ-8运力比CZ-8光杆大，见下表。拿宇宙神3A与之相比就力有不逮了。由于芯级直径不大，发动机又很强悍，宇宙神3没有助推器，到宇宙神5直径增大后，开始增加了小固体助推和CBC的宇宙神5重型。美国没有小液体助推传统，此外，美国也没有太多液氧煤油高压补燃发动机传统，因此宇宙神1/2/3/5系列全部用的半人马座氢氧发动机。宇宙神5系列构型见下表，可简单按运力大小，将CZ-7/7A和CZ-8与之类比，这里就不一一比较了。
![]()
注：三个数值分别为整流罩直径、固体助推数量、三级发动机台数。![]()
CZ-6、CZ-7和CZ-8系列基础级为液氧煤油系列，而5m直径氢氧大芯级的CZ-5系列在美国没有对应物，因为首先美国没有小液体助推器的传统，其次美国也没有煤油高压补燃发动机的传统，CZ-5构型真正接近的是俄罗斯的能源号火箭，能源号火箭起飞重量2220吨，LEO运载能力100t，芯级7.75m直径4台200吨氢氧发动机，4个助推分别3.9m直径，1台800吨推力RD-170高压补燃液氧煤油发动机，CZ-5就是一个缩小版能源号。美国构型都不太一样，但可以拿德尔塔4H与之相比。先说德尔塔系列，德尔它系列火箭是在雷神中程导弹基础上发展起来的运载火箭，它的123系列都是2.44m液氧煤油芯级。德尔塔2系列以密集非对称助推著称，直到2018年7420发射后退役。本号在《洞穴之外|中国的火箭贵吗？》一篇中讲到铱星计划，其中用到的一款火箭就是德尔塔7920。作为美国的功勋火箭，德尔塔2系列发射过GPS卫星、铱星、各种科学实验和深空探测卫星。![]()
注：四个数字中，7代表GEM-40固体助推，第二个为助推器个数，第四个代表不同三子级，0为没有。到了德尔塔4，火箭换成了5.08m直径（300英寸）的氢氧芯级，发动机推力295吨，德尔塔4H采用CBC构型，起飞重量730吨，LEO能力22吨，GTO能力12.8t，CZ-5与之非常接近。![]()
至此，长征液体火箭系列基本已经完成对标，还有一款固体火箭，CZ-11。美国与之类似的火箭是米诺陶1火箭，源自民兵火箭。![]()
![]()
流水账一样的火箭比较就到这儿了，谈谈笔者的体会。中国火箭并不多，与美俄相比都不多。有人说多，表面原因包括：- 型号过于细分。如CZ-4B和CZ-4C，分别对应三级一次启动和三级二次启动版本，两者相差并不大，完全可以纳入一个型号序列。这个可能和立项有关，一个型号立项就会匹配相应资源，因此愿意细分出更多型号代号。对于商业火箭不会存在这种现象，譬如CZ-8 Y1和Y2，前者为两助推构型，后者为光杆构型，但均采用同一个CZ-8代号。
- 型号重复建设。如CZ-2C和CZ-2D，两者师出同源非常接近，这有其历史原因。但现在看起来不一定是坏事，两型号相互竞争技术上还总在进步。此外还有CZ-8和CZ-6A，分别为不同机构立项研制，也一直遭人诟病，认为是典型的重复建设浪费资源。但从美国历史看，上世纪50年代，美国空军的施里弗（后任空军上将）曾打破将宇宙神的主要合同给予单一公司的常规，进行了“平行发展”的尝试，鼓励承包商之间竞争以使双方加速发展。批评家形容这种方法是浪费地复制，但事实证明，平行发展扩大了有资格参与未来项目的公司的数目，从而剌激这一行业的发展。类比一下，今天中国航天的飞速发展，与一、八院多年竞争也不无关系。
以上是表层原因。今天，SpaceX公司用猎鹰9号一型火箭承接从LEO到GTO各种任务，并在大力开展SuperHeavy和Starship研制。如果仅仅与猎鹰9相比，长征系列型号好像又显得太多了。因为型号研制是一个先散然后聚的过程，这可能是一个普适规律。就像手机网络，从2G走到5G，之前有GSM、CDMA和小灵通等不同制式，不同手机、不同运营商的卡都无法通用，而到了4G时就统型到了FDD和TDD两种模式，各中手机、不同运营商都可以通用。长征系列用很少的几种构型，就走过了美国几十种构型走过的道路。今天，我们在航天投入的增量上，与美国仍相差甚远，更遑论存量了。自然从来不飞跃，这个世界上，没有什么东西是可以轻轻松松获得的。今天，航天科技集团说对标SpaceX大而不强，现实的根源是历史，人类的历史，就是一个不断地从必然王国向自由王国发展的历史，与SpaceX相比其实是在与美国航天发展史相比，长征系列仍处在由散到聚的过程中，突破这个过程依赖于量和质两个要素。- 量上，美国研制了大量的火箭、模块和发动机，在今天，美国如想新研任何一款火箭，大推力液体/固体火箭发动机、大直径贮箱等，一应俱全，技术上的底蕴比起我们要强太多太多。也就是，今天美国的火箭研制早已经进入了组合期，而不是研制期，就像我国在CZ-5、CZ-7研制早期步履蹒跚，而现在研制CZ-8系列则相对简单很多。
