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2024.03.16 中國的各型太空運載火箭與上面級載具-擷取自蘇育平撰中國航天事業與火箭軍一書

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2.3 各款太空運載火箭
太空運載火箭基本上就是洲際彈道飛彈的推進段,兩者通用且可相互使用。
中國將其太空運載火箭以長征家族為名,從長征一號到現在的長征七號,各款還有不同的改進型。曾經一度有「暴風一號」之名,但因發生事故不吉利,該系列名稱便不再使用。
現在使用最多的是長征二號F系列,專用於神舟飛船之液體燃料火箭,其實如果舊款彈道飛彈要退役了,直接拿來作為太空推進火箭用,其實也是一個極好的用途,將原本軍事殺人的用途改為發展太空事業,意義完全就不一樣了。
我們可以看到,從一開始火箭就是使用液體燃料為主,也就是使用具有高比衝高比推力的化學液體推進劑,又可分為「單組元推進劑」,也就是液化氣體如液氫、液氧等,以及雙組元推進劑(又分可自燃推進劑、不可自燃靠點火之推進劑),如煤油混液氧,與三組元推進劑。
迄今我們看過不少液體燃料組合,如液氫與液氧、如煤油加液氫或其他有毒化學推進劑,如長征一號使用的「液體硝酸與偏二甲基聯氨」等。當然世界各國對於火箭燃料的配比做過非常多的嘗試,大約170種以上的配方被研究過,因為要考量到易用性、價格成本、對環境影響、性能等因素。
接下來讓我們來看中國的長征家族各火箭。
2.3.1 長征-1號火箭
長征-1號火箭是在東風-4號、東風-5型彈道導彈基礎上,設計生產的中國第一款太空運載火箭。火箭的一、二級就是東風-4型彈道飛彈的彈體,再加上第三級一個固體燃料火箭發射器組成。當時已經知道使用多節火箭疊加,加大舉升力度。
1970年4月24日,長征-1號運載火箭搭載東方紅1號人造衛星,自酒泉發射基地發射成功,使中國成為當時世界上,繼蘇聯、美國、法國、日本之後,第五個完成衛星發射的國家。1971年,長征-1號火箭將「實踐一號科學探測技術試驗衛星」順利發射到近地橢圓軌道上。
長征-1號火箭是三級結構,前兩級推進器為液體燃料硝酸與偏二甲基聯氨,第三級為固體推進劑,彈身全長29.46公尺,最大直徑2.25公尺,起飛重量81.5噸,近地軌道運載能力300公斤。
長征-1號火箭在1970年與1971年兩次成功發射,證明設計與結構是妥適的。1971年,在其基礎上,順利完工東風-5型彈道飛彈並成功試射。
長征-1號火箭與東風-5彈道飛彈,後續衍生「風暴1號、長征-2號家族系列、長征-3號系列、長征-4號系列火箭」,為中國後續五十年的太空事業奠定長遠堅實基礎。長征-1號系列在1990年代起,有開發出一款「長征1號丁型火箭」,但也是在亞軌道高空進行試驗,並未突破到外層空間,最後長征-1型火箭完全退役不再使用。
2.3.2 風暴-1號火箭
本款運載火箭是上海第二機電工業局基於東風-5的設計而研發的運載火箭,規格與長征-2C一致。它的源起是當時國務院總理周恩來要求上海也要能夠設計生產彈道飛彈、火箭、衛星等,以便在北京的第七機械部一分院之研發能量外,在上海第二機電工業局也建立一樣的研發能量。這就是上海二機收到的命令,中央軍委下達的「701工程」,研發「風暴-1號火箭」與「長空-1號衛星」。
這是一款兩級的液體燃料火箭,可將1,500公斤物品送上近地軌道,在當時已經算是大酬載火箭,生產過程很順利又快,不到一年就生產出品進行測試,但在風暴-1號生命中總共8次的發射中,有4次是失敗的,比起其他型號之火箭故障率高得多。
然而風暴-1號火箭至少是當時唯一能將超過一噸酬載送上太空的大型火箭。它的各種試驗也為東風-5飛彈的完善作出貢獻。
風暴-1號火箭最後一次發射在1981年9月20日,以一箭三星式完成任務,是中國第一次嘗試一箭三星。
風暴-1之設計後來被長征2號D型火箭與長征4號運載火箭吸收運用。
2.3.3 長征-2號C(丙)、D(丁)火箭
長征-2號是拿東風-5型彈道飛彈彈體直接改裝而來,由第七機械工業部第一研究院(今天中國運載火箭技術研究院)負責,長征-2號火箭長32.6公尺,最大直徑3.35公尺,起飛重量190噸,近地軌道運載能力1.8噸,比起長征-1號的運載能力300公斤,已經是天差地遠。其火箭引擎為YF-20、YF-21,使用有毒的液體燃料四氧化二氮/偏二甲肼為推進劑。
1975年11月26日,長征-2號火箭在酒泉發射中心成功發射中國第一顆可回收衛星「尖兵一號」,該顆衛星在地球軌道上運轉3天,繞行47圈後成功返回地球並回收,尖兵一號儀器設備重量超過1.5噸,是東方紅一號衛星的10倍重,可看出長征-2型的承載力驚人。
之後長征-2丙運載火箭成為中國發射高度在500公里以下,各種近地軌道衛星發射任務的主要運載工具。
2024年2月3日,長征-2丙運載火箭代客發射,幫中國的私有車企吉利集團以1箭11星方式將吉利集團的「吉利未來出行星座第二軌」的第二批11顆衛星打上軌道,加上原先已在軌道的9枚衛星,吉利集團已經實現全球衛星定位、通訊、遙感等天第一體的各種智能服務提供的基礎建設。但在國家千辛萬苦建立北斗導航衛星且要求全國一致使用的情況下,吉利另外搞自己的一套私企導航系統,這在政治上是相當不正確的行為,就不知道吉利要怎麼跟中央軍委解釋了。
2.3.4 長征-2號F(己)、F/G運載火箭
雖然長征-2號火箭是1970年代之古老產物,但由於該系列使用上來說相當可靠,因此一直沿用到今天,成為專門用來發射神舟-1號到神舟-16號太空飛船的火箭推進力。
1999年至2011年間,是由長征2F火箭來運載神舟-1號到神舟-7號飛船,2011年後,由改進型長征2F/G運載火箭來發射神舟8號到神舟16號飛船與天宮1號、2號與空天飛機等任務。
長征2號火箭是二級綑綁型火箭,底部有四個液體燃料推進器,綑綁在彈芯兩級火箭與上方整流罩與逃逸塔等組成部分。每一枚造價約2億人民幣。
2.3.5 長征-3號火箭
長征3號火箭是在長征-2C(丙)火箭底下再增加第三級氫氧引擎YF-73而製成,可以在空中再一次點火上升,動力更足。
1984年1月29日,長征3號火箭在西昌衛星發射基地點火升空,以將「東方紅-2號試驗通信衛星」發射到地球同步轉移軌道。但是第三級氫氧引擎點火失敗,衛星只能進入大橢圓軌道,遠地點高度6,480公里。
同年4月8日,長征-3號運載火箭再度自西昌發射,第三級也順利點火成功,把第二顆東方紅-2號試驗通信衛星送入地球同步轉移軌道,該衛星順利定點在東京125度赤道上空,成為中國第一顆靜止軌道同步通信衛星。中國此階段掌握了低溫高能推進技術、低溫引擎高空二次點火技術、獨立研製與發射地球靜止軌道通信衛星等技術。
1986年2月1日,長征-3號火箭將中國東方紅-2號實用廣播衛星發射入軌道,建立自主衛星通信事業,該通信衛星可滿足八成以上中國的通信需求,配合陸續發展鋪設的海底電纜,中國資通訊產業不需要依靠外國資源。
不過雖然長征-3號甲型火箭於1994年完成首飛後便投入使用,但1996年2月15日,長征-3號乙型運載火箭在西昌衛星發射中心發射「國際通信衛星708星」時失敗,起飛22秒後隨即撞毀在附近山坡,還導致6人死亡,57人受傷,是中國航天史上最嚴重的事故。後續報導指為火箭控制系統慣性元件的工藝有缺陷所導致。
1996年7月3日,長征-3型火箭成功發射香港亞太IA通信衛星,但當年8月18日,長征-3號再度發射美國休斯公司製造的靜地軌道通信衛星,但由中國通信廣播衛星公司使用的「中星七號」通信衛星時,其三級引擎的二次點火失敗,導致衛星無法進入軌道,發射任務宣告失敗。
這個失敗對中國航天的商業代發射衛星的業務造成信譽上的損傷,許多國外客戶撤回委託,甚至保險公司要提高對長征火箭發射的保費等。中國航天行業對此做出嚴厲的自我反省,並在提高質量問題上,做出嚴格規範要求。最終,竟使中國航天工業從此連續十多年在運載火箭發射上,再也沒有失敗狀況發生,可謂因禍得福。
2.3.6 長征-3號B、C改進型火箭
在21世紀後,長征3號火箭也出現B、C改進型(或稱乙型、丙型)並獲得重新運用在遠征系列多軌道轉移平台上,多達20餘次的發射,使長征三號火箭重新煥發光彩。
