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标题: 火箭:我要飞……………………………得更高! [打印本页]

作者: 星球研究所 时间: 2020-8-3 05:53
标题: 火箭:我要飞……………………………得更高!
↑一群国家地理控，专注于探索极致世界

中国航天日特辑

飞天之路

注定是坎坷的

1996年2月15日

长征三号乙运载火箭
在万众期待下首次出征然而火箭起飞不到2秒却突然偏离发射方向
（长征三号乙首发，箭体姿态出现异常，图片来源@Internet Archive）

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此后短短22秒内火箭头部下坠、径直撞向山坡最终在冲天的火光中粉身碎骨、灰飞烟灭
这是中国运载火箭

第9次发射失败

（长征三号乙首发失利，坠毁于距发射场1.85千米外的山坡，图片来源@Internet Archive）

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20余年后

2020年4月9日

已连续成功发射26次的长征三号乙

又因火箭第三级工作异常而坠落解体

这是中国运载火箭

第22次发射失败

截至目前

中国航天史上

共计有22次发射失败

但与此同时

发射成功的次数达到

334次

（请横屏观看，长征七号首飞，这是中国“长征”系列运载火箭第222次发射成功；另：上文中仅将航天器到达目标轨道视作成功，摄影师@苟秉宸）

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是的

失败是沉痛的

但科学的高峰

却永远是咬着牙、含着泪

才能攀上的

（下文引自“中国航天之父”钱学森）

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正确的结果，是从大量错误中得出来的。

也正因如此

50年前

我国成功发射的第一颗人造卫星

只有“微小”的0.178吨

50年后

一代代中国运载火箭

载着

北斗、风云、高分、鹊桥、尖兵

实践、长空、烽火、海洋、神通

探测、前哨、资源、鑫诺、天链

中星、天拓、天绘、珞珈、云海

载着

神舟、天舟、嫦娥、天宫

一次次摆脱地心引力

奔向星辰大海

（请横屏观看，中国“长征”系列运载火箭主要型号型谱，制图@陈随/星球研究所）

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这是一条怎样的升级之路？未来又将如何呢？

01 小型火箭的诞生

1970年1月30日

我国第一颗中远程弹道导弹

东风四号

试飞成功

它利用燃烧产生的

喷射气流提供推力

推进剂则是

“燃料+氧化剂”的组合

可以彻底摆脱燃烧对氧气的依赖

即便在无氧的太空环境

也能自由飞行

它的箭体

由下至上分为两级

第一级工作结束后便在高空分离

再由第二级重新点火、接力推进

这便是

中国运载火箭的雏形

（第一级箭体分离场景，右侧白色轨迹为继续飞行的第二级箭体；此为中国民营火箭双曲线一号发射，供示意，摄影师@余明）

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然而

要实现环绕地球飞行

卫星的飞行高度

一般不能低于180千米

相应的入轨速度也需接近7.9千米/秒

否则将在地球引力和大气阻力的作用下

坠入大气层中

（上文中的7.9千米/秒，即为第一宇宙速度，制图@陈思琦&陈随/星球研究所）

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遗憾的是

这样的速度和高度

令东风四号望尘莫及

于是工程师们

在原有箭体上继续加级

将其升级为三级火箭

箭体顶部的导弹弹头

则被卫星取代

并由整流罩加以保护

避免遭受高速气流的冲刷

（火箭整流罩，用爆炸螺栓连接，螺栓起爆即可解锁分离、抛掉整流罩；下图为长征七号整流罩，作示意，摄影师@王若维）

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第一级与第二级之间

由金属杆相连

连接处如同被镂空

以便二级发动机点火时

喷射的火焰能经此尽快排出

（两级间的“镂空”结构即为斜拉金属杆；下图为长征四号丙的外形，供示意，剥落的是泡沫保温层，摄影师@韩超）

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经过一系列优化

东风四号导弹摇身一变

中国的第一枚运载火箭

长征一号（CZ-1）

就此诞生

（长征一号火箭结构示意，制图@陈随/星球研究所）

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它直径2.25米、高约30米

能将不超过

0.3吨

的载荷

送至高度约440千米的近地轨道

例如中国第一颗人造卫星

东方红1号

自此

中国成为继苏、美、法、日之后

第五个独立发射人造卫星的国家

中国航天的近地卫星时代

也就此开启

（东方红1号，摄影师@Brücke-Osteuropa）

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然而

0.3吨的载荷

远远满足不了一般卫星的需求

运载火箭势必再次升级

推进剂上

人们改用全新的

“燃料+氧化剂”组合

“偏二甲肼+四氧化二氮”

