“南沙科普大讲堂”是由广州市南沙区科学技术协会面向青少年家庭新创立的科学文化传播品牌。每期大讲堂邀请四位来自不同领域的演讲嘉宾，分享各自的研究成果与背后故事，通过引人入胜的语言和沉浸式的现场氛围，为观众带来一场科学、文化、艺术交融的知识盛宴。“南沙科普大讲堂”由广州市南沙区科学技术协会主办，首期活动由大湾区科学论坛秘书处承办。

　　大家下午好！我是李秦峰，很高兴来到南沙科普大讲堂，我来自中科宇航公司，是一名运载火箭的研发制造工程师，简单来讲，我的工作内容就是按照设计师的图纸，把运载火箭生产、制造、总装、测试，然后再运到发射场把它发射出去。

　　下面我们将观看一段关于“力箭一号”于2022年首次飞行的短视频。这一时刻记录着我们团队“三年磨一剑”的努力，把这枚火箭的成功研制并发射出去。每一次回顾这段视频，都让我感到无比激动与自豪。

　　观看视频时，有几个有趣的细节值得关注：火箭升空时其尾部会持续喷出白烟；不久之后，火箭开始转弯，调整飞行轨迹；此外，在飞行过程中，火箭一直在振动。接下来，我们将围绕这些现象，探讨运载火箭的基本工作原理。

　　运载火箭的基本原理就是两条。牛顿第三定律——作用力和反作用力同时存在、大小相等、方向相反。就像当我们施加推力推动物体时，也会感受到一个相反方向的力。

　　还有动量守恒定律。运载火箭飞行的时候，我们观察到其尾部喷射出大量白烟，这是由燃烧产生的高温、高压燃气。这种燃气有一个动量，根据动量守恒定律，火箭向上飞行的动量与燃气产生的动量是相等的，所以不要小看白烟，正是它为火箭飞行提供了必要的推力，使其能够到达固定的轨道。

　　这是运载火箭典型的飞行轨迹。先是垂直起飞，然后开始进入程序转弯；当飞到一定高度，一级、二级的推进剂逐渐消耗完毕，火箭将开始分离；等火箭再飞一段时间，完成火箭入轨、卫星入轨、星箭分离步骤，就算是完成了整个火箭的飞行。从图上我们可以看出，因为地球是圆的，大部分卫星的轨道也是圆的，所以火箭没飞多久，姿态就要从垂直地面慢慢变成平行地面。

　　我们为什么要做一款运载火箭？这就要从2016年讲起。那年，我国陆续发射了“墨子号”“悟空号”等实验卫星，这些实验卫星在太空中完成了一系列非常前沿先进的科学实验，比如量子实验等，取得了很多重大科技成果突破。

　　要做一款怎样的运载火箭？首先，火箭的运力得大，需要保证科学家的卫星能够被送至预定轨道。第二，火箭得有一定性价比，因为我国科研经费有限，我们得把“好钢用在刀刃上”，将主要经费投入到科学实验、科学研究中，所以留给火箭发射的经费相对较少。再者，火箭要非常可靠，一旦发射失败，将造成卫星损坏等巨大经济损失和科研资源浪费。

　　细心的同学可能会问，这款运载火箭既要便宜，又要可靠，有点矛盾，所以这给我们火箭研制团队带来一个难题，就是必须得让火箭具有创新性、要智能，这样我们才能实现科学家们对火箭的要求。所以这款火箭从一开始自带的关键词就是大吨位、低成本、智能化、创新性。

　　这个是我们“力箭一号”当时在发射场发射前的照片，中间那个就是“力箭一号”，从下往上分别是火箭的一级、二级、三级、四级，以及整流罩，可以看出“力箭一号”是一款四级固体运载火箭。我们航天人有一句传承下来的老话叫“如果火箭看着挺漂亮，那它大概率不会差，肯定能飞成”。当时我们看这个火箭外型就挺漂亮，不知道大家怎么看？

　　首先，这款火箭要用什么样的燃料。航天人还有一句老话叫“航天发展、动力先行”。一款运载火箭从地面零的速度到入轨，达到第一宇宙速度、第二宇宙速度，主要是靠燃料燃烧的动力，让化学能变成动能小火箭的ss节点，推着火箭达到一定的速度。火箭燃料的重量基本就占了这个火箭80%—90%，燃料对火箭来说非常重要，所以必须先解决动力问题，即燃料问题。

　　火箭的燃料主要有两类，一类是液体燃料，一类是固体燃料。液体燃料的主要特点就是燃烧效率高，燃烧同等重量的燃料，液体能产生的动量、能量更大。此外，液体燃料可以通过科学研发团队的一些精巧设计，让它通过不同的管路流到不同的发动机里。不同的阀门还可以控制它的开关，控制阀门的大小，就能实现液体发动机的开、关、启、停，以及推力的大小调节。别小看这两点，这可是一款火箭能否回收最关键的两个因素。

　　虽然描述起来简单，但液体火箭做起来其实非常复杂，研发难度较大，投入的时间和成本也较高，这就是液体火箭的特点。

　　而固体燃料的使用，就是把燃料，比如硝酸钾、黑火药提前预埋好，放在固体发动机燃烧室里。也就是说火箭在发射前，发动机燃料都已经提前装好。所以固体燃料先天具备的优势是准备周期很短，不需要在发射场进行加注，以及固体燃料非常稳定，也很可靠。所以结合我们适配的任务所需火箭的特点，最终选择了用固体燃料。