中國的北斗系列導航衛星群,與低軌通信衛星群,都是由長征3B、3C火箭所發射升空的。
2.3.7 長征-4號系列火箭
之前提過由上海航天技術研究院生產的暴風-1號運載火箭,因為八次發射有四次失敗,最後被淘汰不再使用。但因為它的大噸位可投送之載荷多,因此上海航天技術研究院以風暴-1號為藍本,繼續改進研發新一代用於發射地球同步軌道衛星的三級常溫燃料,也就是長征-4號推進火箭與後續衍生的長征-4號家族系列火箭。
1988年9月7日,由上海航天技術研究院研製的長征-4號甲型運載火箭,第一次從太原衛星發射中心搭載中國第一顆太陽同步軌道衛星,與第一顆傳輸型遙感衛星風雲一號A星發射升空,順利進入軌道。
長征-4號火箭是用風暴-1號搭配裝載液體常溫推進劑(四氧化二氮+偏二甲肼)之第三級而成,全長47.977公尺,升空質量249噸、到「太陽同步軌道」 的運載能力有2.5噸,推力2962噸。長征4號A、B、C、(甲、乙、丙)型號先後投入使用,並將大量太陽軌道衛星送入軌道。從1988年首次發射到2023年4月16日第48枚長征-4火箭發射,除了為中國衛星發射服務外,也幫許多國家發射衛星,總成功率達97.92%。
2.3.8 長征-5號系列火箭
長征-5號運載火箭是新一代5公尺直徑大型綑綁運載液體火箭,實際運送到近地軌道的運力為25噸,算是相當巨大的運力。
這款火箭是2006年開始批准立項進行研發,由「天津航天長征火箭製造公司」負責生產製造,並曾經以載人發射為目標。2016年11月3日,長征-5型遙一號火箭在海南文昌航天發射場第一次試射成功。可是2017年7月2日發射長征-5型遙二號火箭時,卻墜毀在太平洋上,最後發現應該是液氧發動機的渦輪排氣裝置發熱變形,導致最終失敗墜毀。
經過多次排查修改,2019年10月27日,長征-5型遙三號火箭在海南文昌發射場發射升空,順利將「東方紅五號平台實踐20號衛星」射入超同步轉移軌道,正常運作。證明長征-5號是正常運作無虞的。此後長征-5號火箭成為搭載大型太空船或衛星的主要載具,與專門搭載神舟的長征-2F並列兩大中國太空任務發射主力。
長征-5火箭接下來的發射任務是2020年4月發射中國第一艘火星探測器「天問一號」,長征-5火箭與天問一號探測器的組合在2020年7月23日中午12:41發射升空,箭器脫離在距離地表470公里高空,太陽傘也自動展開成功,這被認為是中國開展的第一次「行星際飛行任務」,也是第一次火星探測任務。而火星向來是被認為是太陽系裡面唯一勉強適合人類居住的星球,很多人懷疑火星上曾經有生命,甚至地球上的生命是由火星上來的,因此探索火星並建立殖民地是極具意義的。
2021年2月10日,天問一號探測器抵達火星外圍的環繞火星軌道,如果沒有進一步制動的話,就會成為一顆環繞火星旋轉的人造衛星了,但在當年5月15日,地球總部操作下,天問一號探測器的著陸器帶著一輛「祝融號火星車」在火星表面順利降落於烏托邦平原上,中國也加入了對火星探測任務的國家行列。曾經參與過對火星探測或開發的國家計有蘇聯、美國、日本、印度、歐洲、阿聯大公國等,再加上民間公司SpaceX。
因此每次用上長征5號火箭,就代表要出遠門了,才需要一次送上大質量的飛船到太空,每一次向太空的出發,就是向人類未知的領域前往探索。
2.3.9 長征-6號火箭
長征-6號運載火箭是上海航天技術研究院,也就是火箭院研發的三級液體燃料火箭,有1噸的太陽同步軌道(距離地球表面700公里高度)有效載荷運力,高度29.287公尺,直徑3.35公尺,重量103噸,可執行多種軌道發射任務,可單星發射、多星發射、網狀布星等,通常是由太原衛星發射中心進行發射,迄今已發射過11次,皆成功,第一次發射是在2015年9月20日,將20顆微型衛星(10立方公分級)射入軌道,等於是一箭多星。
之後陸續發射共11次,也多半是一箭多星,有送上近地軌道的,也有送上太陽同步軌道的,多是小型衛星。
2.3.10 長征-7號火箭
長征-7號火箭是一款中型火箭,長度53公尺,直徑3.35公尺,有兩節推進段,到近地軌道之載荷為14噸,到太陽同步軌道載荷為5-9噸。火箭採用煤油/液氧之液體燃料,最上面可加裝「遠征一號甲-上面級」之多彈頭酬載工具。
2010年,長征2F改進型火箭被重新命名為長征-7號運載火箭,結合長征-2F火箭與長征-5號火箭之新技術,有更高可靠性與安全性。它的可靠性指標0.98是國際上所有運載火箭可靠性設計指標中最高的,甚至比前身長征-2F火箭0.97的指標還要高,最適合用於載人任務。
2016年開始,長征-7號運載火箭在海南文昌發射場首飛,發射一堆飛船飛行器到太空,包括「多用途飛船縮比返回艙、遨龍一號空間碎片主動清理飛行器、天鴿飛行器、天源一號在軌加注實驗裝置、遨翔之星太空飛行器」等試驗器材。
2017年4月20日,長征-7號發射天舟1號貨運飛船到太空,順利成功,天舟一號與天宮二號太空站進行對接,補給物資,還進行一些科學實驗。
2021年5月59日,天舟2號運飛船發射成功,不過在發射前三度推遲發射,以處理零件損壞異常之狀況,因為任何一點問題都可能造成發射失敗的悲劇。
2021年9月20日,天舟3號貨運飛船發射。2022年5月10日,天舟4號貨運飛船發射。2022年11月12日,天舟5號貨運飛船發射。
最新的一次天舟貨運補給任務是2023年5月10日,由海南文昌發射場發射的天舟6號貨運飛船,渠已順利在5月11日與天宮太空站之天和核心艙後向對接成功,此時貨運能力達7.4噸。特地趕在神舟16號載人太空船發射之前運補到天宮太空站,也是讓太空人在站上有更充裕的物資可以維生,畢竟在太空中,任何一滴水或一克食物,都是得要從地球用火箭動力運上去的,可以說價比黃金都不為過。
至於2024年,也已經規劃兩次天舟貨運飛船運補的任務,一樣是與天和核心艙對接。
圖2-18 天舟6號貨運飛船製造測試中(中國新聞社,公有領域)
2023年5月10日,天舟6號貨運飛船發射。與天宮空間站天和核心艙後向埠順利對接,自己船身也成為天宮空間站的一部份。天舟六號本身是天宮號空間站的第11個對接組件,也是第九艘到訪的太空載具,貨物運輸能力由過去6.9噸提升到7.4噸,主要運輸了服裝、食品、飲用水、70公斤水果,用於神舟15號與神舟16號成員的需求,還有太空站燃料用電推進氙氣瓶、新型光學雷達、其他實驗工具等。這也是太空站應用發展階段的貨運補給任務,由於未來載荷增加,天舟貨運飛船的運補頻率將由一年兩艘調整為兩年三艘。
未來中國的商用代客發射衛星市場,本款中型火箭應該可以佔有一席之地,將逐步取代長征-2號、長征-3號、長征-4號中型火箭,成為大型長征-5號火箭與小型長征-6號火箭之間的中型火箭發射主力。目前長征-7號都是用來發射天舟貨運飛船,成功率高效果好,未來可以開發新國際客戶用來出口創匯。
2.3.11 長征-8號火箭
這是一款因應商用市場需求開發的液體運載火箭,主要發射太陽同步軌道衛星,由中國航天科技集團第一研究院研發生產,採用煤油與液氧等無毒燃料,是一種中型火箭。
圖2-20 長征-8號火箭(維基百科,公有領域)
長征-8火箭融合了長征-7與長征-3A火箭之技術,第一節使用兩台YF-100火箭引擎,可燃燒184秒,使用煤油與液氧;第二節火箭使用兩台YF-75火箭引擎,可燃燒464秒,使用液氧與液氫燃料。到700公里高太陽同步軌道之運載能力是5噸,近地軌道運載能力8.1噸,地球同步轉移軌道之運載能力則為2.8噸,大概每10天可以發射一次。
它的發射成本低、方便好用,可滿足未來中低軌道高密度發射任務,以及中高軌道商業發射市場的需求。最特別的是,它是朝向完全可回收目標而做的現役火箭,預計在2030年前,做到箭身完全回收再運用的目標。倘若能做到,發射成本還能進一步降低。
長征-8型火箭的第一次發射在2020年12月22日,由海南文昌發射場進行首射成功。2022年2月27日,長征-8號遙2火箭一次性將22顆衛星發射升空到太陽同步軌道,創下中國一次發射最多衛星的紀錄。
2.3.12 長征-11號火箭
