长征五号，为什么会被称为“胖五”？

即将在海南文昌发射的中国新一代重型火箭长征五号，因为其体格粗壮，这种火箭被关心航天的人们昵称为“胖五”。以往，由于我国的发射场都处于内陆地区，火箭从生产厂房向发射基地转运时必须通过铁路来进行。受铁路限界的限制，以往长征火箭的芯级直径都不大于3.35米。新启用的海南文昌发射基地，因其处于海滨，火箭可以通过轮船运输，可以发射直径更大的火箭。今年6月在文昌基地成功发射的新一代中型运载火箭长征七号，为了在以后的使用中“兼容”其他发射基地，芯级直径也被设计为了3.35米。长征五号首次突破了这一限制，芯级直径达到5米，从外观看壮硕了不少。

运载火箭的主要性能指标是近地轨道（简称LEO轨道）运载能力和地球同步转移轨道（简称GTO轨道）运载能力等。近地轨道一般指轨道高度在2000公里以下的轨道，需要用重载火箭发射到近地轨道的飞行器，一般都是载人航天所使用的宇宙飞船和空间站舱段。而地球同步转移轨道，则是指近地点在1000公里以下，远地点为地球同步轨道高度（36000千米）的椭圆轨道。火箭在发射工作于地球同步轨道的卫星时，一般会将卫星先送到这个轨道上，再由卫星或上面级自身的动力转移到同步轨道上。比起目前使用的长征二号、三号、四号系列火箭，长征五号的这两个指标均有质的提高。与国际上目前使用的主流重载火箭相比，长征五号的指标也已经处于世界先进水平。下表给出了长征五号性能的纵向与横向对比。未来，长征五号强大以其强大的推力，将在我国空间站和月球返回飞行器的发射中发挥不可替代的作用。

长征五号的起飞动力，是由火箭芯级周围的四个助推器和火箭芯一级共同提供的。四个助推器的直径为3.35米，看起来要比直径5米的火箭芯级”瘦弱“不少。但实际上，无论是从他们的起飞重量还是起飞的推力来看，瘦弱的助推器丝毫不逊色于胖胖的火箭芯级。在重量上，每个助推器的起飞重量为155吨，比芯一级的175吨仅少了20吨，但每个助推器所提供的推力却高达2400kN，比芯一级1020kN的推力高了一倍多。在长征五号约10600kN的总起飞推力中，四个助推器提供的推力占到了90%以上，胖胖的芯级只提供了10%的推力。性能的差别来源于芯级和助推器使用了不同的发动机。每个助推器安装了两台YF-100发动机，使用液氧-煤油作为燃料，长征七号的芯级和助推器就全部使用了这种发动机（参见百度知道日报文章《新长征，新征途：长征七号火箭，你了解多少？》）。而长征五号的芯级则使用的是两台YF-77型发动机，以液氧-液氢为燃料。相对于上一代长征火箭使用的偏二甲肼-四氧化二氮发动机，这两种发动机均是具备诸多优点的新一代发动机。对比两种新型发动机的燃料，液氢的密度不到煤油密度的十分之一。同样重量的燃料，液氢要占据更大的空间。为人熟知的航天飞机在发射时，体积最大棕色外贮箱，就是为了给航天飞机本身的液氧-液氢发动机提供燃料的。外贮箱的大部分体积，被低密度的液氢所占据。长征五号应该是基于同样的原因，才需要大体积的芯级来容纳低密度的液氢燃料。如果我们简单的用助推器和芯一级的重量除以其体积计算平均密度的话，会发助推器的平均密度比芯一级的平均密度高出一倍多。可以说，“胖五”是个虚胖的胖子。

那么，火箭设计师们为何钟情于液氧-液氢发动机呢？这是因为，这种发动机的比冲是目前液体火箭发动机中最高的一种。比冲，是火箭发动机单位重量推进剂产生的冲量。发动机的比冲越高，代表发动机的效率越高，燃烧同样质量的燃料可以提供更多的推力。在火箭设计上，一般要求在飞行阶段越靠后的的部分，比冲越高，而飞行阶段越靠前的部分，推力越高。长征五号的助推器可以在起飞时提较大的推力，而芯一级的液氧-液氢发动机可以在助推器停止工作、和火箭分离后，提供比较大的比冲。历史上推力最大的土星五号火箭，在一级采用了大推力的液氧-煤油发动机，二级采用了高比冲的液氧-液氢发动机，遵循的也是同样的思路。但不得不承认的是，虽然长征五号整体性能优越，但发动机的技术水平相对美俄来讲仍然落后。以美国的Delta-4重载型火箭为例，其使用了和航天飞机一样的RS-68型液氢-液氧发动机，单台发动机推力高达2900kN，是我国YF-77发动机的4倍多。Delta-4重型火箭仅适用了3台RS-68发动机就能提供足够的动力，而长征五号则要使用两种共10台发动机。

正视差距才能奋起直追。目前，航天部门正在紧锣密鼓的进行推力为6600kN的大推力液氧-煤油发动机和推力为2000kN的大推力液氧-液氢发动机的研发工作。预计在2030年，装备这两种发动机的长征九号巨型火箭上将首次发射，助力我国载人登月、探索火星、飞出太阳系的壮举。