它们均为常温液体

不仅具有更高的推进效率

且一旦相遇便可立即燃烧

点火简单、维护方便

（此处的推进效率是指“比推力”，即单位时间内消耗单位推进剂产生的推力，也称“比冲”，下文同；四氧化二氮分解可产生棕红色的二氧化氮，因此火箭起飞时可见棕红色的浓烟，摄影师@阿毛）

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结构上

火箭直径加大至

我国铁路运输的极限尺寸

3.35米

由于直径更大、推进剂更强

即便重回两级火箭

也能达到入轨速度

（载着火箭部件前往西昌发射中心的火车，摄影师@Donald）

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升级后的新一代火箭

其一

得名风暴一号（FB-1）

它令我国首次能够

发射超过1吨的卫星

也首次实现“一箭三星”

（停放在酒泉卫星发射中心的风暴一号模型，摄影师@苟秉宸）

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其二

便是长征二号（CZ-2）

其近地轨道载荷约

1.8吨

成功发射了

我国第一颗返回式卫星

可谓走出了载人航天的第一步

（注意：此处的“近地轨道”是指高度约200-400千米的轨道，后文如无特别说明均采用此范围；下图为我国发射并回收的第一颗返回式卫星尖兵一号，图片来源@VCG）

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然而此时

中国运载火箭的近地轨道载荷

仍未突破2吨

属于小型火箭范畴

更大的卫星、更远的星空

载人航天的期盼、空间站的梦想

都将交给下一代火箭

成为它们光荣的使命

02 中型火箭的使命

中型火箭的近地轨道载荷

在2-20吨之间

在长征二号基础上改进的

长征二号丙（CZ-2C）

长征二号丁（CZ-2D）

比原火箭高出近10米

能携带更多燃料

加之材料和发动机的优化

其近地轨道载荷可增至约

4吨

一举步入中型火箭行列

成为发射返回式卫星的主力军之一

（长征二号丁也沿用了部分长征四号的技术，下图为长征二号丁发射升空，摄影师@曾诚宇）

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然而

这类卫星常工作在

高度约几百千米的近地轨道

相较之下

气象卫星轨道高度约1000千米

导航卫星可达到约20000千米

还有一类轨道则更为遥远

其高度约36000千米

且轨道平面与赤道平面重合

运行在这里的卫星

能与地面始终保持相对静止

这便是独一无二的地球静止轨道

在理想状态下

这里只需部署三颗卫星

便可基本覆盖全球通信

（不同高度的航天器轨道示意，制图@陈思琦&陈随/星球研究所）

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但要抵达地球静止轨道

却并非易事

卫星须用“多级跳”的方式

先以约10千米/秒的速度

进入一个过渡轨道

再通过精确的变轨

在目标轨道的指定位置上入轨定位

这意味着

我们还需要

飞得更远、更高、更精准的火箭

（上文中的过渡轨道即为“地球同步转移轨道”，下图是地球静止轨道卫星发射过程示意，制图@陈思琦&陈随/星球研究所）

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为此

工程师们首先尝试的

依旧是

纵向加级

但此时人们却面临着

两种艰难的选择

其一

是以长征二号丙为基础

在第三级使用全新的低温推进剂

“液氢+液氧”

替换传统的常温推进剂

新推进剂的推进效率再次增强

但发动机技术难度更高

液氢温度低于-253℃又易燃易爆

因此从发动机技术

到燃料的贮存、运输、加注

一切都要从零开始

（长征三号系列火箭在总装厂房调试，可见被拆开的燃料箱，摄影师@宿东）

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其二

则是在风暴一号的基础上

第三级依旧使用技术成熟的

传统常温推进剂

风险更低、把握更大

一面是高技术

一面是低风险

这个选择并不好做

人们各执己见、争论不休

直到中国通信卫星总工程师

任新民站出来说

（引自任新民，参考中国运载火箭技术研究院《天穹神箭》）

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中国要想在本世纪末成为航天大国，甩掉落后的帽子，眼睛必须瞄准当代火箭发动机的高峰……航天事业本身就是个大风险，如果怕失败、怕风险，还搞什么航天！

