【文/觀察者網(wǎng)專欄作者  李會(huì)超】

3月16日夜，海南傳來了讓人扼腕的消息：長(zhǎng)征七號(hào)改型火箭發(fā)射遭遇失利。

前不久，長(zhǎng)征五號(hào)遙三火箭剛剛將長(zhǎng)五遙二火箭發(fā)射失利帶來的陰霾一掃而光，而長(zhǎng)征七號(hào)改型火箭的失利卻又將讓航天技術(shù)人員們進(jìn)入艱辛的歸零過程。

失敗是誰(shuí)都不愿看到的。然而，從國(guó)內(nèi)外火箭的研制和使用情況看，發(fā)射失利卻又是不可避免的。發(fā)射失利最有可能出現(xiàn)在型號(hào)研制的早期，但在若干次成功飛行后也有可能出現(xiàn)，可以說是火箭成長(zhǎng)中的煩惱。

模塊化的新一代火箭

長(zhǎng)征七號(hào)火箭在2016年成功首飛后，2017年4月又將天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船成功送入太空。在這兩次火箭飛行過程中，長(zhǎng)征七號(hào)火箭都是將載荷送入距離地球幾百公里的低地球（LEO）軌道中。而根據(jù)目前能夠得到的圖片，本次發(fā)射的長(zhǎng)征七號(hào)火箭看起來比之前兩次更加修長(zhǎng)。根據(jù)火箭的一般設(shè)計(jì)原理和網(wǎng)絡(luò)上流傳的信息看，這次火箭和長(zhǎng)征七號(hào)前兩次飛行所使用的構(gòu)型不同。火箭變長(zhǎng)的原因應(yīng)該是增加了第三級(jí)，以發(fā)射進(jìn)入同步轉(zhuǎn)移（GTO）軌道或更高軌道的載荷。

網(wǎng)傳長(zhǎng)征七號(hào)改火箭的外觀，比之前使用的長(zhǎng)征七號(hào)火箭要稍長(zhǎng)一些

如果將火箭設(shè)計(jì)成僅有一級(jí)的結(jié)構(gòu)，從起飛到結(jié)束工作都是一個(gè)整體，那么也就沒有一二級(jí)、二三級(jí)分離這樣的工作，火箭的飛行過程看起來就要簡(jiǎn)單不少。然而，俄羅斯科學(xué)家齊奧爾科夫斯基在1903年提出的齊奧爾科夫斯基公式從理論上否定了這種“捷徑”的可行性。在這個(gè)公式中，火箭在工作期間所獲得的速度增量與發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作時(shí)的火箭總重m0和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)束工作時(shí)的總重m1相關(guān)，m0/m1的比值越大，火箭就能獲得越大的速度增量。

于是，火箭設(shè)計(jì)師們提出了多級(jí)火箭的解決方案。通過不斷將完成工作的部分拋棄，火箭m0/m1的比值將不斷變化，火箭得以被“接力”加速，最終達(dá)到理想的入軌速度。使用多少級(jí)完成最終的入軌，根據(jù)載荷的軌道和火箭使用的發(fā)動(dòng)機(jī)類型等因素決定。一般而言，發(fā)射的航天器需要進(jìn)入的軌道越高，火箭也就需要使用越多的子級(jí)。對(duì)于長(zhǎng)征七號(hào)而言，前兩次發(fā)射使用的基本型用于實(shí)施近地軌道發(fā)射任務(wù)，采用兩級(jí)構(gòu)型。而當(dāng)進(jìn)行更高軌道的發(fā)射任務(wù)時(shí)，則需要增加一級(jí)。

長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭飛行過程。來源：長(zhǎng)城工業(yè)公司

以長(zhǎng)征五號(hào)和長(zhǎng)征七號(hào)為代表的我國(guó)新一代運(yùn)載火箭，極大的提升了我國(guó)火箭的最大運(yùn)載能力。例如，GTO軌道的運(yùn)載能力，以往性能最好的長(zhǎng)三乙火箭為5.5噸，而長(zhǎng)征五號(hào)基本型的GTO運(yùn)載能力則可達(dá)14噸。

但目前航天器的發(fā)展呈現(xiàn)出多樣化的態(tài)勢(shì)，并非所有的航天器都需要這么大的運(yùn)載能力。因此，新一代運(yùn)載火箭在設(shè)計(jì)時(shí)，采用了模塊化、通用化的設(shè)計(jì)思路。通過5米、3.35米和2.25米三種基本模塊單元，就可以組合出不同型號(hào)的火箭構(gòu)型。在新一代火箭的三個(gè)型號(hào)中，芯級(jí)使用5米模塊的為長(zhǎng)征五號(hào)，芯級(jí)使用3.35米模塊的為長(zhǎng)征七號(hào)，芯級(jí)使用2.25米模塊的為長(zhǎng)征六號(hào)。長(zhǎng)征五號(hào)的基本型助推器，使用3.35米模塊，可以看做是長(zhǎng)征七號(hào)的第一級(jí)稍加改動(dòng)而構(gòu)成的。而長(zhǎng)征七號(hào)基本型助推器的2.25米模塊，則與長(zhǎng)征六號(hào)的2.25米芯級(jí)基本相同。

新一代火箭模塊化組合示意圖，摘自《中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)的成就與展望》一文