出品：科普中國
製作：一顆青椒
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
在“長徵五號”遙五火箭成功發射嫦娥五號探測器僅一個月後，文昌發射場201工位上又送走了一位名叫“長徵八號”的客人。
2020年12月22日12點37分，我國新一代運載火箭長徵八號在中國文昌航天發射場點火起飛，隨後順利將5顆衛星送入預定軌道，首飛任務取得圓滿成功。
△長徵八號運載火箭起飛（宿東 攝）
雖然她的體量沒有“長徵五號”這麼大，也就350噸出頭。但是，這火箭……是不是看著有點眼熟？如果你覺得她似曾相識，那就對了。
長徵八號的目標不止SSO軌道和商業發射
3.35米直徑配兩臺120噸級液氧煤油發動機YF-100的芯一級、2.25米直徑配一臺YF-100的助推器、3米直徑配兩臺8噸級液氫液氧發動機YF-75的二級、4.2米直徑的整流罩……很顯然，這就是把“長徵七號”運載火箭的二級換成一個“長徵三號甲”的氫氧三級，再去掉兩個助推器所形成的產物。
△“長徵八號”火箭配置和運載能力（圖源：論文《CZ-8：長徵火箭系列商業化與智慧化的先行者》）
“長徵八號”系列火箭可以為低軌星座、低傾角衛星、小型電推進高軌衛星等提供服務，主要負責太陽同步軌道（SSO）載荷的發射任務，可滿足大部分中大型有效載荷或多星組網的發射需求。
那麼，為什麼我們要強調這個太陽同步軌道（SSO）？因為只有處於這個軌道上運行的衛星，每天同一當地時間都能夠經過同一個地點，十分適合諸如農業普查、天氣預報、資源勘探這種要每天特定時間對著某個地方看的需求。
以往我國的SSO軌道發射任務幾乎都是“長徵四號”系列運載火箭的主場，其最大近3噸的SSO運力還算不錯。但隨著衛星的重量和體積越來越大、功能越來越多、性能也越來越強，“長徵四號”系列運載火箭開始力有不逮，因此需要更強的火箭。然而“長徵七號”未來的發射任務已經幾乎被“天舟”貨運飛船任務填滿了，實屬分身乏術，所以選擇讓“長徵七號”專注於近地軌道的任務，直接把原“長徵七號”子型號之一單獨發展。這樣，我們就得到了一個SSO運力達到4.5噸的火箭，也就是這次發射的“長徵八號”。
“長徵八號”除了目標軌道基本限定在SSO之外，還肩負著我國商業衛星發射的重要任務，需要較低的發射成本提高競爭力。
商業發射市場首先需要運載火箭可以提供優質產品與服務，要有較高的可靠性和安全性，其次發射服務價格自然是越低越好。除此之外，火箭還必須要“快”，這裡的“快”指的是能對任務快速響應、可以適應種類繁多的發射任務、發射週期也要足夠短。最後火箭的產量還必須足夠，要不然就適應不了商業發射中較高的發射密度。
為了滿足商業發射高競爭力的需求，“長徵八號”火箭會分為兩種配置：CZ-8/ZH和CZ-8/RH，分別代表組合型和融合型。其中組合型是面向高附加值的衛星發射；而融合型則面向競爭更為激烈的商業衛星發射市場，發射成本更便宜、用起來更簡單、而且可靠性不減。為此，融合型“長徵八號”火箭會在結構工藝、電氣系統、測控系統上進行大幅度簡化。
除了為商業發射進行較多改進之外，她還將擁有別的長徵火箭幾乎都無法完成的目標——回收。
長徵八號是如何實現回收功能的？
長徵七號立項後沒多久，美國Space X公司的獵鷹九號火箭異軍突起，將大多數人認為天方夜譚的“火箭回收並複用”目標實現了，甚至還將回收的火箭一級重複使用了多達七次，大大地降低了常規構型火箭的發射成本。
△資料圖：獵鷹九號海上回收 圖源：維基百科
看到“垂直回收”的火箭複用路子是走得通的，我國的可回收火箭計劃也開始提上日程。在目前這個老型號火箭已經屬於期貨退役的時期，直接在新型號上予以應用，是最合適的選擇。而“長徵五號”主打重量級任務，目前還是以追求可靠性為主，那麼“長徵七號”與“長徵六號”火箭自然成為了選擇。
