《流浪地球》的航天技术，中国还差多远？

文 | 周炳红

引：

大家好，我是周炳红。今天我们来聊聊未来的火箭技术。大家可能看过一些科幻电影，比如说《流浪地球》、《星际穿越》、《火星救援》等等，在里面人类可以乘坐宇宙飞船自由航行。

很多人想问，这些未来都能实现吗？我今天就来给大家讲讲未来的火箭技术大概会有哪些突破？

那么我们先来讲讲目前火箭技术的难点在哪里？我主要讲三个方面：

低温推进剂的蒸发和压力控制

第一个就是高性能的火箭都要用到低温推进剂，比如长征五号火箭。这个芯级，也就是5米直径的中央芯级，不管是第一级还是第二级，都要用到液氢和液氧。液氢的平衡温度是在零下250度，也就是20k，它很容易蒸发。那么低温推进剂的蒸发和压力控制，就是一个难点。

发动机燃烧的稳定性

第二个，发动机的燃烧稳定性问题，大的发动机，其实它推进剂进入到燃烧室的时候是很多股推进剂进到燃烧室，它要充分的混合才能燃烧。那么在高速喷射到燃烧室的过程中，就像我们洗澡的热水和冷水混合一样，你只要稍微偏一点，有时候可能就会太冷了，往右边偏一点，就会太热了。

因为它有两股射流会在这里摆动，那么火箭发动机里面也有个类似的现象，是因为发动机的结构，还有燃烧过程中有各种的干扰，它会导致它的火苗会左右来回的摆动，一旦这个摆动很剧烈的话，它的火苗烧到发动机的壁面，因为壁面是用金属材料做的，然后火焰的温度是3000度左右，所以很快火箭就会被烧穿。

我们的难点就是要控制燃烧的火焰，不要喷射到壁面上去，也就是要保持燃烧的稳定性，这是第二个难点。

 

火箭与发动机的耦合振动

还有一个很重要的难点，我们说整个火箭几级和发动机一起，它会耦合振动，会震动起来。我们在地面的时候是没法进行完全一样条件下的试验，它只有在飞行过程中才能完全的表现出来。

这也是为什么我们杨利伟第一次上天的时候，它那耦合振动比较剧烈。当时在它之前，在地面各种试验，甚至无人飞行好多次，都已经进行飞行的情况下，还没有完全解决这个问题，这是最大的一个难点。

而火箭我们又要做到100分，99分我们都是0分。你只要有个螺丝钉弄错了，火箭都会失败。

那么第二个问题，大家都很关心的，我们正在研发中的大推力火箭技术进展如何？

美国NASA的登月火箭

美国重返月球的载人登月火箭，叫SLS，它应该说是一个鸽王了，一直在推迟。最近它一级火箭发动机进行了热试车，它点火了，三个发动机在里面工作。

这个发动机其实就是以前的航天飞机上的主发动机，它在登月过程中要工作几百秒，大概400秒左右。那么这次试车的时候，在67秒左右自动停机了，所以是出现了故障，估计又要推迟。

还有一个，我们最近可能新闻也能听到的很多波音公司飞机故障的事，波音公司当时在研究登月火箭中，又是跟我的专业相关的一个技术，它又推迟了。

是一个什么技术？就是大型火箭里面，它在飞行过程中都要防止推进剂剧烈的晃动起来。所以就会在火箭的里面加很多环形的挡板，阻止推进剂剧烈晃动。

波音公司当初就为了节省火箭的死重，增加火箭的运载能力，它设的防护挡板就更少更轻。

但是在后期把它的设计交给控制系统的专业人员去进行校核复核的时候，控制系统的专业人员说，这样不行，这样晃动会太大了，他们控制系统没法控制，火箭会失稳。所以火箭当时是2017年，因为这个原因又推迟了1~2年。

这是美国NASA的登月火箭的主要的进展情况。

Space X的星舰飞船火箭

第二个我们就要说到,最近这些天都是有它的新闻，就是Space X的星舰飞船火箭，这是一款超大型的火箭，它的起飞重量以后要超过土星5号火箭。它最近的试验是试验到了SN10 ，SN就是 Serial Number，就是系列号第10号。

也就是说它的整个完整的火箭还没飞，它已经试验了10次，那么这个就可以看出来，它的研制过程，我们说系统工程方法和我们的长征5号是不一样的。

我们长征5号第一次飞行的时候，就是完整的长征5号，不会做10次的试验，只是在地面做一些局部的试验。

他们是叫做扁平化的多次迭代，快速迭代的这种仿照软件工程里面的研制的这种方法，所以它等于是，火箭设计的不是很完善的情况下，它就进行试验。所以一直到现在为止已经试验了10次，还只是试验火箭的上面一级。

那么最近几次也都爆炸了，其中的原因也跟我们的专业非常的相关。因为它要用到液氧甲烷，它的甲烷储箱里面的增压气体——氦气，由于推进剂的晃动，它把氦气吸到发动机里面去了，导致这个发动机推力下降，这样它着陆的时候，火箭因为推力小了，它就快速往下下坠，撞击地面的时候就炸毁了。

还有一个就是，火箭因为它要回来，它的试验过程中，它就要在高空翻个个儿，平着下来以后，再调整姿态调为竖着，才降下来。

那么在这个过程中，它的推进剂肯定在里面剧烈的晃动，虽然它设计了一个很小的储箱，装它最后着陆的时候的推进器。但是剧烈晃动下，它的火箭储箱因为是低温推进剂，它的压力还是下降。