長征-11號運載火箭,是中國航天科技集團發展的一種4級小型固體燃料火箭,用於發射小型衛星。高度20.9公尺,直徑2公尺、總重58噸,有4節火箭箭身。太陽同步軌道運載能力350公斤,可從陸地發射場以輪式機動發射車發射(與機動彈道飛彈發射模式極像),或從海上發射中心發射。首射是2015年9月25日,迄今已有16次成功發射經驗。而且這火箭是一箭多星,可以搭載多枚衛星一起升空,經由16次的發射,已經把五十多枚衛星送上太陽同步軌道或近地軌道,發揮各自的作用。
2019年6月5日,此款火箭從海上發射平台發射,是中國首次運載火箭的海上發射,之後多次在不同海域,如黃海、東海等地之海上發射平台發射升空都順利成功,代表這款火箭是非常成功的。
圖2-21 1箭4星之長征11號遙6運載火箭點火瞬間(中國新聞社,公有領域)
固體燃料火箭對於中國來說是新科技,現在也不斷在改進中,未來改進目標是將載運到太陽同步軌道(距地表700公里)之載荷,由目前500公斤提高到1.5噸。不過這款火箭是不可重複使用的,發射完就燒毀。
而這款固體燃料火箭,極可能是由同樣是固體燃料火箭的東風-31型洲際彈道飛彈改裝而來的,因為一樣是中國航天科技集團生產,一樣是三級固體火箭,只是長征-11號火箭比東風-31型彈道飛彈在外型上要再大號一點,以裝載更多載荷上太空。
但兩者一樣是屬輕便型的,東風-31洲際彈道飛彈是可以由發射井、鐵路發射車、16輪重型車輛發射車來機動並隨時擇地發射的,因此做為武器來講,它機動隱蔽性很好,做為太空運載火箭來說,則可以拉到世界任何適合太空發射的地點來進行海上發射,也許未來中國還會生產太空火箭發射船,直接把火箭拉到赤道地區等距太空最近點來進行發射,這樣既遠離人口稠密區,避免發射失敗可能造成之傷害,也可以節省燃料以將更多載荷送上太空。ㄏ
2.3.13 捷龍-3號運載火箭
本款火箭是中國航天科技集團旗下一院「中國運載火箭技術研究院」生產的全固體燃料運載火箭。可能是因為是想要面向市場,不想與國家層面的長征火箭畫上等號,因此沒有使用長征系列來命名本款火箭,而是另取了一個捷龍三號(SD-3)火箭的名稱,也算是有自己的特色。捷龍-3號前,也有捷龍-1號與2號火箭,不過,捷龍-3號才是成熟產品。
圖2-22 捷龍-3號固體火箭發射升空(中國新聞社,公有領域)
這是一款不可回收的4級固體燃料火箭,裝接完成後高31.8公尺、直徑2.64公尺,重量140噸,到離地500公里高的太陽同步軌道之載荷能力為1,500公斤,算是重型火箭了。
它的首次飛行,是在2022年12月9日,由黃海東方航天港海上發射平台進行熱發射,一次裝載了14顆衛星之多,可見本款火箭酬載量之驚人。而且其頭部整流罩也做得特別大,裡面可以裝載的東西體積可以更大,這對爭取代射商業市場都是有幫助的。
第三次發射是在2024年2月3日在廣東陽江附近海域以海上發射平台發射升空,這次將9枚衛星送入預定之軌道,其中也有來自國外(埃及Nexsat-1衛星)的商業發射訂單。
由於本款火箭可以做到一箭20星的誇張程度,因此發射成本單位載荷可降到1公斤1萬美元之程度,可謂極具市場競爭力。
2.3.14 快舟-11號運載火箭
快舟11號運載火箭是中國航天科工集團研製的小型全固體燃料運載火箭,2020年試飛。直徑2.2公尺,至近地軌道酬載量為1,500公斤,至太陽同步軌道之酬載1,000公斤。
製造它的中國航天科工集團追求的目標是廉價,希望能把發射費用控制在每公斤1萬美元以內,與目前國際商業代射衛星市場上的每公斤運費2.5萬美元到4萬美元相較,直接砍了一半以上。如果以到地球近地軌道有效酬載1,000公斤為例,一般可收到2,500萬美元到4,000萬美元之報酬,但快舟-11號要將其壓低至1,000萬美元,表示無論火箭燃料、材料、控制、人力、營銷等所有成本都必須極度緊縮,還要有盈利,這確實不是很容易的目標。
不過以科工集團過去生產多款火箭與導彈之經驗與產能,壓低快舟-11號火箭之成本不會是問題,就算是中央國企也得要與民間航天企業競爭,否則一旦國家預算刪減,可就會受到影響了。
2.3.15 快舟-1號甲運載火箭
快舟-1號甲運載火箭曾稱做「飛天-1號」,是一款由中國航天科工集團製造之三節、不可回收通用型固體燃料火箭,直徑1.4公尺,發射至太陽同步軌道之酬載量為200公斤,算是小型火箭,只能運送微型衛星。從2017年1月9日編號遙一火箭發射迄今,已有26次發射經驗。
它可一箭多星,一次最多發射五枚衛星,在酒泉、西昌、太原都有發射紀錄。
2023年12月27日,中國以快舟-1號甲運載火箭將4枚衛星,也就是「天目一號氣象星座19號至22號4枚衛星」一次打上地球軌道。這四枚天目一號星座19星、20星、21星、22星都是由中國航天科工集團所研發生產,將用於提供氣象數據服務,星座網路全部建成之後,將可實現對全球氣候、海洋、大氣層、電離層之監控與預報。
2024年1月11日,快舟-1號甲運載火箭再度從酒泉發射,成功地把「天行一號02衛星」發射升空進入軌道,這顆衛星主要用於宇宙環境探測等實驗任務。而這次任務已經是本款火箭第26次發射。
2.3.16 雙曲線一號運載火箭
「北京星際榮耀空間科技有限公司」是中國最早一批民間航天企業之一,主打的「雙曲線一號(Hyperbola-1S)」運載火箭是一種4級小型固態燃料火箭,高24公尺、直經1.4公尺、發射重量42噸,有四節。到地球近地軌道(300公里高)的載荷是300公斤,到太陽同步軌道(500公里高)的有效載荷是300公斤,700公里高則是225公斤。第一次首飛是2018年4月5日,由酒泉發射中心發射升空,順利成功。
這款火箭從一開始就是面向代客發射衛星市場的,因此一定得要具有足夠市場競爭力,否則客戶直接找中國航天局的長征火箭代發射衛星就好,不需要找民間公司。
民間公司就是私營企業,比起國企的優勢就是沒有老大人事包袱,也不用打點上級或聽從上級非專業意見,一切都是商業考量,賺錢效率優先。因此星際榮耀空間做出這款四級固體火箭,發射報價是一次500萬美元,200-300公斤的載荷足夠放好多個中小型衛星了。
不過至今為止,星際榮耀空間發射過七次火箭,有三次失敗,這樣的成功率還有點不足,未來需要有更多成功案例才能說服客戶將衛星交給他們去發射,不然火箭失敗了,衛星也毀了,這種損失就算有保險補償,也是客戶不願意看見的。
該公司已經在研發雙曲線3號液體燃料運載火箭,計畫在2024年6月首飛,之後快速進入商業市場。雙曲線3號火箭將可選擇單支火箭、兩支火箭併聯、三支火箭併聯之選項給客戶選擇,客戶依據載荷選擇數量不同之火箭數量,十分經濟可行。而且火箭本身已經有可降落回收功能,降落腳架裝在火箭底部,可以順利垂直下降到落地,已經追上馬斯克SpaceX的腳步了。
星際榮耀空間公司除了運載火箭外,也試圖設計可以重複升空降落的太空亞軌道太空飛機,也就是空天飛機,但這個難度比起火箭可難上不只一點半點,不過誰知道呢?民間企業的靈活彈性與想像力無限,說不定哪天中國第一架真正的空天飛機就是由私人企業設計發明出來的也說不定。
2.3.17 穀神星/智神星號火箭
「星河動力航天」是一家位於北京的新創公司,也是空間科技公司,從2018年2月公司創立後,經由提出穀神星(CERES)、智神星太空運載火箭之創業提案,獲得天使基金投資,開始將火箭發動機、火箭箭身與上面級等設備研發出來。
這家航天公司不像那些騙國家補助的晶片生產公司,星河動力航天一頭鑽入原先是國家級勢力才能作的太空產業,而且按部就班逐步將火箭做出來,成立兩年多後,已經研發出固體燃料火箭、液體燃料火箭、各種不同功率的火箭引擎,還有火箭之「上面級」,也就是姿態調整器及搭載一箭多星之傾斜平台等,都研發出來使用。
穀神星-1號火箭到近地軌道之載荷為400公斤,到太陽同步軌道則是300公斤,直徑1.4公尺,箭身高2.3公尺,裝備有先進的液體燃料「上面級」,可以部署多枚衛星到不同軌道上。
在2020年11月,星河動力航空就成功發射「穀神星-1號(遙1)火箭」,將天啟11號衛星送入500公里高的太陽同步軌道,這是第一步成功。
2021年12月,成功發射穀神星-1號(遙2)火箭,順利將5顆商業衛星送入500公里太陽同步軌道,這是第二階段成功,顯然有成功案例在前,會給客戶更多的信心。2022年8月,穀神星-1號(遙3)火箭接著發射成功。