此一言掷地有声

而自此约10年后

成功扛起我国

地球静止轨道卫星发射大旗的

便是采取第一套方案

第三级使用“液氢+液氧”推进剂的

长征三号（CZ-3）

（长征二号丙和长征三号的结构对比，制图@陈随/星球研究所）

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其第三级的推进剂贮箱

防冻、防渗、防潮、绝热

发动机则能进行二次点火

令卫星再次加速

进入过渡轨道

而进一步改进诞生的

长征三号甲（CZ-3A）

更首次将我国卫星

送入前往月球的必经之路

地月转移轨道

从此在中国航天史上

开启了嫦娥时代

（长征三号甲发射“嫦娥一号”探月卫星，拍摄于2007年10月24日，摄影师@雨水）

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与此同时

仍使用传统常温推进剂的

另一套加级方案

也在同步进行

这便是

长征四号系列

（CZ-4A、CZ-4B、CZ-4C）

它们是发射太阳同步轨道卫星的主力军

（长征四号乙，摄影师@史悦）

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这又是一类特殊的轨道

其轨道平面可绕地轴旋转

且旋转周期与地球公转周期一致

因此每当卫星经过同一地点上空时

总能保持相同的日照条件

极其适合气象、地面观测

但这种轨道的倾角

往往超过90°

需要火箭提供大量推力

用于改变飞行方向

（太阳同步轨道示意，以风云一号卫星轨道为例，制图@陈思琦&陈随/星球研究所）

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因此当1988年9月7日

长征四号甲载着第一颗

风云一号气象卫星

成功进入高约900公里、倾角99°的

太阳同步轨道时

便受到了国内外的高度关注

我国依靠国外气象卫星数据的时代

也正式宣告终结

（长征四号乙发射部署在太阳同步轨道的中巴地球资源卫星，摄影师@阿毛）

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至此我国中型运载火箭的近地轨道载荷已达到约
6吨
然而若要在未来实现载人航天载荷需求至少将有近8吨但此时单芯级火箭的起飞推力几乎是加无可加这该如何是好呢？
（仅有一根芯级的便是单芯级火箭，如同“一柱擎天”，下图为准备发射的长征三号甲，图片来源@VCG）

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答案便是
横向捆绑
例如以长征二号丙为基础纵向上适当加长以增加推进剂储量横向上则“捆绑”4个较小的火箭每个高15.3米、直径2.25米是为“助推器”
起飞时4个中间芯级发动机4个助推器发动机共8个发动机共同点火场面蔚为壮观
（捆绑4个助推器的火箭发动机；下图为长征三号乙，供示意，摄影师@史悦）

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这便是最早登场的捆绑式火箭长征二号捆（CZ-2E）其起飞推力可达到长征二号丙的2倍近地轨道载荷达到约
9.5吨
而它从开始研制到首次发射仅仅只用了18个月
（长征二号丙和长征二号捆的结构对比，制图@陈随/星球研究所）

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不过

真正实现了

中国载人航天梦想的

则是大名鼎鼎的

长征二号F（CZ-2F）

（长征二号F转运至发射塔，采用垂直总装、垂直测试、垂直运输，摄影师@孙海英）

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它的形态十分独特

相比长征二号捆

在整流罩顶部

增加了一顶尖尖的“帽子”

人称“逃逸塔”

（长征二号F逃逸系统结构示意，制图@陈随/星球研究所）

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这是一个安全保障装置

从起飞前15分钟

至起飞后的120秒内

一旦火箭出现意外

逃逸发动机便可立即点火

带着飞船的轨道舱与返回舱

迅速与箭体分离

帮助宇航员脱离危险

堪称是一座“生命之塔”

（长征二号F逃逸塔，此发火箭将搭载神舟七号载人飞船，图片来源@VCG）

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包括逃逸塔在内的救生系统

加上主控制系统的备份

以及故障自动检测系统

三管齐下

令长征二号F的设计可靠性

从长征二号捆的0.91

增长至0.97

（最高为1）

而它也不负众望

在2003年10月15日

将中国第一位航天员杨利伟

安全送入太空

令我国成为全球第三个

成功发射载人飞船的国家

（神舟五号返回舱成功返回，图片来源@央视网）

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在服役的21年里

长征二号F可谓战功赫赫

从神舟1号-11号

到天宫1号-2号

共计发射

5次无人飞船、6次载人飞船

以及2次空间实验室

至今仍保持着100%的发射成功率

是名副其实的

"神箭”

