在「力箭一號」研制之初，科學家就確定了「大噸位、低成本、智能化、創新性」四個定位。為了讓「眾籌」衛星盡快登上太空，我們先解決了燃料和地面實驗的問題，又做出了新型的氣動分離系統…
出品：格致論道講壇
以下內容為「力箭一號」運載火箭總設計師史曉寧
演講實錄：
大家下午好，我是史曉寧，來自中國科學院力學研究所，一名運載火箭設計工程師，也是「力箭一號」運載火箭的總設計師。
大家看這張照片，第一眼肯定是中間的火箭，這就是我們設計的「力箭一號」。但你仔細看，能看到照片左下角還有幾個人，這是在「力箭一號」發射之前跟火箭合影，可以直觀感受到「力箭一號」的龐大。
那我們做這個龐然大物來幹什麽呢？今天，我就給大家揭開「力箭一號」的神秘面紗。
誰能把「眾籌衛星」帶上天？
首先，我們把時間線拉回到2016年。當時，我們國家發射了「墨子號」「悟空號」等科學實驗衛星，它們在天上做了包括量子實驗在內的很多科學實驗。很多科學家看到後，覺得自己也有很多的想法，也希望可以上天驗證。
當時，中國科學院負責研制衛星的上海微小衛星研究院的創新中心主任就提出了一個非常先進的想法：既然有這麽多科學家想上天做驗證，我們何不「拼」一個衛星，把所有科學器件一塊兒帶到太空上去呢？
所以，我們就提出了一個專案叫「眾籌衛星」，並向全科學院及很多高校發出了眾籌的倡議。
不試不知道，一試嚇一跳。當時有100多家院所提出了要上天驗證的申請，我們最後篩之又篩、揀之又揀，最後挑選出18家科研機構，拼出了26顆衛星，後來又增加了幾顆衛星，一共有30多顆衛星要「包箭」上太空。上面就是「力箭一號」首飛時發射的幾顆衛星。
這裏面很多科學家的實驗如果沒有及時得到驗證，科學成果的釋出、科研專案的進度都會被推遲，所以我們都很著急，必須要在三年之內把這30多顆衛星打上太空。所以，我們需要一款能夠發射這麽多衛星的火箭。
我們第一個想到的就是大家比較熟悉的長征系列運載火箭，這一系列火箭是我們國民的驕傲。
這是長征運載火箭的族譜，其中頭頂帶個尖兒的長征二號F是中國的金牌火箭，把航天員送到空間站的火箭就是這一款。中間最胖的長征五號也叫「胖五」，把「嫦娥」發射到月球和把「天問」發射到火星時都用的這款火箭。
當時我們查完火箭的族譜，跟相關的負責人聯系了之後發現了一個問題：這些火箭有的太大，有的太小。
「胖五」特別大，能裝10多噸的貨物，我們30多顆衛星加起來才2噸，裝不滿。有的火箭又特別小，像圖中最右邊和最左邊的小型火箭，運載能力可能也就幾百公斤。而有些正好的火箭，比如類似長征二號F這種的，它們有自己的任務，要負責發送航天員去空間站，排期很慢。所以我們很難找到一款合適的火箭，能及時把這30多顆包含科學家科研成果的衛星送到太空做實驗。
怎麽辦呢？沒有路，我們就自己修路。於是我們當時提出，要客製一款科學院自己的火箭。
這款火箭要有什麽特點呢？
首先，噸位要大。如果做出來很小，運載能力不夠，那這30多顆衛星就打不上去。
其次，研究經費都很寶貴，更多要用到科學研究當中，所以我們的火箭成本要低。另外，作為中國科學院自己研制的火箭，科學院對我們團隊的要求就是創新、智能。
所以我們火箭的定位就是這四個詞：大噸位、低成本、智能化、創新性
。而這四個詞就決定了這款火箭設計難度之大。
哪種
燃料最合適？
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燃料占火箭總重量的80%-90%以上，所以選擇一款合適的燃料把火箭推上天空是我們首先要解決的問題。
火箭產生推力的主要原理就是，推進劑透過燃燒將化學能轉化為動能，從而把火箭速度從0加速到第一宇宙速度。
燃燒效率最高的是氫氣。氫氣和氧氣合理配比後，可以產生非常高效的能量。這就是氫氣火箭的原理。後來，科學家提出可以把氫氣和氧氣液化後保存在儲罐裏，用的時候透過高壓、高轉速的泵抽到發動機裏燃燒，從而產生很大的推力，這就是氫氧液體火箭。
長征五號就是用液氫液氧作為推進劑的。
它是一款冰箭，因為氫氣和氧氣需要在大概零下200多度的低溫環境下儲存。
液體火箭有什麽好處呢？液體可以流動到不同的推氣室燃燒，還可以透過管路調節多次啟動和重復使用，甚至能回收後透過燃料再次加註再次發射。