與北京星際榮耀空間公司一樣,星河動力航天名字取得很帥,但是做的工作卻是很嚴肅的科學系統工程,火箭技術牽涉很多,火箭本身的設計、力學、材料、燃料配比、自動控制,關關都是關卡,也許這些公司創辦人跟中國航天局有許多淵源,或者本身就是火箭工程師出身,但是做工程與做管理又是不一樣的事情。但是民間企業就是敢拼、敢做、敢想像,未來這些民營航天企業應該很有未來。
2.3.18 朱雀系列運載火箭
朱雀系列太空運載火箭(Zhuque-1)是中國民營企業「藍箭航天公司」研發生產的小型三級固態燃料火箭,高19公尺,直徑1.35公尺,重27噸。
2018年10月27日,其在酒泉衛星發射中心發射升空,是當時中國第一個飛上天的民營企業運載火箭,可惜雖然它升空第一級、第二級時,都燃燒正常,但第三級火箭出現異常,以致火箭最終無法進入近地軌道而墜至印度洋。
雖然不算成功的發射,但仍有其象徵意義。藍箭航空是中國第一家取得行業全部准入的民營火箭企業,也申獲中國第一張民營運載火箭發射許可證,等於是市場領頭羊。就算它的火箭表現不怎樣,也還是可以給他點時間的。
2023年12月9日,朱雀-2號遙3運載火箭從酒泉衛星發射中心順利發射升空,這次搭載的鴻鵠衛星、天儀33衛星及鴻鵠二號衛星都順利進入預定軌道。
朱雀-2號與朱雀-1號與使用固態燃料的火箭不同,改使用液態燃料(液氧與甲烷)為推進劑,美國SpaceX的獵鷹九號運載火箭也使用同樣成分的推進劑。朱雀-2號彈身49.5公尺,直徑3.35公尺,有兩級火箭,起飛重量219噸,推力268噸。
這次朱雀-2號火箭發射成功,代表中國民間航天企業又一次表現成功,而且同樣燃料配方的美國星艦火箭升空後就爆炸,與朱雀-2號順利進入軌道,完成發射衛星的使命,還是有差距的。
2.3.19 引力號運載火箭
在山東煙台有一家私人航天企業「東方空間(Orienspace)」,生產引力系列太空運載火箭、研發空天飛行器與空天裝備。這是一家2020年才成立的新公司,這家新創企業已經完成了四輪募資,募得10億人民幣。
引力-1號全固態燃料火箭在2024年1月11日第一次發射,而且是從海上發射平台上直接發射,順利成功引發關注,又一家中國航天公司有能力發射太空運載火箭了。這是一款中型固態燃料火箭,29.4公尺高,主火箭段外還有4個附加助推器,可以將6.5噸的載荷送上近地軌道,500公里高太陽同步軌道載荷4.2噸。
2.3.20 力箭-1號運載火箭
力箭-1號運載火箭(ZK-1A)是一款由中國科學院力學研究所與中科宇航公司共同設計的小型固體燃料火箭,中科宇航也是由中國科學院大部份持股的公司。因此這款火箭基本上就是中國科學院的專屬火箭。
這款火箭有四級構型,高30公尺、直徑2.65公尺、質量135噸,至200公里高近地軌道(LEO)載荷2噸,500公里高太陽同步軌道(SSO)載荷1.5噸。因此運載能力強,發射效率高、成本低、適合中小型衛星發射。
力箭-1號在2022年7月27日,由酒泉衛星發射中心完成首飛發射成功,也是目前中國最大的固體運載火箭,可以做到1箭6星。這次發射的衛星中,有中國科學院「微小衛星創新研究院」研製的空間新技術試驗衛星、軌道大氣密度探測試驗衛星、低軌道量子密鑰分發試驗衛星、電磁組裝試驗雙星、上海航天空間技術公司的南粵科學星等。
其實中國科學院作為載人航天工程三大發起部門之一,是領導空間應用系統的單位,因此中國科學院也開展航天技術是合法合理的。2022年發射的「問天實驗艙」中部署的生物學實驗項目,其實就是中國科學院做的。中國的天宮太空站中的國家太空實驗室,將持續進行大規模的太空科學試驗,努力研究宇宙起源演化、物質本質規律、人類在太空長期生活等科學問題,以解決太空智能製造、新一代材料、資訊科技核心技術等發展。
2024年1月23日,力箭-1號遙3火箭「歡樂春節號」於酒泉衛星發射基地順利升空,並攜帶了5顆「泰景系列衛星」順利進入軌道。這些監視衛星有光學遙感類的,也有合成孔徑雷達類衛星,光學遙感衛星可以拍攝到地面0.5公尺小的物體,還能拍到車輛行駛的方向等細節,等於就是間諜衛星,不過當然也可以用於資源探勘、城市規劃、環境變化偵測等科學功能。合成孔徑雷達衛星則可以在沒有光或者雲霧狀況下都可輕鬆將地表地形高低起伏完全照出輪廓來。
力箭一號火箭目前已經將37顆衛星順利送入太空,成功率是百分之百,有中國科學院的技術加持,顯然該公司火箭狀態甚佳。
2.3.21 吉利未來出行星座
2024年2月3日,長征-2丙運載火箭代客由西昌衛星發射中心發射,幫中國的私有車企吉利集團以1箭11星方式,將吉利集團的「吉利未來出行星座第二軌」的第二批11顆衛星打上軌道,加上原先已在軌道的9枚衛星,吉利集團已經可以實現全球衛星定位、通訊、遙感等天第一體的各種智能服務提供的基礎。
中國不是已經有了北斗定位衛星?吉利竟然能夠不使用北斗導航系統,自建自己的一套全球導航定位系統,真真不可思議,由此可見在中國,發射衛星已經是爛大街一樣的簡單事情。
「吉利未來出行星座」是吉利集團開發的,具備通信、導航、遙感等多功能一體的衛星網路,其第一期規劃部署72枚衛星,實現全球即時通信服務,第二期規劃布設168枚衛星實現全球高精準度衛星定位功能,未來該衛星網路將能達到手機直連衛星通信、終端設備的網路互聯、應急救援通信、自動駕駛定位等等,其遙感功能甚至可以看到地表1-5公尺的地表圖像。這些功能已經完全不輸於一個國家可以做到的太空計畫了。而吉利其下的許多車款也已經裝上吉利未來出行星座的終端裝置,可以使用該網路各項便利功能,吉利這套系統是全球第一套商用的衛星通訊導航遙感合一系統,未來吉利甚至可以轉型成為提供該項服務的廠商,靠提供衛星服務給其他車輛、船舶、飛行器等而收費,所以吉利在未來應該很有發展前景。不過也有一項很大的風險,就是如果吉利像其他車企一樣倒閉關門,這些打上太空軌道的衛星是否就可能淪為無人看顧的太空垃圾,這也是需要長久觀察注意的一點。
「吉利未來出行星座第一軌」在2022年6月2日已經進行1箭9星發射,將第一軌道9枚衛星放上軌道,2024年2月3日第二軌道之11枚衛星入列,代表「吉利未來出行星座」已經完成兩個地球軌道的衛星布設。未來後續將繼續發射,布設成更完整的網絡。
2.4 遠征系列衛星軌道轉移載具
繼長征系列火箭,中國又生產出「遠征上面級」系列的火箭發射貨運載荷軌道轉移平台,此為裝在運載火箭上頭的一個平台裝置,因為自帶火箭推進器,它可以帶著不同衛星轉移到不同軌道後再釋出,其實就等於是一艘無人自動貨運飛船的意思,但由於其功能更多,運量更大,被暱稱為「太空擺渡車」。
2.4.1 遠征1號載具
遠征1號(YZ-1)上面級飛船載具,相當於海軍的護衛艦,在太空領域定義為能夠獨立飛行的宇宙飛行器,可自主飛行、多次點火啟動,將多個航天器送入太空軌道的火箭頂端再往上增加的無人飛船載具。
圖2-33 遠征一號載具(中國航天科技集團官網)
遠征1號、遠征1號甲(YZ-1A)都是上面級太空火箭載具,可與3.35公尺直徑火箭對接,可執行低中高空地球軌道任務。
遠征一號是中國運載火箭技術研究院,也就是中國航天航空總公司第一研究院以長征三A型、長征2C型運載火箭之特色作基礎研發出來的新款太空運載火箭,可兩次點火,將衛星送入「中地球軌道」或「地球同步軌道」。
2015年7月25日,遠征1號配合長征三火箭從西昌衛星發射中心發射,三個半小時後,將兩顆衛星送入軌道。
2.4.2 遠征1號甲上面級載具
遠征一號甲(YZ-1A)太空載具是中國運載火箭技術研究院為長征-7號運載火箭設計的上面級,設計壽命達到48小時,可點火次數20次,也可按照電腦預先設定的程式將幾枚衛星部署到不同的軌道上。等到任務結束後,遠征一號甲上面級就會將自己調整到墜落回地球表面,通常在大氣層中就會燒毀殆盡,只剩下一些殘渣碎屑墜入海中,也不會造成地表受創。
2016年6月25日,在遠征一號甲載具在長征-7號(遙一)火箭推動下,將四個酬載物送上近地軌道。
2.4.3 遠征1號S載具
遠征1號S型上面級載具,分別在2018年10月19日、2021年8月24日、2021年11月3日進行發射。第四次發射是在2022年5月20日,由酒泉衛星發射中心以長征二號C運載火箭+遠征1號S上面級,以一箭三星方式將3顆低軌通信試驗衛星送入軌道,這種低軌通信衛星是要用來試驗通信驗證,未來好跟SpaceX公司的星鍊打對台。