（长征二号F“换帽子”，天宫一号船箭组合体对接，箭体上可见“神箭”局部字样，摄影师@宿东）

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长征二号系列

均为两级火箭

而如若在长征三号甲的基础上

加长、捆绑

便可形成三级捆绑火箭

长征三号乙（CZ-3B）

长征三号丙（CZ-3C）

（长征三号甲和长征三号乙、长征三号丙的结构对比，制图@陈随/星球研究所）

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尤其是长征三号乙

作为捆绑4个助推器的三级火箭

在近20年间

都是中国运载火箭的“顶配”

其近地轨道载荷首次突破10吨大关

达到约

11.5吨

几乎是以一箭之力

成为我国中高轨道发射的绝对主力

（2019年9月23日，长征三号乙搭载第47、48颗北斗卫星，前往高度约20000千米的轨道，摄影师@史悦）

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更成功发射嫦娥三号、嫦娥四号

筑就了中国的登月天梯

（长征三号乙成功发射“嫦娥四号”月球探测器，将代表全人类首次登陆月球背面，摄影师@蒋涛）

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然而

正所谓

（引自《神箭凌霄：长征系列火箭的发展历程》）

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当中国的运载火箭从连续成功的惊喜中醒来时，

它面对的将是4个强大的对手。

到了21世纪初

美国、欧洲、俄罗斯的

商用大型火箭纷纷亮相

有的运载能力可达到

长征三号乙的2倍之多

且更加安全清洁、部署迅速、成本低廉

相较之下

当时的中国运载火箭

几乎方方面面都相形见绌

（长征三号乙和同时期国外大型火箭的对比，制图@陈随/星球研究所）

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一次

全方位升级

迫在眉睫

推进剂上

使用了近40年的

“偏二甲肼+四氧化二氮”

将被逐步舍弃

转而采用“煤油+液氧“的组合

其燃烧后产生二氧化碳和水

不仅全程无毒无污染

且成本大幅降低

发动机

也随着推进剂的改变而升级

推进效率可再提高约15%

助推器

则高达惊人的近27米

是此前所有型号助推器的近2倍

这便是

长征七号（CZ-7）

（上文中的“推进效率”是指海平面比推力；下图为长征三号乙和长征七号的结构对比，制图@陈随/星球研究所）

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它的近地轨道载荷约

14吨

足以发射重约13吨的

天舟一号货运飞船

将在中国的“空间站时代”中

扮演至关重要的角色

未来

它还将逐步接替

长征二号、三号、四号系列的使命

承担我国约80%的发射任务

成为支撑中国航天梦想的

中流砥柱

（长征七号转运途中，下方的人和车看起来十分渺小；长征七号的设计可靠性达0.98，比长征二号F还要高，摄影师@宿东）

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至此

我国的中型运载火箭

已全部登场

若要发射超过20吨的近地轨道载荷

就必须指望下一代选手了

03 大型火箭的博弈

2014年10月

海南文昌卫星发射中心建成

其纬度更低、更接近赤道

可充分利用地球自转速度

提高火箭的运载效率

且在发射地球静止轨道卫星时

还可减少火箭变轨和飞行距离

与酒泉发射场相比

卫星入轨定点的质量

可提高16.3%-18.5%

（上文数据源自中国运载火箭技术研究院《天穹神箭》；下图为中国卫星发射场分布图，制图@陈思琦&陈随/星球研究所）

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另一方面

它是中国首个沿海发射基地

东南方向1000千米内几乎都是海洋

保证了残骸坠落的安全性

（海南文昌发射场，摄影师@陈肖）

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但更重要的是

自此以后

火箭部件可通过海运运输

彻底摆脱3.35米直径的

铁路运输限制

（远望二十一号火箭运输船正在装载长征五号部件，摄影师@宿东）

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至此万事俱备

中国第一枚大型运载火箭

长征五号（CZ-5）

横空出世

作为两级火箭

它却高达近57米

相当于一座近20层的高楼

几乎与现有的三级火箭不相上下

且中间芯级直径由3.35米增加至5米

4个助推器直径由2.25米增至3.35米

是名副其实的“庞然大物”

人送外号“胖五”