液體火箭的好處很多，但是因為它整個系統比較復雜，管路很多，發動機也很多，研制周期比較長，所以做起來難度比較大。
因為時間緊急，我們想先做一款固體火箭。固體火箭主要以固體作為燃料，包括硝酸鉀、鋅硫、黑火藥等等。固體燃料的好處是易儲存，因為固體燃料比較穩定，無需加註，發射之前就放在火箭裏了。它的發射準備也比較短，不需要在發射前加註推進劑。而使液氫液氧長期保持低溫很難，所以液體火箭一般都是在發射前進行加註的。
總的來說，固體火箭的好處是研制周期短、發射準備周期短。另外，由於系統比較簡單，成本也比較低。
所以，我們當時就選擇研制一款固體火箭。
火箭其實是軟的？
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解決了燃料的問題，一個新的問題又擺了在我們面前，那就是地面試驗的問題。
地面的環境跟火箭飛行環境、太空的環境有很大的區別，火箭飛行要超越音速，要穿過稠密大氣進入太空，進入微重力的環境，這些環境都需要在地面上模擬。如果模擬不充分，預設不準確，就有可能在飛行過程中發生故障。
火箭在飛行過程中由於外界大氣的幹擾會發生振動。就像我們開車的過程中車也在振動，只是因為車體比較短粗，剛性較大，所以大家感受不到。而火箭比較細長，所以飛行過程中的振動是很劇烈的。
▲火箭飛行模態
如圖中這樣，火箭飛行過程中有三種形態，而且在這三種形態中來回切換。火箭一般都是透過圖中最左邊的噴管產生推力並控制方向，隨著火箭的運動，這個噴管也要擺動，因為它要使火箭保持一個穩定的姿態。如果火箭的振動和噴管的擺動互相耦合，達到同一個頻率產生共振，火箭就有可能折斷。所以為了避免共振，我們要抑制火箭由於外界氣動幹擾產生的振動。
我們的方法是模態試驗，也叫彈性振動試驗。就是在地面上要透過實驗摸清楚火箭這個復雜細長體的頻率或者結構特性到底是什麽。
▲傳統振動塔
傳統的試驗方法就是利用振動塔。實驗人員把火箭放到振動塔裏，用一根繩子吊起來，模擬火箭的自由邊界。因為火箭飛行的過程中是沒有支撐的。
這個塔又高又大、成本很高、整個系統也很復雜，如果要在塔裏做試驗，就要花很多錢。而我們的時間比較緊、周期短、也沒有那麽多經費，所以怎麽辦呢？
我們利用了幾個架子，透過一個氣墊和空氣彈簧把火箭頂起來，這樣就代替振動塔模擬了自由邊界。這就是我們提出的空氣彈簧水平支撐模態試驗，解決了一個重要的問題。
火箭也能更智慧
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解決了模態實驗問題之後，接下來要解決的是火箭的控制問題。
我們都用過電腦和手機，電腦和手機最初都很大，後來都越做越小，還整合了很多部件，功能更多。火箭也是一樣，早期的火箭裏面的單機器材有很多，像控制系統、測量系統等，加起來有三四十台器材，很重，每個器材也很貴,也需要做很多試驗。
所以我們借鑒了手機、電腦的一些新技術，它們內部都類似於一個盒子，裏面由不同的板卡組成。所以我們就提出來圖中的標準綜合電子器材架構，就是在同一個機箱裏把不同的板卡插接組合，這樣透過五台單機就把所有功能放在了火箭裏面，大大減少了整個火箭的器材量。
我們還把一些重復的功能都整合在了一起，透過修改軟件和板卡進行更新換代，使這個單機不但可以用在「力箭一號」、「力箭二號」，也可以用在「力箭十號」。這就是我們提出的軟件定義火箭的概念
。
解決了火箭的控制問題，下一個就是分離。
為什麽火箭要有一個分離系統呢？因為根據經典的公式，單節火箭的運力是很小的，所以科學家們提出了多級接力。就是說一級的燃料燃燒完以後，它的殼子不能被帶著接著飛，因為會產生多余的阻力，所以我們要把它拋掉。
這個過程就是火箭的分離。火箭整個艙段切開之後，還需要一個力給它推開。傳統分離有兩種方式。一種是彈簧，彈簧推力一般都比較小，但是系統簡單。
▲傳統反推火箭
一般火箭會再裝一個小火箭，把小火箭點燃就可以透過反推力把下面燃燒完的艙段拉開，這是第二種反推分離方式。
但是這個小火箭有一個特點，它的燃燒產物很黑，還會產生尾焰。如果尾焰往回噴的話，火箭前面的一些器材比如高價值的衛星、光學鏡頭等可能會受到幹擾。但是它的優點是推力很大，就可以快速分開兩級，保證上面趕緊飛走。
▲冷氣分離系統
