转载开启我国大推力火箭时代长征五号系列运载火箭

　　原作者 李其畅
　　来源 超超级loveovergold
　　转载于太空梦想
　　2020年是中国航天＂大年＂，中国空间站计划也正式拉开帷幕。作为我国新一代大推力运载火箭，长征五号B遥一运载火箭搭载我国新一代载人飞船试验船，于5月5日成功执行首飞任务。长征五号火箭将作为我国载人航天与宇宙星空的桥梁，助力实现中国载人航天＂三步走＂战略的最终一环。
　　新型火箭，应运而生
　　长征五号的历史最早可以追溯到1986年的＂大型运载火箭和天地往返运输系统＂项目，被列为国家高技术研究发展计划（即863计划）的主题之一，但研制工作当时并未开始。在随后的九十年代，随着长征三号乙等火箭的首飞，中国逐步完善了长征火箭体系，同时老旧的长征火箭也暴露出一系列问题。
　　九十年代后期各航天强国火箭升级，中国火箭技术逐渐＂丧失了在世界航天界第二集团的优势地位＂。为缩小与世界的差距、重获市场份额、满足未来航天需要，再加上研制新火箭以维持研发队伍的考虑，中国在2000年前后将新型火箭的论证工作提上日程。
　　长征五号系列运载火箭是我国为了满足进一步航天发展需要，在2006年立项研制的一次性大型低温液体捆绑式运载火箭，也是中国新一代运载火箭中芯级直径为5米的火箭系列。
　　长征五号系列火箭示意图
　　长征五号系列设计采用通用化、系列化、组合化思想。早期的长征五号运载火箭设计中包含5米、3.35米和2.25米三种直径为芯级的火箭，三种火箭合计14种构型，统一在长征五号的型号下，可谓家族庞大，不过只有5米直径芯级的运载火箭使用氢氧发动机。现如今的系列由二级半构型的基本型长征五号运载火箭（CZ-5）、不加第二级的一级半构型长征五号乙运载火箭（CZ-5B）以及添加上面级的长征五号/远征二号运载火箭（CZ-5/YZ-2）组成，地球同步转移轨道和近地轨道运载能力将分别达到14吨级、25吨级。
　　长征五号运载火箭使用模块化、系列化设计，提高可靠性，降低发射成本，更好地满足航天发射的需求。总体技术特色表现为：一个重点、两种动力系统、三个模块。即以发展5米直径芯级的大型运载火箭作为重点；发动机采用50吨级推力氢氧发动机和120吨级推力液氧煤油发动机这两种全新的动力系统；发展了5米直径、3.35米直径和2.25米直径箭体为基本模块。通过不同模块的组合，形成系列化通用化组合化的长征五号运载火箭系列。
　　长征五号运载火箭于2016年11月3日在我国文昌航天发射场首飞成功，由此成为中国运载能力最大的火箭。
　　长征五号成功首飞
　　高新科技加持，一飞冲天
　　2016年11月3日，长征五号火箭首飞取得圆满成功。但在2017年7月2日的发射任务中，长五遥二火箭发射失败。2019年12月27日，长征五号遥三火箭在文昌航天发射场复飞成功。与长征家族其他火箭相比，长征五号系列火箭在关键技术、功能方面实现了诸多突破。
　　01作为我国目前最大推力的运载火箭，拥有强大的绿色环保的三型两种新型火箭发动机。分别是用作芯一级主动力的50吨级氢氧发动机、充当芯二级主动力的9吨级膨胀循环氢氧发动机和用作助推级的120吨级液氧煤油发动机，三型发动机各有特色。50吨氢氧发动机是我国首台大推力、高性能、地面起动直接入轨的氢氧发动机，由两台独立工作的单机通过机架并联构成，地面推力达100吨，具有完全自主知识产权；9吨膨胀循环氢氧发动机在工作过程中，全部推进剂都能无损失地燃烧产生推力，因此被业内称为＂最优动力循环＂；120吨级液氧煤油火箭发动机是我国单管推力最大、技术最先进、应用前途最广泛的新型动力装置，使我国成为继苏联之后第二个掌握高压补燃循环液氧煤油发动机技术的国家，实现了从常规有毒推进剂开式循环液体推进技术到绿色无毒推进剂闭式循环液体推进技术的巨大跨越。
　　02长征五号运载火箭身高约57米，起飞时体重约870吨。与长三甲、长二F等火箭采用芯级支撑，芯级提着四个助推受力均匀的构型方式不同，长五火箭采用了四个助推将芯级撑起的构型方案，这种设计可让芯级减少承力，却增加了助推的研制技术难度，好处是增加火箭运载能力。在气动外形上，整流罩采用冯·卡门曲线设计，打开之后像一个鸡蛋壳，不能成为一个平面。助推则首次采用斜头锥设计，给机械加工带来革命性的技术问题，好处是保证了火箭的最佳气动性能。气动阻力最小，传力方式最合理，这是优化设计所取得的最合理的外形。
　　03长征五号发动机采用深低温液氢液氧燃料，其中液氢温度达零下253摄氏度、液氧温度达零下183摄氏度。火箭体内90％以上都是这种深低温燃料，但外表面温度依然可以保持在0℃以上。这是因为火箭的燃料贮箱外都穿着＂防寒服＂，让火箭内部的仪器、设备、电缆等设备正常工作。＂防寒服＂有里有面共3层，一共不到30毫米，却是给火箭保持体温的利器。