- 质上，美国经过多年研制，火箭性能已经极尽优化。从前面对比可以看出，运载能力指标相同的火箭，美国火箭的起飞重量都比国内轻不少。当各火箭性能都不优时，各有优缺点，自然允许存在多型火箭。型号聚聚散散，当有一款火箭结合了所有的优点时，其它火箭的生存空间就越来越低了，最后就会达到聚这个结果。今天国内除了长征火箭，由于商业火箭存在，型号一下子更多了，毋庸置疑这些火箭的运载效率等性能比长征火箭差的不是一点半点儿，但它们的存在是增进了散这个过程的。因为一个人，只有把该看的都看了，该经历的都经历了，才能成为第一流的人；一个国家，也只有把该看的都看了，该经历的都经历了，才能成为第一流的国家。
今天认为我国火箭型号太多希望计划统筹，出发点毋庸置疑是为了国家利益着想，但计划未必能带来真正的繁荣。从无到有是重，从有到多是大。在重的过程中扩散变成大，各种大组合寻优变成更重，达到又重又大，才是真的强。也许创造更多的基础设施，让所有人都可以跑上来，在变大的过程中变强，才能变成真正的航天强国。在开篇我说喜欢长征这个名字，中国火箭长期以来仅有长征一个命名，或者是CZ-3A/3B/3C等具体代号，而类比美国，有宇宙神、大力神、德尔塔、米诺陶、土星、航天飞机等系列，其下又有细分代号，即长征火箭命名中缺少一个层级。- CZ-2/CZ-3/CZ-4合并为一个系列，姑且称为“五岭”系列，对应美国大力神系列；
- CZ-7/CZ-6/CZ-8一个系列，姑且称为“金沙”系列，对应美国宇宙神系列；
- CZ-5，姑且称为“大渡河”系列，对应美国德尔塔系列；
- CZ-11，姑且称为“乌蒙”系列，对应美国米诺陶系列；
- 远征上面级，姑且称为“远征”，对应美国阿金纳上面级；
- 氢氧三子级，姑且称为“岷山”，对应美国半人马上面级。
我曾惊叹于美国层出不穷的火箭：当大力神卸下了穿越冰火的盔甲被封印，宇宙神用双肩支起了苍天，当北欧的雷神加入了三角洲特种部队，不惊防闯入了邻家的猎鹰，但与之相比，我们更惊叹于太空梭划过天际，奏响了行星组曲。1）大力神(Titan)是希腊神话中被宙斯为首的奥林匹斯神族推翻并取代，曾是美国装备服役的液体战略导弹，后改造为“双子座”计划运载火箭用于载人发射，2005年退役；2）宇宙神(Atlas)是希腊神话中的擎天巨神，曾作为导弹发展开创了增压式贮箱先河，现宇宙神5为联合发射联盟主力火箭之一；3）雷神(Thor)是北欧神话中的雷霆与力量之神，德尔塔(Delta)也是美三角洲特种部队的称呼，德尔塔系列火箭是在雷神中程导弹基础上发展起来的火箭，现在德尔塔4为联合发射联盟主力火箭之一；4）法尔肯(Falcon)意思为猎鹰，是商业航天SpaceX主力火箭；5）太空梭(Space Shuttle)，也称为航天飞机，现代工程皇冠上的明珠，后因两次事故和高昂的维护成本，于2011年退役；6）土星V(Saturn V)，美国载人登月火箭。霍尔斯特的行星组曲中，第五乐章是组曲中最精彩的篇章之一，这里，有对人生的思考，也有美好的回顾。正如土星V，是美苏争霸产物，从预算上达到了美国航天上前无古人后无来者的顶峰。2）五岭对应CZ-2/3/4系列，其源自东风五号导弹，属于五号的山头，简称五岭。它绵延不绝地开启了中国50年火箭之路，正对应逶迤两字；3）乌蒙对应CZ-11，其源自大固体导弹，气势磅礴，但与其它长征火箭相比个头上又是小弟弟，如同脚下滚过的泥丸；4）金沙对应CZ-7/CZ-6/CZ-8系列，CZ-7代号为7，研制历时7年，如同长征路上曾在7天7夜时间里，7条船载运着3万红军巧渡金沙江；5）大渡河对应CZ-5，CZ-5是国内最大的火箭，同时红军强渡大渡河发生在1935年5月25日，5月代表CZ-5，25日代表其25吨LEO运载能力；6）岷山对应氢氧三子级，液氢沸点极低，正如千里雪暗含的冷，正是氢氧三子级，引领我们走向深空，让我们尽开颜。纵观人类火箭的发展史，V-2是诗经，开历史先河；北美纳瓦霍是楚辞，玄幻，并在今天语言的血脉中留存；土星V是唐诗，人类豪情的黄金时代，至今读来仍血脉喷张；航天飞机是宋词，既有豪迈，也有省成本的婉约初衷；宇宙神V和德尔塔4是元曲，落下ULA联手这样的狗血剧情；全民科普小王子Falcon当之无愧白话文先锋；而长征从筚路蓝缕中走来，承载了中华民族千年的智慧和厚重的历史，厚积薄发，终将取得胜利。
![]()
微信扫一扫
关注“理念世界的影子”
版权声明：本文是"洞穴之外"作者原创文章，欢迎转载，须署名并注明来自“理念世界的影子”公众号。