第五次發射在2023年7月9日,發射的是衛星互聯網技術試驗衛星。
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2.3 各款太空運載火箭
太空運載火箭基本上就是洲際彈道飛彈的推進段,兩者通用且可相互使用。
中國將其太空運載火箭以長征家族為名,從長征一號到現在的長征七號,各款還有不同的改進型。曾經一度有「暴風一號」之名,但因發生事故不吉利,該系列名稱便不再使用。
現在使用最多的是長征二號F系列,專用於神舟飛船之液體燃料火箭,其實如果舊款彈道飛彈要退役了,直接拿來作為太空推進火箭用,其實也是一個極好的用途,將原本軍事殺人的用途改為發展太空事業,意義完全就不一樣了。
我們可以看到,從一開始火箭就是使用液體燃料為主,也就是使用具有高比衝高比推力的化學液體推進劑,又可分為「單組元推進劑」,也就是液化氣體如液氫、液氧等,以及雙組元推進劑(又分可自燃推進劑、不可自燃靠點火之推進劑),如煤油混液氧,與三組元推進劑。
迄今我們看過不少液體燃料組合,如液氫與液氧、如煤油加液氫或其他有毒化學推進劑,如長征一號使用的「液體硝酸與偏二甲基聯氨」等。當然世界各國對於火箭燃料的配比做過非常多的嘗試,大約170種以上的配方被研究過,因為要考量到易用性、價格成本、對環境影響、性能等因素。
接下來讓我們來看中國的長征家族各火箭。
2.3.1 長征-1號火箭
長征-1號火箭是在東風-4號、東風-5型彈道導彈基礎上,設計生產的中國第一款太空運載火箭。火箭的一、二級就是東風-4型彈道飛彈的彈體,再加上第三級一個固體燃料火箭發射器組成。當時已經知道使用多節火箭疊加,加大舉升力度。
1970年4月24日,長征-1號運載火箭搭載東方紅1號人造衛星,自酒泉發射基地發射成功,使中國成為當時世界上,繼蘇聯、美國、法國、日本之後,第五個完成衛星發射的國家。1971年,長征-1號火箭將「實踐一號科學探測技術試驗衛星」順利發射到近地橢圓軌道上。
長征-1號火箭是三級結構,前兩級推進器為液體燃料硝酸與偏二甲基聯氨,第三級為固體推進劑,彈身全長29.46公尺,最大直徑2.25公尺,起飛重量81.5噸,近地軌道運載能力300公斤。
長征-1號火箭在1970年與1971年兩次成功發射,證明設計與結構是妥適的。1971年,在其基礎上,順利完工東風-5型彈道飛彈並成功試射。
長征-1號火箭與東風-5彈道飛彈,後續衍生「風暴1號、長征-2號家族系列、長征-3號系列、長征-4號系列火箭」,為中國後續五十年的太空事業奠定長遠堅實基礎。長征-1號系列在1990年代起,有開發出一款「長征1號丁型火箭」,但也是在亞軌道高空進行試驗,並未突破到外層空間,最後長征-1型火箭完全退役不再使用。
2.3.2 風暴-1號火箭
本款運載火箭是上海第二機電工業局基於東風-5的設計而研發的運載火箭,規格與長征-2C一致。它的源起是當時國務院總理周恩來要求上海也要能夠設計生產彈道飛彈、火箭、衛星等,以便在北京的第七機械部一分院之研發能量外,在上海第二機電工業局也建立一樣的研發能量。這就是上海二機收到的命令,中央軍委下達的「701工程」,研發「風暴-1號火箭」與「長空-1號衛星」。
這是一款兩級的液體燃料火箭,可將1,500公斤物品送上近地軌道,在當時已經算是大酬載火箭,生產過程很順利又快,不到一年就生產出品進行測試,但在風暴-1號生命中總共8次的發射中,有4次是失敗的,比起其他型號之火箭故障率高得多。
然而風暴-1號火箭至少是當時唯一能將超過一噸酬載送上太空的大型火箭。它的各種試驗也為東風-5飛彈的完善作出貢獻。
風暴-1號火箭最後一次發射在1981年9月20日,以一箭三星式完成任務,是中國第一次嘗試一箭三星。
風暴-1之設計後來被長征2號D型火箭與長征4號運載火箭吸收運用。
2.3.3 長征-2號C(丙)、D(丁)火箭
長征-2號是拿東風-5型彈道飛彈彈體直接改裝而來,由第七機械工業部第一研究院(今天中國運載火箭技術研究院)負責,長征-2號火箭長32.6公尺,最大直徑3.35公尺,起飛重量190噸,近地軌道運載能力1.8噸,比起長征-1號的運載能力300公斤,已經是天差地遠。其火箭引擎為YF-20、YF-21,使用有毒的液體燃料四氧化二氮/偏二甲肼為推進劑。
1975年11月26日,長征-2號火箭在酒泉發射中心成功發射中國第一顆可回收衛星「尖兵一號」,該顆衛星在地球軌道上運轉3天,繞行47圈後成功返回地球並回收,尖兵一號儀器設備重量超過1.5噸,是東方紅一號衛星的10倍重,可看出長征-2型的承載力驚人。
之後長征-2丙運載火箭成為中國發射高度在500公里以下,各種近地軌道衛星發射任務的主要運載工具。
2024年2月3日,長征-2丙運載火箭代客發射,幫中國的私有車企吉利集團以1箭11星方式將吉利集團的「吉利未來出行星座第二軌」的第二批11顆衛星打上軌道,加上原先已在軌道的9枚衛星,吉利集團已經實現全球衛星定位、通訊、遙感等天第一體的各種智能服務提供的基礎建設。但在國家千辛萬苦建立北斗導航衛星且要求全國一致使用的情況下,吉利另外搞自己的一套私企導航系統,這在政治上是相當不正確的行為,就不知道吉利要怎麼跟中央軍委解釋了。
2.3.4 長征-2號F(己)、F/G運載火箭
雖然長征-2號火箭是1970年代之古老產物,但由於該系列使用上來說相當可靠,因此一直沿用到今天,成為專門用來發射神舟-1號到神舟-16號太空飛船的火箭推進力。
1999年至2011年間,是由長征2F火箭來運載神舟-1號到神舟-7號飛船,2011年後,由改進型長征2F/G運載火箭來發射神舟8號到神舟16號飛船與天宮1號、2號與空天飛機等任務。
長征2號火箭是二級綑綁型火箭,底部有四個液體燃料推進器,綑綁在彈芯兩級火箭與上方整流罩與逃逸塔等組成部分。每一枚造價約2億人民幣。
2.3.5 長征-3號火箭
長征3號火箭是在長征-2C(丙)火箭底下再增加第三級氫氧引擎YF-73而製成,可以在空中再一次點火上升,動力更足。
1984年1月29日,長征3號火箭在西昌衛星發射基地點火升空,以將「東方紅-2號試驗通信衛星」發射到地球同步轉移軌道。但是第三級氫氧引擎點火失敗,衛星只能進入大橢圓軌道,遠地點高度6,480公里。
同年4月8日,長征-3號運載火箭再度自西昌發射,第三級也順利點火成功,把第二顆東方紅-2號試驗通信衛星送入地球同步轉移軌道,該衛星順利定點在東京125度赤道上空,成為中國第一顆靜止軌道同步通信衛星。中國此階段掌握了低溫高能推進技術、低溫引擎高空二次點火技術、獨立研製與發射地球靜止軌道通信衛星等技術。
1986年2月1日,長征-3號火箭將中國東方紅-2號實用廣播衛星發射入軌道,建立自主衛星通信事業,該通信衛星可滿足八成以上中國的通信需求,配合陸續發展鋪設的海底電纜,中國資通訊產業不需要依靠外國資源。
不過雖然長征-3號甲型火箭於1994年完成首飛後便投入使用,但1996年2月15日,長征-3號乙型運載火箭在西昌衛星發射中心發射「國際通信衛星708星」時失敗,起飛22秒後隨即撞毀在附近山坡,還導致6人死亡,57人受傷,是中國航天史上最嚴重的事故。後續報導指為火箭控制系統慣性元件的工藝有缺陷所導致。
1996年7月3日,長征-3型火箭成功發射香港亞太IA通信衛星,但當年8月18日,長征-3號再度發射美國休斯公司製造的靜地軌道通信衛星,但由中國通信廣播衛星公司使用的「中星七號」通信衛星時,其三級引擎的二次點火失敗,導致衛星無法進入軌道,發射任務宣告失敗。
這個失敗對中國航天的商業代發射衛星的業務造成信譽上的損傷,許多國外客戶撤回委託,甚至保險公司要提高對長征火箭發射的保費等。中國航天行業對此做出嚴厲的自我反省,並在提高質量問題上,做出嚴格規範要求。最終,竟使中國航天工業從此連續十多年在運載火箭發射上,再也沒有失敗狀況發生,可謂因禍得福。
2.3.6 長征-3號B、C改進型火箭
在21世紀後,長征3號火箭也出現B、C改進型(或稱乙型、丙型)並獲得重新運用在遠征系列多軌道轉移平台上,多達20餘次的發射,使長征三號火箭重新煥發光彩。
中國的北斗系列導航衛星群,與低軌通信衛星群,都是由長征3B、3C火箭所發射升空的。
2.3.7 長征-4號系列火箭
