李会超
空间物理学博士，科普作者
3月16日夜，海南传来了让人扼腕的消息：长征七号改型火箭发射遭遇失利。
前不久，长征五号遥三火箭刚刚将长五遥二火箭发射失利带来的阴霾一扫而光，而长征七号改型火箭的失利却又将让航天技术人员们进入艰辛的归零过程。
失败是谁都不愿看到的。然而，从国内外火箭的研制和使用情况看，发射失利却又是不可避免的。发射失利最有可能出现在型号研制的早期，但在若干次成功飞行后也有可能出现，可以说是火箭成长中的烦恼。
模块化的新一代火箭
长征七号火箭在2016年成功首飞后，2017年4月又将天舟一号货运飞船成功送入太空。在这两次火箭飞行过程中，长征七号火箭都是将载荷送入距离地球几百公里的低地球（LEO）轨道中。而根据目前能够得到的图片，本次发射的长征七号火箭看起来比之前两次更加修长。根据火箭的一般设计原理和网络上流传的信息看，这次火箭和长征七号前两次飞行所使用的构型不同。火箭变长的原因应该是增加了第三级，以发射进入同步转移（GTO）轨道或更高轨道的载荷。
网传长征七号改火箭的外观，比之前使用的长征七号火箭要稍长一些
如果将火箭设计成仅有一级的结构，从起飞到结束工作都是一个整体，那么也就没有一二级、二三级分离这样的工作，火箭的飞行过程看起来就要简单不少。然而，俄罗斯科学家齐奥尔科夫斯基在1903年提出的齐奥尔科夫斯基公式从理论上否定了这种“捷径”的可行性。在这个公式中，火箭在工作期间所获得的速度增量与发动机开始工作时的火箭总重m0和发动机结束工作时的总重m1相关，m0/m1的比值越大，火箭就能获得越大的速度增量。
于是，火箭设计师们提出了多级火箭的解决方案。通过不断将完成工作的部分抛弃，火箭m0/m1的比值将不断变化，火箭得以被“接力”加速，最终达到理想的入轨速度。使用多少级完成最终的入轨，根据载荷的轨道和火箭使用的发动机类型等因素决定。一般而言，发射的航天器需要进入的轨道越高，火箭也就需要使用越多的子级。对于长征七号而言，前两次发射使用的基本型用于实施近地轨道发射任务，采用两级构型。而当进行更高轨道的发射任务时，则需要增加一级。
长征三号乙运载火箭飞行过程。来源：长城工业公司
以长征五号和长征七号为代表的我国新一代运载火箭，极大的提升了我国火箭的最大运载能力。例如，GTO轨道的运载能力，以往性能最好的长三乙火箭为5.5吨，而长征五号基本型的GTO运载能力则可达14吨。
但目前航天器的发展呈现出多样化的态势，并非所有的航天器都需要这么大的运载能力。因此，新一代运载火箭在设计时，采用了模块化、通用化的设计思路。通过5米、3.35米和2.25米三种基本模块单元，就可以组合出不同型号的火箭构型。在新一代火箭的三个型号中，芯级使用5米模块的为长征五号，芯级使用3.35米模块的为长征七号，芯级使用2.25米模块的为长征六号。长征五号的基本型助推器，使用3.35米模块，可以看做是长征七号的第一级稍加改动而构成的。而长征七号基本型助推器的2.25米模块，则与长征六号的2.25米芯级基本相同。
新一代火箭模块化组合示意图，摘自《中国运载火箭技术的成就与展望》一文
使用这种灵活的组合方式，每种型号又可以变化出多种构型。以长征七号为例，其助推器有2.25米液体模块和2米固体模块可选，第二级的动力配置有多种方案可选，还可以视需要增加第三级或上面级。根据公开文献报道，仅长征七号可选的构型就多达16种，本次首飞的这种4个2.25米助推器+氢氧第三级的构型，GTO运载能力可达7吨。在这种构型的基础上，如果减少助推器，则可减小GTO运载能力。在这种灵活的组合下，由长征五号、长征六号、长征七号组成的新一代火箭能够形成GTO运载能力1.8吨-14吨，LEO运载能力1.2吨-25吨的覆盖，从而能够适应不同航天器的需求，在技术状态稳定后基本可以替代上一代长征火箭。
不同构型的长征七号火箭GTO轨道运载能力，摘自《我国新一代中型运载火箭的发展展望》
成长的烦恼
除了广为人知的载人航天事故外，美国在卫星发射领域也经历过一段黑暗的时刻。在1998-1999年间的8个月中，接连发生了6次火箭发射失利，导致价值数十亿美元的卫星被毁。发射失利的火箭，既有当时的新型火箭Delta III型，又有比较成熟的Titan IV型。其中，一枚Titan IV型火箭未能将Milstar 2军用卫星送入正确的轨道，导致了12.3亿美元的损失，创下了美国当时单次发射失利损失的新纪录。
火箭是一种异常复杂的工业品，大量精密部件必须协同正常工作才能确保飞行正常。同时，航天发射的流程又是“一锤子买卖”，火箭一旦离开发射塔，接下来的所有飞行环节必须都正常完成，哪一个环节出现大的差池都会导致发射失利。汽车出现故障时，可以停在路边等待维修，飞机出现故障时，可以寻求备降，但火箭却没有这种停下来等待修理完成后继续上路的机会。
发射天鹅座货运飞船的“安塔瑞斯”火箭发射后爆炸
一般而言，在一型火箭研发的早期，更容易出现故障。例如，欧洲的主力火箭阿丽亚娜5型，首发失利，第二发又部分失利。我国的长征二号、长征三号火箭的第一次飞行，也都未能取得成功。随着飞行次数的增加、相关实测飞行数据的不断收集，技术人员会对火箭可能存在的缺陷进行改进，火箭的可靠性会逐步提高。
但也有一些隐藏的设计缺陷或质量问题会在火箭生命周期的某一时段出现。前文提到的Titan IV火箭三连败，是在这型火箭第25-27次飞行。而目前SpaceX的主力型号猎鹰9型火箭，则在第19次发射中发生爆炸事故，损失了一艘向国际空间站补给货物的龙飞船。此外，2016年猎鹰9还在地面的静态点火试验中发生星箭俱毁的爆炸事故。
在地面静态点火试验中爆炸的猎鹰9号火箭
如此看来，发射失败可能是火箭设计和使用过程中必经的成长的烦恼，虽然我们感情上非常不愿意看到失败的发生，但客观上火箭的可靠性永远没法达到100%。如果继续使用成熟的火箭，一定程度上也可以避免失利的出现，但这是以束缚住自己的能力为代价的。为了以后我们能走的更高更远，承受失利所带来的金钱和感情上的损失，可能也是成长所必须付出的代价。