（长征七号和长征五号的结构对比，制图@陈随/星球研究所）

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此外

相较于长征七号

其中间芯级完全改用

“液氢+液氧”的低温推进剂

并配置全新的发动机

助推器的发动机数量

也翻倍至8个之多

起飞时

共计10个发动机将同时点火喷射

起飞推力增加约50%

近地轨道载荷可达到约

25吨

（长征五号发射升空，因为中间芯级的两级均采用低温氢氧推进剂，亦被称为“冰箭”，其尾焰呈蓝色，摄影师@陈肖）

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这是中国迄今为止

起飞质量最大、芯级直径最粗

运载能力最强的火箭

仅次于

美国猎鹰重型运载火箭

德尔塔-4重型运载火箭

在世界现役火箭阵营中位列第三

（身形巨大的长征五号，摄影师@陈肖）

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2016年11月3日第一枚长征五号在万众瞩目下首飞成功并首次利用运载火箭将卫星直接送入地球静止轨道而在未来的30年甚至更长的岁月里它还将见证月球探测、火星探测太阳轨道太空望远镜等深空探测任务中更多历史性的时刻
（2016年11月3日20时43分13.998秒，长征五号首次发射，摄影师@CNAurora）

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但超级火箭的梦想

并未在此终结

纵观世界航天

有史以来运载能力最强的火箭

是美国的土星5号

它的近地轨道载荷高达140吨

从1967年起

便为阿波罗计划保驾护航

其记录至今无人超越

（1967年11月9日，土星5号首次发射，搭载着阿波罗4号，现已退役，图片来源@NASA）

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而经过数十年马不停蹄地追赶

预计在2028-2030年

中国的重型火箭

终于将应运而生

长征九号

它的总长将超过百米

芯级直径则接近10米

是“胖五”的2倍

近地轨道载荷更将突破

100吨

即便只在脑海中想象

也足以震撼人心

届时

它将扛起

中国载人登月

火星取样返回

甚至太阳系的外行星探测等

更加艰巨的任务

04 漫漫征途

50年来

中国运载火箭队伍日益壮大

大火箭规模蒸蒸日上

小火箭同样百花齐放

长征六号（CZ-6）

可利用简易发射架快速发射

曾创造“一箭20星”的发射记录

（长征六号使用简易发射架发射成功，摄影师@李岗）

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长征十一号（CZ-11）

长度减小至约20米

直径减小至2米

可直接在海上平台进行发射

（长征十一号海上发射，图片来源@VCG）

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快舟一号

则更为袖珍

其直径仅有1.4米

两次发射间隔最小仅6小时

可快速响应、灵活部署

（径直升空的快舟1号，图片来源@VCG）

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此外众多民营火箭日趋成熟可重复使用的火箭也在研制当中（中国民营火箭双曲线一号起竖过程，摄影师@陈肖）
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总而言之
以“长征”系列为代表中国运载火箭的能力将日益全面以覆盖不同类型的轨道去往月球、奔向火星直至更远的星际
尽管在每一次任务中它们只是作为故事的开头从不曾参与故事的结局一旦成功分离后它们便功成身退
或消逝在大气之中

（长征七号的助推器在结束工作后分离坠落，摄影师@陈肖）

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或坠落于荒野大海

（长征二号丁坠落在荒野中的箭体，摄影师@在远方的阿伦）

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只留下卫星和飞船

继续奔向遥远的星际
正所谓
（引自李白《侠客行》）

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事了拂衣去，深藏身与名

但这就是它们的使命

就如同科学的高峰

也是经过一代又一代人的接力

才能够翻越的

待到

北斗列阵、神舟飞驰

嫦娥奔月、火星着陆

天舟往返、天宫建成

……

便是这条飞天之路

最为荣耀的时刻

（长征七号升空，映照在天空海面的火光耀眼夺目，摄影师@陈肖）

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创作团队

撰文：桢公子、艾蓝星

图片：任炳旭

设计：陈随

地图：陈思琦

审校：张照、云舞空城

专家审核

中国运载火箭技术研究院张博戎博士

【致谢】本文创作中得到了摄影师阿毛的大力支持，特此感谢。【参考文献】

[1]陈闽慷, 茹家欣. 神箭凌霄:长征系列火箭的发展历程[M]. 上海科技教育出版社, 2007.

[2]中国运载火箭技术研究院. 天穹神箭: 长征火箭开辟通天之路[M]. 中国宇航出版社, 2008.

[3]李成智. 中国航天技术发展史稿[M]. 辽宁教育出版社, 2006.

[4]《世界航天运载器大全》编委会. 世界航天运载器大全[M]. 中国宇航出版社, 1996.

[5]冉隆燧. 航天工程设计实践[M]. 中国宇航出版社, 2013.

[6]刘家騑, 李晓敏, 郭桂萍. 航天技术概论[M]. 北京航空航天大学出版社, 2014.

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