我們將這兩個方式的特點結合，做出了一個新型的氣動分離系統，叫冷氣推沖分離系統。就是透過一些管路把高壓氣體排出，用氣體反推代替彈簧和小火箭，把火箭的艙段拉走。
這就是當時氣體噴出時的樣子，畫面中間就是燃燒過的艙段，我們就需要把它推走。
解決了控制和分離，下面要講火箭飛行的演算法。火箭在飛行過程中是瞬息萬變的，速度最高的時候會達到第一宇宙速度，每秒7公裏。即使是平時我們開車控制方向盤，都不是所有人都反應得過來。那火箭這麽快，要怎麽去糾正火箭的姿態和軌跡呢？
我們只能預先裝訂很多演算法軟件在火箭大腦裏，讓它自己飛。但如果幹擾較大，我們裝訂的演算法不夠準確或者克服不了這些幹擾，火箭就有可能失利。
▲【阿波羅13號】
大家有沒有看過一個美國電影【阿波羅13號】？阿波羅13號是美國航天局（NASA）把航天員送到月球登月再送返地球的一項任務。電影裏，火箭剛發射不久，推進系統的貯罐就爆炸了，爆炸以後動力不足，航天員們就回不來了。於是地面工程師就經過反復演算，裝訂了一個新的軌跡給阿波羅13號，最終把航天員安全地送回來了。
在這部電影的啟示下，我們提出來了一項線上規劃軌跡的演算法，把不同的軌跡裝訂到火箭大腦裏，讓它根據不同外界幹擾自行計算不同的軌跡。
大家知道兩點之間直線最短，最好的路徑只有一條，但是我們可以裝訂不同的目標上去。如果這個不行，我們就換下一個，這就是智慧火箭的特點。
我們終於成功了！
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火箭的問題都解決了，接下來就要發射了。
▲歐洲織女星火箭塔架發射
在火箭發射之前，大家要做很多工作，比如要檢查火箭，要提供很多點火裝置等等，很復雜，所以一般采用塔架發射的方式。搭載神舟飛船的長征二號F火箭發射之前，都需要透過軌域也就是火車的鐵軌做轉運。
發射塔的優點是可以提供種類豐富的支撐，包括氣體、液體、電線、電纜等等，對火箭很友好。但是它造價很貴，且生產周期很長，三年之內根本造不出來。
所以我們提出來一個新的想法，考慮能不能用一個車頭拉著平板，在這個平板上透過一些液壓裝置把火箭頂起來，頂起來以後這個裝置再回來，讓火箭自己飛出去。
這種裝置的好處是這個板可以被車拉著到處走，在哪兒都可以發射，整個造起來也簡單，使用起來也靈活。但是「力箭一號」重達135噸，用什麽裝置能把135噸的東西頂起來呢？
我們當時做了很多工作，做液壓又做冗余，因為不能讓火箭被頂到一半之後又掉下來，必須要要用不同的方式保證它能可靠地豎起來。所以我們提出了快速無依托的水平起豎。
這是「力箭一號」第一次發射前，在廠房裏，科研人員跟衛星做了一個合影。
這是我在發射前的照片，在火箭所有艙段總裝對接之前，我去檢查火箭的器材。當時我的心情非常忐忑，因為火箭的系統非常復雜，飛行是全自動的，軟件也是提前裝訂好的。所有的東西是不是按照我們預先的想法準備就緒、有沒有把所有工作做到位，這是我們要反復確認的一件事。
接下來我們先要把衛星放在火箭裏，再把火箭吊裝到剛才講的水平起豎裝置裏。接下來我們轉運火箭，轉運的過程中要嚴格控制汽車行進的速度，因為如果開得太快，火箭中很多器件會受不了。把火箭送到發射點位附近之後，有個廠房提供保障。我們所有的小夥伴們、科學家們都很關愛這個火箭，特別給它造了一個廠房、造了很多檢查器材。
接著同誌們開始對火箭發射前做最後狀態的確認，把電纜綁紮到可靠的狀態，檢查是否具備發射情況，還要檢查電力系統、結構系統、衛星系統。到了發射當天，火箭點火以後都要靠自動飛行，所以科學家們需要做最終的狀態確認。
檢查完所有工作之後，我們的廠房透過輪子自動移動，把「力箭一號」的真容展現給大家，透過液壓裝置起豎到垂直狀態。起豎到位以後，起豎架再擺回來，進入到最終發射狀態。
所有的工作做完以後，點火！加速火箭！
這裏面要經歷火箭的點火、分離、星箭分離、把非常寶貴的衛星們送到相應的位置。雖然已經過去了一年多，但我此時此刻看這個影片時的心情還是非常激動。
最後看到的這個大紅屏是我們航天的特色，大家在新聞裏常常看到。每次航天任務發射成功之後，就會在指揮大廳展示一個大紅屏。拍攝這張照片時，所有人心裏的石頭才落地，因為我們發射成功了！經過這些年的努力，終於用我們的火箭把科學家們的衛星送上了太空，我們的任務完成了！