對於“長徵七號”而言，以“長徵七號722（HO）”構型為基本型，另行開闢火箭型號（即“長徵八號”系列運載火箭），最終發展出可回收火箭（即“長徵八號”的改型），從管理上來看，也是相當合適的選擇。當然，基於“長徵六號”運載火箭的可回收複用型號，也在緊鑼密鼓地研製中，相信以後我們也能看到。
火箭的複用並不是拍腦門想出來的，它需要一步步實驗加以驗證。
首先是使用“老長徵”系列火箭進行實驗。儘管這類火箭沒法最終應用可回收技術，但可以作為分系統的實驗平臺。
目前，我國已經在長徵二號丙和長徵四號乙火箭的一級級間段上裝備了柵格舵，將落區範圍縮小了85%，減少了人員與設施因“天降”而造成損失的可能。
順便一提，長徵四號乙遙38火箭上使用的一個柵格舵，在經過了回收、檢測、修理的工序後，又跟著長徵四號乙遙41再次發射升空，成為了我國第一個成功重複使用的火箭零件。
△使用柵格舵控制殘骸定點著陸的長徵二號丙（上）和長徵四號乙（下）（圖源：中國航天科技集團）
回到本次發射，可回收型“長徵八號”火箭與美國的“獵鷹九號”火箭的回收方式相當類似，都是垂直降落回收，但二者在各種細節中有著巨大的差別。
首先，由於“長徵八號”是捆綁式火箭，一般在助推器燃料用光後就會將其拋掉以減輕重量，但是在回收構型中，助推器將不再與芯級分離，而是集束分離模式，與芯一級一起分離並回收。
集束分離之後的芯級和助推器會在高空進行一次動力減速，這裡將會使用助推器的發動機進行減速。到了低空，芯級發動機點火，最終讓火箭軟著陸。這裡助推不分離的優勢就體現了出來，同型號的火箭發動機如果點火次數不同，其結構也會有細微的差別，在這裡如果全程都讓芯級點火兩次進行減速，而助推器不點火，會讓助推器和芯級的發動機結構產生差別，對降低成本而言這可不是好事。
△“長徵八號”火箭的回收方式（圖源：論文《CZ-8：長徵火箭系列商業化與智慧化的先行者》）
此外，火箭在著陸時重量非常輕，而我國的YF-100火箭發動機的最大推力超過120噸，在著陸時需要讓發動機節流運行。節流幅度越大，發動機設計難度越高，也就越貴。所以回收的時候帶上助推器，也相當於是給火箭加了個配重，降低了發動機的節流幅度，間接降低了成本。
不過，由於長徵八號運載火箭是首飛，主要用於驗證設計與製造的可靠性，因此並不是可回收形態。我們可以從照片中觀察到，其助推器仍然是分離設計的，保留有分離用的小型固體火箭，芯一級和助推器上也沒有裝設用於返回的格柵舵和著陸腿。
任何的進步都不是一蹴而就的。“長徵八號”火箭的成功發射只是我國可回收運載火箭走出的一小步，後續也勢必要多次進行發射，每一次我們都將嘗試一些新的內容，直到垂直回收火箭技術的最終成熟。
可以預見的是，“長徵八號”的前景將十分廣闊——隨著內陸發射基地工位的低溫發射能力的陸續實現，它不僅可以在海南文昌航天發射場進行發射任務，還可以在深處內陸的酒泉衛星發射中心組織發射。“長徵二號”、“長徵三號”和“長徵四號”系列火箭的歷史任務也即將完成。
畢竟，上世紀70-80年代首飛的“老長徵”系列火箭經歷了四十多年風風雨雨，不僅性能逐漸跟不上時代需求，而且其使用常溫的偏二甲肼和四氧化二氮作為燃料，毒性和腐蝕性極強，對發射場的工作人員有著不小的危害，而且燃料成本還要更高，也是時候讓這些“老兵”們安享晚年了。
我國新一代中型運載火箭從2010年立項至今已走過十個年頭，如今已經初步形成了一套全新的運載火箭譜系。新一代長徵系列運載火箭必將接過老前輩們的接力棒，在我國航天事業的“長徵”之路上書寫新的篇章。
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