之前提過由上海航天技術研究院生產的暴風-1號運載火箭,因為八次發射有四次失敗,最後被淘汰不再使用。但因為它的大噸位可投送之載荷多,因此上海航天技術研究院以風暴-1號為藍本,繼續改進研發新一代用於發射地球同步軌道衛星的三級常溫燃料,也就是長征-4號推進火箭與後續衍生的長征-4號家族系列火箭。
1988年9月7日,由上海航天技術研究院研製的長征-4號甲型運載火箭,第一次從太原衛星發射中心搭載中國第一顆太陽同步軌道衛星,與第一顆傳輸型遙感衛星風雲一號A星發射升空,順利進入軌道。
長征-4號火箭是用風暴-1號搭配裝載液體常溫推進劑(四氧化二氮+偏二甲肼)之第三級而成,全長47.977公尺,升空質量249噸、到「太陽同步軌道」 的運載能力有2.5噸,推力2962噸。長征4號A、B、C、(甲、乙、丙)型號先後投入使用,並將大量太陽軌道衛星送入軌道。從1988年首次發射到2023年4月16日第48枚長征-4火箭發射,除了為中國衛星發射服務外,也幫許多國家發射衛星,總成功率達97.92%。
2.3.8 長征-5號系列火箭
長征-5號運載火箭是新一代5公尺直徑大型綑綁運載液體火箭,實際運送到近地軌道的運力為25噸,算是相當巨大的運力。
這款火箭是2006年開始批准立項進行研發,由「天津航天長征火箭製造公司」負責生產製造,並曾經以載人發射為目標。2016年11月3日,長征-5型遙一號火箭在海南文昌航天發射場第一次試射成功。可是2017年7月2日發射長征-5型遙二號火箭時,卻墜毀在太平洋上,最後發現應該是液氧發動機的渦輪排氣裝置發熱變形,導致最終失敗墜毀。
經過多次排查修改,2019年10月27日,長征-5型遙三號火箭在海南文昌發射場發射升空,順利將「東方紅五號平台實踐20號衛星」射入超同步轉移軌道,正常運作。證明長征-5號是正常運作無虞的。此後長征-5號火箭成為搭載大型太空船或衛星的主要載具,與專門搭載神舟的長征-2F並列兩大中國太空任務發射主力。
長征-5火箭接下來的發射任務是2020年4月發射中國第一艘火星探測器「天問一號」,長征-5火箭與天問一號探測器的組合在2020年7月23日中午12:41發射升空,箭器脫離在距離地表470公里高空,太陽傘也自動展開成功,這被認為是中國開展的第一次「行星際飛行任務」,也是第一次火星探測任務。而火星向來是被認為是太陽系裡面唯一勉強適合人類居住的星球,很多人懷疑火星上曾經有生命,甚至地球上的生命是由火星上來的,因此探索火星並建立殖民地是極具意義的。
2021年2月10日,天問一號探測器抵達火星外圍的環繞火星軌道,如果沒有進一步制動的話,就會成為一顆環繞火星旋轉的人造衛星了,但在當年5月15日,地球總部操作下,天問一號探測器的著陸器帶著一輛「祝融號火星車」在火星表面順利降落於烏托邦平原上,中國也加入了對火星探測任務的國家行列。曾經參與過對火星探測或開發的國家計有蘇聯、美國、日本、印度、歐洲、阿聯大公國等,再加上民間公司SpaceX。
因此每次用上長征5號火箭,就代表要出遠門了,才需要一次送上大質量的飛船到太空,每一次向太空的出發,就是向人類未知的領域前往探索。
2.3.9 長征-6號火箭
長征-6號運載火箭是上海航天技術研究院,也就是火箭院研發的三級液體燃料火箭,有1噸的太陽同步軌道(距離地球表面700公里高度)有效載荷運力,高度29.287公尺,直徑3.35公尺,重量103噸,可執行多種軌道發射任務,可單星發射、多星發射、網狀布星等,通常是由太原衛星發射中心進行發射,迄今已發射過11次,皆成功,第一次發射是在2015年9月20日,將20顆微型衛星(10立方公分級)射入軌道,等於是一箭多星。
之後陸續發射共11次,也多半是一箭多星,有送上近地軌道的,也有送上太陽同步軌道的,多是小型衛星。
2.3.10 長征-7號火箭
長征-7號火箭是一款中型火箭,長度53公尺,直徑3.35公尺,有兩節推進段,到近地軌道之載荷為14噸,到太陽同步軌道載荷為5-9噸。火箭採用煤油/液氧之液體燃料,最上面可加裝「遠征一號甲-上面級」之多彈頭酬載工具。
2010年,長征2F改進型火箭被重新命名為長征-7號運載火箭,結合長征-2F火箭與長征-5號火箭之新技術,有更高可靠性與安全性。它的可靠性指標0.98是國際上所有運載火箭可靠性設計指標中最高的,甚至比前身長征-2F火箭0.97的指標還要高,最適合用於載人任務。
2016年開始,長征-7號運載火箭在海南文昌發射場首飛,發射一堆飛船飛行器到太空,包括「多用途飛船縮比返回艙、遨龍一號空間碎片主動清理飛行器、天鴿飛行器、天源一號在軌加注實驗裝置、遨翔之星太空飛行器」等試驗器材。
2017年4月20日,長征-7號發射天舟1號貨運飛船到太空,順利成功,天舟一號與天宮二號太空站進行對接,補給物資,還進行一些科學實驗。
2021年5月59日,天舟2號運飛船發射成功,不過在發射前三度推遲發射,以處理零件損壞異常之狀況,因為任何一點問題都可能造成發射失敗的悲劇。
2021年9月20日,天舟3號貨運飛船發射。2022年5月10日,天舟4號貨運飛船發射。2022年11月12日,天舟5號貨運飛船發射。
最新的一次天舟貨運補給任務是2023年5月10日,由海南文昌發射場發射的天舟6號貨運飛船,渠已順利在5月11日與天宮太空站之天和核心艙後向對接成功,此時貨運能力達7.4噸。特地趕在神舟16號載人太空船發射之前運補到天宮太空站,也是讓太空人在站上有更充裕的物資可以維生,畢竟在太空中,任何一滴水或一克食物,都是得要從地球用火箭動力運上去的,可以說價比黃金都不為過。
至於2024年,也已經規劃兩次天舟貨運飛船運補的任務,一樣是與天和核心艙對接。
圖2-18 天舟6號貨運飛船製造測試中(中國新聞社,公有領域)
2023年5月10日,天舟6號貨運飛船發射。與天宮空間站天和核心艙後向埠順利對接,自己船身也成為天宮空間站的一部份。天舟六號本身是天宮號空間站的第11個對接組件,也是第九艘到訪的太空載具,貨物運輸能力由過去6.9噸提升到7.4噸,主要運輸了服裝、食品、飲用水、70公斤水果,用於神舟15號與神舟16號成員的需求,還有太空站燃料用電推進氙氣瓶、新型光學雷達、其他實驗工具等。這也是太空站應用發展階段的貨運補給任務,由於未來載荷增加,天舟貨運飛船的運補頻率將由一年兩艘調整為兩年三艘。
未來中國的商用代客發射衛星市場,本款中型火箭應該可以佔有一席之地,將逐步取代長征-2號、長征-3號、長征-4號中型火箭,成為大型長征-5號火箭與小型長征-6號火箭之間的中型火箭發射主力。目前長征-7號都是用來發射天舟貨運飛船,成功率高效果好,未來可以開發新國際客戶用來出口創匯。
2.3.11 長征-8號火箭
這是一款因應商用市場需求開發的液體運載火箭,主要發射太陽同步軌道衛星,由中國航天科技集團第一研究院研發生產,採用煤油與液氧等無毒燃料,是一種中型火箭。
圖2-20 長征-8號火箭(維基百科,公有領域)
長征-8火箭融合了長征-7與長征-3A火箭之技術,第一節使用兩台YF-100火箭引擎,可燃燒184秒,使用煤油與液氧;第二節火箭使用兩台YF-75火箭引擎,可燃燒464秒,使用液氧與液氫燃料。到700公里高太陽同步軌道之運載能力是5噸,近地軌道運載能力8.1噸,地球同步轉移軌道之運載能力則為2.8噸,大概每10天可以發射一次。
它的發射成本低、方便好用,可滿足未來中低軌道高密度發射任務,以及中高軌道商業發射市場的需求。最特別的是,它是朝向完全可回收目標而做的現役火箭,預計在2030年前,做到箭身完全回收再運用的目標。倘若能做到,發射成本還能進一步降低。
長征-8型火箭的第一次發射在2020年12月22日,由海南文昌發射場進行首射成功。2022年2月27日,長征-8號遙2火箭一次性將22顆衛星發射升空到太陽同步軌道,創下中國一次發射最多衛星的紀錄。
2.3.12 長征-11號火箭
長征-11號運載火箭,是中國航天科技集團發展的一種4級小型固體燃料火箭,用於發射小型衛星。高度20.9公尺,直徑2公尺、總重58噸,有4節火箭箭身。太陽同步軌道運載能力350公斤,可從陸地發射場以輪式機動發射車發射(與機動彈道飛彈發射模式極像),或從海上發射中心發射。首射是2015年9月25日,迄今已有16次成功發射經驗。而且這火箭是一箭多星,可以搭載多枚衛星一起升空,經由16次的發射,已經把五十多枚衛星送上太陽同步軌道或近地軌道,發揮各自的作用。