高興只限時一個晚上
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那第一發任務完成之後，我們的工作是不是就結束了呢？
其實不是的。所有航天人都有一個特點：他們的愉悅、高興只限時一個晚上。
我們所有小夥伴們在慶祝完第一發成功、6顆衛星成功入軌以後，馬上就要投入到第二發火箭的研制過程中。
這一發的任務更緊，因為我們要把26顆衛星送入預定軌域，這就需要給衛星「排好座」。
因為火箭在飛行過程中有氣動加熱，可以達到好幾百攝氏度。另外也有很多外力、氣動的壓力，衛星被吹起來可能受不了。所以我們要用整流罩把衛星罩住，在這些約束下，留給衛星的空間也小、重量也有限。
怎麽辦呢？我相信在座的朋友們都堆過積木，大家堆積木時，會把積木盡可能往中間堆，讓它更穩。火箭也是這樣。火箭飛行過程中有一個持續的推力，如果不穩，就有可能使衛星來回晃動，衛星可能就散架了，所以我們要盡量讓衛星靠中間集中。
但是集中又導致了一個新問題。到了預定位置之後，衛星還要散開。如果太集中了，就不好散開了，散開的過程中還有可能會使衛星發生碰撞。一旦碰撞，有些衛星的鏡頭可能就不能用了。所以我們既不能讓它碰，又要讓它穩。
於是我們提出來一種考慮分離安全性的布局，把衛星透過不同的角度錯開，給它不同的時序。還在上面加一個大斜板，讓它們在不同的位置布好座，有不同的分離時間，又做了很多地面的仿真分析、提前裝配等工作，花費了很多時間和努力，最終實作了26顆星的布局。
這是「力箭一號」第二發成功發射的場景。我們用了十個月零十天，終於把總計超過1噸重量的26顆衛星送入軌域，這也打破了中國當時一箭多星的發射紀錄，創造了一個新的紀錄。
未來，普通人也能上太空？
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這兩發火箭一共把32顆衛星送上太空，並幫助科學家們取得了一些科學成果。
舉個生物實驗的例子，這個實驗是清華大學的一位老師研究在太空微重力環境下，腫瘤細胞是不是能夠更好地被抑制、殺死。但因為火箭飛行過程中會產生很多制動環境，如果提前把細胞裝上去，可能對生物活性有影響。所以我們設計了在軌用3D打印技術制造生物細胞，長期觀察整個腫瘤的生物活性。這個實驗搭載「力箭一號」第二發火箭升空之後，對腫瘤醫學研究做出了貢獻。
▲上：高能爆發探索者(HEBS)發現並精確測量迄今最亮的Gamma射線暴
左下：國產量子磁力儀首次空間套用並獲得全球磁場圖
右下：46.5nm極紫外成像儀（LEIA）獲得中國首幅太陽過渡區影像
其他的科學成果還包括極紫外成像儀（LEIA）獲得首幅太陽過渡區影像等。
現在「力箭一號」可以做到年均10發，脈動式生產、航班化發射，後續會為全球更多的科學家提供全鏈條的搭載服務。
那未來我們還要做什麽呢？
第一個，要做大噸位的液體火箭。一開始我提到，液體火箭可以把推進劑流動到不同的發動機中，透過發動機點火產生更大的推力。另外，液體火箭可以透過關機和調推力進行回收。相信在不久的將來，我們也可以把火箭收回來，把更大噸位的貨物送到太空。
另外，我們要做太空旅行，把普通人送到太空。我們火箭的直徑是3.35米，提供了4扇全景懸窗，一次可以搭載7名乘客，讓大家體會美麗的太空風光。
這是神舟十六號飛船從空間站分離以後，神舟十七號航天員拍攝的影片，以地球為背景。相信將來有太空旅遊飛行器以後，所有人可以乘坐我們的飛行器，用自己的雙眼體會這麽美麗的風景。
用太空科技促進科學，服務大眾、改變世界。這就是我們的目標
。希望在不久的將來，太空的場景不僅出現在科幻電影裏，也能出現在所有人的身邊。
謝謝大家！
「格致論道」，原稱「SELF格致論道」，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院電腦網絡資訊中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以「格物致知」的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多資訊。本文出品自「格致論道講壇」公眾號（SELFtalks），轉載請註明公眾號出處，未經授權不得轉載。