所以现在各个国家都花了很多的精力，在天上微重力条件下，比如国际空间站上进行相关的技术试验，我们国家将来也会开展类似的试验。

 

我国的长征九号火箭

那么最后就要讲到大家可能是最关心的，我们国家的载人登月火箭，现在一般叫长征九号火箭，最近也公开了它的进展，就是说它是半系统全工况试车成功。

那么这个是什么意思？我解释一下。所谓半系统，就是发动机有很重要的两部分，一个部分就是它的推进剂的输送和增压系统，一个部分就是增压涡轮，涡轮泵是需要用推进剂跟它进行一个初级的燃烧，然后去推动涡轮快速的转动，来产生200个大气压左右的高压力，把推进剂挤压进燃烧室。那么这次的试验半系统，就是前面的增压输送系统、涡轮泵系统，是已经试车了。

那么还有另外一半，燃烧室和推力室也很重要，这是没有试验。但是它是全工况，也就是说，它是模拟真实火箭运行的时候，所有的动作该有的都有了。

我们国家运载火箭要正式立项，其实还要攻克就是另外一个半系统，也就是要热点火。估计也是在接下来的1-2年。现在已经公开报道说十四五期间，长征九号就有希望正式地工程立项。

接下来我们也讲一下未来对火箭的需求会是什么样子的？

火箭的航班化飞行

那么第一个就是，未来的火箭有可能实现航班化的飞行，进行载人，比如从纽约到上海，可能一个小时就够了。它是用火箭发动机来工作的，而且又可以像飞机一样的航班化的来飞行，这是一个很重大的需求。

地月空间频繁的往返运输

另外月球基地的建设需要在地月空间频繁的往返运输，比以前的载人登月飞行要更多了，更频繁。

载人登陆火星

还有一个就是要实现载人登陆火星，它去要6个月，往往还要等两年，回来6个月，这么长时间的载人火箭的飞行，这个是一个很重大的新的工程。

飞行器飞出太阳系

另外我们的飞行器要快速的飞出太阳系，主要是用来发射这个科学探测器，对太阳系整个遥远的边疆进行探测。

大型的空间设施

然后还要建设大型的空间设施，以前的空间站，包括我们国家正在建设都是百吨级的空间站，国际空间站是有400吨，以后大型空间设施重量要提升到几千吨，甚至上万吨。

比如有可能要建设空间太阳能发电站，那么就要同时建设一个大型的推进剂的补给站，登陆火星也好，月球基地也好，地月往返运输也好，这样才能简化整个的系统，也能够比较廉价的在深空进行探测。

最后一个问题，未来的火箭在技术上，为了满足刚才说的这些新的重大的需求，会在哪些方面会取得重大的突破？可以预期的。

低温高性能的化学推进剂

在普通的化学推进上，要有两个方面的突破，一个就是要低温高性能，比如液氢液氧，液氧甲烷，它是低温的，但是它性能高，它的一个难点要长时间的储存。不要让它蒸发，不要让它的压力升高，这是一个很大的难点。

可重复利用火箭

第二个，我们的火箭要可重复使用，要降低进入太空的成本。那么除了 Space X的可重复使用火箭外，我们国家长征八号长征六号都安排了可重复使用的研制。今年或者明年，大家可以陆续看到它们首飞的消息。

空天飞机

还有要发展空天飞机，什么是空天飞机？就是它会结合两种发动机，就是飞机用的航空发动机和火箭发动机。那么航空发动机，它只带航空煤油就行了。它的燃烧的氧氧化剂也就是氧气，它是从大气中吸气的，这样的话它能飞行的相同的推进的情况下，飞机的话是可以飞得更远的。

那么将来要发展空天飞机，也就是可以两种模式工作，这样就可以在几十公里的高空吸氧，这样使得火箭的运载能力也更大，也可以实现载人。

大推力的电推进

还有一个火箭技术可以预期的，就是大推力的电推进，化学推进剂是用燃烧高温高压，用机械装置往后喷气来加速。它这个是用电，把推进剂给电离了，电离了以后用电磁场，它能瞬间加速到将近10公里每秒，而一般的化学推进剂只能加速到3公里到4公里每秒。

日本在这种小推力的电推进技术上是目前应用水平是最高的，他们能够从几亿公里远的小行星上采样再返回，主要用到的就是电推进技术。

将来电推进技术要提高到10牛顿的推力，也就大概一公斤的推力。如果有这么大推力的电推进的话，就可以用于载人登陆火星，可以缩短去火星的时间，就不用6个月，可能2个月就过去了。

核动力推进

还有一个也是为了载人登火，使用的技术叫核动力推进。它的能量来源跟化学推进和电推进都不一样，它是用核能来提供能源。

那么它推进怎么实现呢？主要是用核热提供的热量来加热液氢推进剂，把液氢加速到高温高压，高速的往后喷出，这样实现推进。那么这里面的难点就是两个方面，一个液氢的使用，一个当然是相当于上面有个小型的核电站和裂变堆。

空间推进剂补给

那么最后一个可以期望的，就是需要在空间实现推进剂的补加，还有要在火星表面可能原位制备的推进剂，主要是液氧和甲烷。

那么这次美国发射的毅力号火星车上面就有一个装置，有很小的装置，它就尝试着进行在火星的大气中用二氧化碳来把它分解了，来制备氧气和液氧进行试验。

结：

我们前面讲了火箭技术的重要性，我们国家的各种火箭的技术以及未来的火箭技术，那么大家还希望听到哪些其他的航天方面的知识呢？欢迎留言告诉我们。