2019年6月5日,此款火箭從海上發射平台發射,是中國首次運載火箭的海上發射,之後多次在不同海域,如黃海、東海等地之海上發射平台發射升空都順利成功,代表這款火箭是非常成功的。
圖2-21 1箭4星之長征11號遙6運載火箭點火瞬間(中國新聞社,公有領域)
固體燃料火箭對於中國來說是新科技,現在也不斷在改進中,未來改進目標是將載運到太陽同步軌道(距地表700公里)之載荷,由目前500公斤提高到1.5噸。不過這款火箭是不可重複使用的,發射完就燒毀。
而這款固體燃料火箭,極可能是由同樣是固體燃料火箭的東風-31型洲際彈道飛彈改裝而來的,因為一樣是中國航天科技集團生產,一樣是三級固體火箭,只是長征-11號火箭比東風-31型彈道飛彈在外型上要再大號一點,以裝載更多載荷上太空。
但兩者一樣是屬輕便型的,東風-31洲際彈道飛彈是可以由發射井、鐵路發射車、16輪重型車輛發射車來機動並隨時擇地發射的,因此做為武器來講,它機動隱蔽性很好,做為太空運載火箭來說,則可以拉到世界任何適合太空發射的地點來進行海上發射,也許未來中國還會生產太空火箭發射船,直接把火箭拉到赤道地區等距太空最近點來進行發射,這樣既遠離人口稠密區,避免發射失敗可能造成之傷害,也可以節省燃料以將更多載荷送上太空。ㄏ
2.3.13 捷龍-3號運載火箭
本款火箭是中國航天科技集團旗下一院「中國運載火箭技術研究院」生產的全固體燃料運載火箭。可能是因為是想要面向市場,不想與國家層面的長征火箭畫上等號,因此沒有使用長征系列來命名本款火箭,而是另取了一個捷龍三號(SD-3)火箭的名稱,也算是有自己的特色。捷龍-3號前,也有捷龍-1號與2號火箭,不過,捷龍-3號才是成熟產品。
圖2-22 捷龍-3號固體火箭發射升空(中國新聞社,公有領域)
這是一款不可回收的4級固體燃料火箭,裝接完成後高31.8公尺、直徑2.64公尺,重量140噸,到離地500公里高的太陽同步軌道之載荷能力為1,500公斤,算是重型火箭了。
它的首次飛行,是在2022年12月9日,由黃海東方航天港海上發射平台進行熱發射,一次裝載了14顆衛星之多,可見本款火箭酬載量之驚人。而且其頭部整流罩也做得特別大,裡面可以裝載的東西體積可以更大,這對爭取代射商業市場都是有幫助的。
第三次發射是在2024年2月3日在廣東陽江附近海域以海上發射平台發射升空,這次將9枚衛星送入預定之軌道,其中也有來自國外(埃及Nexsat-1衛星)的商業發射訂單。
由於本款火箭可以做到一箭20星的誇張程度,因此發射成本單位載荷可降到1公斤1萬美元之程度,可謂極具市場競爭力。
2.3.14 快舟-11號運載火箭
快舟11號運載火箭是中國航天科工集團研製的小型全固體燃料運載火箭,2020年試飛。直徑2.2公尺,至近地軌道酬載量為1,500公斤,至太陽同步軌道之酬載1,000公斤。
製造它的中國航天科工集團追求的目標是廉價,希望能把發射費用控制在每公斤1萬美元以內,與目前國際商業代射衛星市場上的每公斤運費2.5萬美元到4萬美元相較,直接砍了一半以上。如果以到地球近地軌道有效酬載1,000公斤為例,一般可收到2,500萬美元到4,000萬美元之報酬,但快舟-11號要將其壓低至1,000萬美元,表示無論火箭燃料、材料、控制、人力、營銷等所有成本都必須極度緊縮,還要有盈利,這確實不是很容易的目標。
不過以科工集團過去生產多款火箭與導彈之經驗與產能,壓低快舟-11號火箭之成本不會是問題,就算是中央國企也得要與民間航天企業競爭,否則一旦國家預算刪減,可就會受到影響了。
2.3.15 快舟-1號甲運載火箭
快舟-1號甲運載火箭曾稱做「飛天-1號」,是一款由中國航天科工集團製造之三節、不可回收通用型固體燃料火箭,直徑1.4公尺,發射至太陽同步軌道之酬載量為200公斤,算是小型火箭,只能運送微型衛星。從2017年1月9日編號遙一火箭發射迄今,已有26次發射經驗。
它可一箭多星,一次最多發射五枚衛星,在酒泉、西昌、太原都有發射紀錄。
2023年12月27日,中國以快舟-1號甲運載火箭將4枚衛星,也就是「天目一號氣象星座19號至22號4枚衛星」一次打上地球軌道。這四枚天目一號星座19星、20星、21星、22星都是由中國航天科工集團所研發生產,將用於提供氣象數據服務,星座網路全部建成之後,將可實現對全球氣候、海洋、大氣層、電離層之監控與預報。
2024年1月11日,快舟-1號甲運載火箭再度從酒泉發射,成功地把「天行一號02衛星」發射升空進入軌道,這顆衛星主要用於宇宙環境探測等實驗任務。而這次任務已經是本款火箭第26次發射。
2.3.16 雙曲線一號運載火箭
「北京星際榮耀空間科技有限公司」是中國最早一批民間航天企業之一,主打的「雙曲線一號(Hyperbola-1S)」運載火箭是一種4級小型固態燃料火箭,高24公尺、直經1.4公尺、發射重量42噸,有四節。到地球近地軌道(300公里高)的載荷是300公斤,到太陽同步軌道(500公里高)的有效載荷是300公斤,700公里高則是225公斤。第一次首飛是2018年4月5日,由酒泉發射中心發射升空,順利成功。
這款火箭從一開始就是面向代客發射衛星市場的,因此一定得要具有足夠市場競爭力,否則客戶直接找中國航天局的長征火箭代發射衛星就好,不需要找民間公司。
民間公司就是私營企業,比起國企的優勢就是沒有老大人事包袱,也不用打點上級或聽從上級非專業意見,一切都是商業考量,賺錢效率優先。因此星際榮耀空間做出這款四級固體火箭,發射報價是一次500萬美元,200-300公斤的載荷足夠放好多個中小型衛星了。
不過至今為止,星際榮耀空間發射過七次火箭,有三次失敗,這樣的成功率還有點不足,未來需要有更多成功案例才能說服客戶將衛星交給他們去發射,不然火箭失敗了,衛星也毀了,這種損失就算有保險補償,也是客戶不願意看見的。
該公司已經在研發雙曲線3號液體燃料運載火箭,計畫在2024年6月首飛,之後快速進入商業市場。雙曲線3號火箭將可選擇單支火箭、兩支火箭併聯、三支火箭併聯之選項給客戶選擇,客戶依據載荷選擇數量不同之火箭數量,十分經濟可行。而且火箭本身已經有可降落回收功能,降落腳架裝在火箭底部,可以順利垂直下降到落地,已經追上馬斯克SpaceX的腳步了。
星際榮耀空間公司除了運載火箭外,也試圖設計可以重複升空降落的太空亞軌道太空飛機,也就是空天飛機,但這個難度比起火箭可難上不只一點半點,不過誰知道呢?民間企業的靈活彈性與想像力無限,說不定哪天中國第一架真正的空天飛機就是由私人企業設計發明出來的也說不定。
2.3.17 穀神星/智神星號火箭
「星河動力航天」是一家位於北京的新創公司,也是空間科技公司,從2018年2月公司創立後,經由提出穀神星(CERES)、智神星太空運載火箭之創業提案,獲得天使基金投資,開始將火箭發動機、火箭箭身與上面級等設備研發出來。
這家航天公司不像那些騙國家補助的晶片生產公司,星河動力航天一頭鑽入原先是國家級勢力才能作的太空產業,而且按部就班逐步將火箭做出來,成立兩年多後,已經研發出固體燃料火箭、液體燃料火箭、各種不同功率的火箭引擎,還有火箭之「上面級」,也就是姿態調整器及搭載一箭多星之傾斜平台等,都研發出來使用。
穀神星-1號火箭到近地軌道之載荷為400公斤,到太陽同步軌道則是300公斤,直徑1.4公尺,箭身高2.3公尺,裝備有先進的液體燃料「上面級」,可以部署多枚衛星到不同軌道上。
在2020年11月,星河動力航空就成功發射「穀神星-1號(遙1)火箭」,將天啟11號衛星送入500公里高的太陽同步軌道,這是第一步成功。
2021年12月,成功發射穀神星-1號(遙2)火箭,順利將5顆商業衛星送入500公里太陽同步軌道,這是第二階段成功,顯然有成功案例在前,會給客戶更多的信心。2022年8月,穀神星-1號(遙3)火箭接著發射成功。
與北京星際榮耀空間公司一樣,星河動力航天名字取得很帥,但是做的工作卻是很嚴肅的科學系統工程,火箭技術牽涉很多,火箭本身的設計、力學、材料、燃料配比、自動控制,關關都是關卡,也許這些公司創辦人跟中國航天局有許多淵源,或者本身就是火箭工程師出身,但是做工程與做管理又是不一樣的事情。但是民間企業就是敢拼、敢做、敢想像,未來這些民營航天企業應該很有未來。