　　解决了火箭最开始的燃料问题，那我们就要研究火箭在飞行过程中，剧烈振动该怎么处理、怎么解决了。

　　火箭在飞行的过程中，为什么会振动？这个原理跟大家坐飞机、坐高铁的体验是一样的，遇到不稳定气流，载具就会晃、会振，但火箭飞行速度会更快，而且长细比，也就是长度除以直径的比值更大，所以在飞行过程中，一旦遇到不稳定气流，火箭振动会更加剧烈。

　　大家看到上边这个图，发动机的喷管在工作时会控制火箭的飞行方向，它需要摆动，所以它有一个自有振动频率。此外，火箭也有一个固有振动频率，如果这两个频率相等就会产生共振的现象，火箭一旦在天上飞着飞着共振了，那这火箭就危险了，很可能飞着飞着就断了，所以我们要解决这个问题。

　　怎么解决？传统的办法就是做模态试验，把火箭用一根绳子吊在塔里，然后进行相关模态试验，这是为了识别运载火箭的模态固有频率、振型。但是，做这个试验需要一个塔，对于我们来说，重新建一个塔，成本很高，周期也长，所以我们创新性地选择了另一个办法——采用水平状态的架车，在架车上面增加一些空气弹簧，将空气弹簧充满气后就能把火箭顶起来，模拟将火箭吊起来的自由边界状态进行相关研发、试验、测试，就可以获取到火箭的振型和固有频率，我们再把这个固有频率和火箭喷管等频率错开，就解决共振问题了。

　　接下来要解决火箭控制系统里的仪器设备轻量化的问题。大家可能见过以前的台式机电脑、大哥大手机，以前的火箭也一样，有很多复杂的仪器设备组装在里面，不仅重量大、占地多，而且研制时间也长。我们为了把宝贵的重量让给卫星，选择了另外一种标准综合电子设备架构模式，通俗点讲就是参照现在的电脑主板，做了一个标准机箱，用什么功能插什么板卡，实现了仅通过五台仪器就能完成全箭的组合控制功能，从而给卫星腾出更多的空间，提高运载火箭的运载效率、运载系数。

　　火箭为什么要分离呢？有些人可能看过《星际穿越》这个电影，男主角在动力不足的情况下牺牲了自己，给大家创造了生机。这与牛顿第三定律有关，推力一定的情况下，重量越小，加速度就越大。所以，在火箭飞行过程中，一级燃料用完了，就需要把一级耗尽的那部分箭体分离、抛掉，让火箭的推力能推着有效的重量继续往前飞。

　　传统的分离方式，就是用左下图这个反推小火箭，类似固体小发动机，把它装在一级，当一二级要分离时，将小火箭点火，它会朝上喷火，就能把一二级相对拉开，这就产生了一个分离。但它缺点在于喷出的产物有污染，会把一些卫星上的摄像头损坏，所以我们在此基础上重新研发了一个新型的冷气分离系统，原理类似，就是把里面的火药换成了高压气体，在分离的时候，用气源来产生推力，以实现分离。

　　当时我们的“一箭26星”确实打破了国家“一箭多星”卫星发射数量的记录。那如何在火箭里放置卫星？如何保证分离时卫星互相不碰撞呢？对此，我们在设计生产、试验制造的过程中主要用了两点方法。第一，在卫星支架上错落摆放卫星；第二，给卫星设定不同的分离时序，不同时间分离不同卫星，能降低卫星在分离过程中碰撞的风险。然后，我们又做了很多地面试验、仿真分析等工作，不断优化，最终确保了“一箭26星”的成功分离。

　　为什么要给火箭创新智慧飞行控制系统？因为火箭飞行的速度非常快，靠人根本无法控制，所以我们需要预先给它设定好飞行轨迹。但在实际飞行过程中，火箭会遇到很多干扰，比如穿越大气层时遭遇不稳定气流。其次，在飞行过程中，引力不同可能会产生干扰。还有，太空中可能有一些太空垃圾，需要及时躲开。如果遇到这些干扰，临时修订火箭的轨迹是没办法的，极有可能造成火箭发射失败，所以我们在原本的轨迹基础上又给它设定了一个智慧飞行系统，也就是设定了一套逻辑，让火箭在太空中飞行时，能够计算自己的轨迹，识别并选择最优的一条轨迹飞行，这有点像太空版的自动驾驶。

　　以上问题都解决了，那火箭怎么运至发射场？传统方式如欧空局“织女号”固体运载火箭团队，他们自建了发射塔，汇集供电、检测、供气一系列功能，对火箭非常友好。但是他们盖发射塔耗费了五年时间，不适用于我们的情况。所以，我们先用普通汽车头拉火箭，用运输平板运至发射工位，再用起竖装置把火箭竖起来。整个过程比建发射塔更高效简单。因为火箭很重，达到135吨，如果起到一半突然卡在那儿不动风险较大，所以，我们重点通过液压系统、电气系统加强了起竖装置的可靠性。

　　火箭一旦检查完，它所有程序、算法就固定了，没法再改了。做完所有检查之后，这个火箭就可以进入倒计时，5、4、3、2、1，点火！起飞！

　　我们 在广州市南沙区建了一座中科宇航的火箭工厂，最大年产可达30发火箭，目前已经能够实现10发左右的脉动式生产。欢迎政府、企业、科普组织、学校来参观。

　　最后，我们再回到最开始那个问题，我们为什么要做运载火箭？为什么要搞航天？有一位前苏联科学家的一句话，我觉得说得非常好，分享给大家：地球是人类的摇篮，但是我们人类不能永远待在摇篮里。