2.3.18 朱雀系列運載火箭
朱雀系列太空運載火箭(Zhuque-1)是中國民營企業「藍箭航天公司」研發生產的小型三級固態燃料火箭,高19公尺,直徑1.35公尺,重27噸。
2018年10月27日,其在酒泉衛星發射中心發射升空,是當時中國第一個飛上天的民營企業運載火箭,可惜雖然它升空第一級、第二級時,都燃燒正常,但第三級火箭出現異常,以致火箭最終無法進入近地軌道而墜至印度洋。
雖然不算成功的發射,但仍有其象徵意義。藍箭航空是中國第一家取得行業全部准入的民營火箭企業,也申獲中國第一張民營運載火箭發射許可證,等於是市場領頭羊。就算它的火箭表現不怎樣,也還是可以給他點時間的。
2023年12月9日,朱雀-2號遙3運載火箭從酒泉衛星發射中心順利發射升空,這次搭載的鴻鵠衛星、天儀33衛星及鴻鵠二號衛星都順利進入預定軌道。
朱雀-2號與朱雀-1號與使用固態燃料的火箭不同,改使用液態燃料(液氧與甲烷)為推進劑,美國SpaceX的獵鷹九號運載火箭也使用同樣成分的推進劑。朱雀-2號彈身49.5公尺,直徑3.35公尺,有兩級火箭,起飛重量219噸,推力268噸。
這次朱雀-2號火箭發射成功,代表中國民間航天企業又一次表現成功,而且同樣燃料配方的美國星艦火箭升空後就爆炸,與朱雀-2號順利進入軌道,完成發射衛星的使命,還是有差距的。
2.3.19 引力號運載火箭
在山東煙台有一家私人航天企業「東方空間(Orienspace)」,生產引力系列太空運載火箭、研發空天飛行器與空天裝備。這是一家2020年才成立的新公司,這家新創企業已經完成了四輪募資,募得10億人民幣。
引力-1號全固態燃料火箭在2024年1月11日第一次發射,而且是從海上發射平台上直接發射,順利成功引發關注,又一家中國航天公司有能力發射太空運載火箭了。這是一款中型固態燃料火箭,29.4公尺高,主火箭段外還有4個附加助推器,可以將6.5噸的載荷送上近地軌道,500公里高太陽同步軌道載荷4.2噸。
2.3.20 力箭-1號運載火箭
力箭-1號運載火箭(ZK-1A)是一款由中國科學院力學研究所與中科宇航公司共同設計的小型固體燃料火箭,中科宇航也是由中國科學院大部份持股的公司。因此這款火箭基本上就是中國科學院的專屬火箭。
這款火箭有四級構型,高30公尺、直徑2.65公尺、質量135噸,至200公里高近地軌道(LEO)載荷2噸,500公里高太陽同步軌道(SSO)載荷1.5噸。因此運載能力強,發射效率高、成本低、適合中小型衛星發射。
力箭-1號在2022年7月27日,由酒泉衛星發射中心完成首飛發射成功,也是目前中國最大的固體運載火箭,可以做到1箭6星。這次發射的衛星中,有中國科學院「微小衛星創新研究院」研製的空間新技術試驗衛星、軌道大氣密度探測試驗衛星、低軌道量子密鑰分發試驗衛星、電磁組裝試驗雙星、上海航天空間技術公司的南粵科學星等。
其實中國科學院作為載人航天工程三大發起部門之一,是領導空間應用系統的單位,因此中國科學院也開展航天技術是合法合理的。2022年發射的「問天實驗艙」中部署的生物學實驗項目,其實就是中國科學院做的。中國的天宮太空站中的國家太空實驗室,將持續進行大規模的太空科學試驗,努力研究宇宙起源演化、物質本質規律、人類在太空長期生活等科學問題,以解決太空智能製造、新一代材料、資訊科技核心技術等發展。
2024年1月23日,力箭-1號遙3火箭「歡樂春節號」於酒泉衛星發射基地順利升空,並攜帶了5顆「泰景系列衛星」順利進入軌道。這些監視衛星有光學遙感類的,也有合成孔徑雷達類衛星,光學遙感衛星可以拍攝到地面0.5公尺小的物體,還能拍到車輛行駛的方向等細節,等於就是間諜衛星,不過當然也可以用於資源探勘、城市規劃、環境變化偵測等科學功能。合成孔徑雷達衛星則可以在沒有光或者雲霧狀況下都可輕鬆將地表地形高低起伏完全照出輪廓來。
力箭一號火箭目前已經將37顆衛星順利送入太空,成功率是百分之百,有中國科學院的技術加持,顯然該公司火箭狀態甚佳。
2.3.21 吉利未來出行星座
2024年2月3日,長征-2丙運載火箭代客由西昌衛星發射中心發射,幫中國的私有車企吉利集團以1箭11星方式,將吉利集團的「吉利未來出行星座第二軌」的第二批11顆衛星打上軌道,加上原先已在軌道的9枚衛星,吉利集團已經可以實現全球衛星定位、通訊、遙感等天第一體的各種智能服務提供的基礎。
中國不是已經有了北斗定位衛星?吉利竟然能夠不使用北斗導航系統,自建自己的一套全球導航定位系統,真真不可思議,由此可見在中國,發射衛星已經是爛大街一樣的簡單事情。
「吉利未來出行星座」是吉利集團開發的,具備通信、導航、遙感等多功能一體的衛星網路,其第一期規劃部署72枚衛星,實現全球即時通信服務,第二期規劃布設168枚衛星實現全球高精準度衛星定位功能,未來該衛星網路將能達到手機直連衛星通信、終端設備的網路互聯、應急救援通信、自動駕駛定位等等,其遙感功能甚至可以看到地表1-5公尺的地表圖像。這些功能已經完全不輸於一個國家可以做到的太空計畫了。而吉利其下的許多車款也已經裝上吉利未來出行星座的終端裝置,可以使用該網路各項便利功能,吉利這套系統是全球第一套商用的衛星通訊導航遙感合一系統,未來吉利甚至可以轉型成為提供該項服務的廠商,靠提供衛星服務給其他車輛、船舶、飛行器等而收費,所以吉利在未來應該很有發展前景。不過也有一項很大的風險,就是如果吉利像其他車企一樣倒閉關門,這些打上太空軌道的衛星是否就可能淪為無人看顧的太空垃圾,這也是需要長久觀察注意的一點。
「吉利未來出行星座第一軌」在2022年6月2日已經進行1箭9星發射,將第一軌道9枚衛星放上軌道,2024年2月3日第二軌道之11枚衛星入列,代表「吉利未來出行星座」已經完成兩個地球軌道的衛星布設。未來後續將繼續發射,布設成更完整的網絡。
2.4 遠征系列衛星軌道轉移載具
繼長征系列火箭,中國又生產出「遠征上面級」系列的火箭發射貨運載荷軌道轉移平台,此為裝在運載火箭上頭的一個平台裝置,因為自帶火箭推進器,它可以帶著不同衛星轉移到不同軌道後再釋出,其實就等於是一艘無人自動貨運飛船的意思,但由於其功能更多,運量更大,被暱稱為「太空擺渡車」。
2.4.1 遠征1號載具
遠征1號(YZ-1)上面級飛船載具,相當於海軍的護衛艦,在太空領域定義為能夠獨立飛行的宇宙飛行器,可自主飛行、多次點火啟動,將多個航天器送入太空軌道的火箭頂端再往上增加的無人飛船載具。
圖2-33 遠征一號載具(中國航天科技集團官網)
遠征1號、遠征1號甲(YZ-1A)都是上面級太空火箭載具,可與3.35公尺直徑火箭對接,可執行低中高空地球軌道任務。
遠征一號是中國運載火箭技術研究院,也就是中國航天航空總公司第一研究院以長征三A型、長征2C型運載火箭之特色作基礎研發出來的新款太空運載火箭,可兩次點火,將衛星送入「中地球軌道」或「地球同步軌道」。
2015年7月25日,遠征1號配合長征三火箭從西昌衛星發射中心發射,三個半小時後,將兩顆衛星送入軌道。
2.4.2 遠征1號甲上面級載具
遠征一號甲(YZ-1A)太空載具是中國運載火箭技術研究院為長征-7號運載火箭設計的上面級,設計壽命達到48小時,可點火次數20次,也可按照電腦預先設定的程式將幾枚衛星部署到不同的軌道上。等到任務結束後,遠征一號甲上面級就會將自己調整到墜落回地球表面,通常在大氣層中就會燒毀殆盡,只剩下一些殘渣碎屑墜入海中,也不會造成地表受創。
2016年6月25日,在遠征一號甲載具在長征-7號(遙一)火箭推動下,將四個酬載物送上近地軌道。
2.4.3 遠征1號S載具
遠征1號S型上面級載具,分別在2018年10月19日、2021年8月24日、2021年11月3日進行發射。第四次發射是在2022年5月20日,由酒泉衛星發射中心以長征二號C運載火箭+遠征1號S上面級,以一箭三星方式將3顆低軌通信試驗衛星送入軌道,這種低軌通信衛星是要用來試驗通信驗證,未來好跟SpaceX公司的星鍊打對台。
第五次發射在2023年7月9日,發射的是衛星互聯網技術試驗衛星。
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