　　04过去，我国运载火箭芯级的贮箱、箱间段集成安装主要靠手动完成。＂胖五＂大火箭却实现了数字化总装、＂自动＂对接。2012年，集中攻关＂智能制造总体技术＂，攻克数字化总装对接装备的研制和关键技术。解决了贮箱＂弱刚性＂部件，在停放和调姿时，可能会因机械设备系统的挤压而受损的难题。长征五号芯一级贮箱告别＂手动合体＂，完成火箭制造工艺的升级，标志着我国成为继美国等航天强国后又一个掌握数字化总装对接技术的国家。
　　05长征五号采用了全数字化仿真设计技术，这让它的研制过程真实准确、又快又省。研制人员通过各种建模的＂仿真试验＂技术平台，在设计研制与试验中，进行了成百上千次的＂演示＂。试验件运输、吊装、装配、力学环境、热环境、飞行动作……逼真的试验件、清晰的试验流程，＂仿真试验＂呈现的是一组组视频动画。＂仿真试验＂不是简单的试验预演，重要的是试验还能＂预测＂可能发生的故障，让问题提前暴露、提前解决。在一次次试验预演中，＂仿真试验＂技术不断优化，在充分提高系统可靠性的基础之上，最大限度的降低了成本，为新型号火箭研制发挥了重要作用。
　　06过去，火箭所运载的卫星不同，整流罩上通信天线的安装位置、结构各不同，没有通用性，通过在整流罩上开窗口实现；而长征五号火箭的整流罩创新性地采用了全透波结构，让原来起天线作用的＂小窗口补丁＂与整个整流罩融为一体，就像给卫星信号开了＂全景式天窗＂。长征五号火箭整流罩直径5.2米，透波材料的泡沫层厚度只有近30毫米，全整流罩厚度必须控制精准，才能保证结构稳定性和可靠性。其生产制造技术实现了重大跨越。
　　作为新一代火箭的奠基之作，长征五号应用的先进核心技术多达247项。正是因为有了这样永不满足的创新精神，在星辰大海的征途上，中国人的太空探索梦想才能一步步变成现实。
　　长征五号B，开启中国空间站时代
　　长征五号B运载火箭
　　从外观上看，长征五号B运载火箭身高近54米，芯级直径5米，近850吨重。与长征五号运载火箭相比，个子矮了大约3米，轻了20吨。这是因为它比长征五号运载火箭少了芯二级和级间段，只有一个芯级配备4个助推器，是我国首型＂一级半＂火箭。
　　不过长征五号B运载火箭的整流罩比长征五号运载火箭大多了，长度超过20米，足以把十多米长、4米多粗的空间站核心舱装进去。这也与它们的功能性有关。长征五号运载火箭擅于跑长途，运送目的地包括大约3万6千千米外的地球同步轨道、38万千米外的月球，以及最近距离也有5千万千米的火星。而长征五号B运载火箭则专注于高度200至400千米的近地轨道，这是我国空间站建设的主战场，后续空间站核心舱等主要舱段都要由长征五号B运载火箭送上天。
　　长征五号B火箭整流罩
　　长征五号B运载火箭能凭借一级半构型把重磅航天器送入太空，得益于采用了氢氧发动机的芯一级，能够与使用液氧煤油发动机的助推器合理搭配。其中芯一级的两台大推力氢氧发动机，凭借傲视群雄的比冲（用于衡量发动机性能，可以理解为汽车的＂百公里油耗＂），直接影响着航天器的最终入轨。
　　由于长征五号B运载火箭所承担任务的特殊性，对氢氧发动机提出了极高要求。载人空间站工程的交会对接等任务，要求运载火箭的发射时间＂分秒不差＂，也就是所谓的＂零窗口＂发射。长征五号B运载火箭所用的氢氧发动机，必须确保发射前工作环环相扣、步步流畅，才能不耽误发射窗口。
　　另外，长征五号B运载火箭的加速度比长征五号运载火箭更快，但在助推器分离后，火箭加速度又会瞬间达到最低。发动机入口面对大起大落的压力，会给发动机的稳定、可靠工作带来巨大挑战。氢氧发动机研制队伍开展了大量研究改进与试验验证，逐一攻克难点，进一步提高了发动机的工作可靠性和稳定性。
　　针对空间站舱段等近地轨道大型航天器发射任务，长征五号后续改进型号CZ-5A或CZ-5M的地球同步转移轨道的运载能力将提升至14.5吨，是中国为新一代载人飞船、载人登月设想的一款基于长征五号技术的大型载人运载火箭。该型火箭与长征五号B运载火箭相仿，但为了发射载人舱段，改变了整流罩形状并增加了逃逸塔。另一个改进型号CZ-5DY是中国为载人登月（火箭名称中＂DY＂即＂登月＂的汉语拼音缩写）而设想的一款基于长征五号技术的超大型运载火箭。火箭技术指标为：5米芯级捆6个3.35米助推器；芯级4台、助推各2台YF-100发动机；二子级4台YF-77发动机；5米直径整流罩；起飞质量约1600吨，全箭长约72m；近地轨道运载能力约50吨。
　　肩负使命，任重道远
　　中国的天宫一号空间站重达8.5吨，未来中国天宫空间站将重达数百吨，且体积庞大，建成后可以与国际空间站相媲美，多个站段，需要高频、多趟运送，并在太空中完成积木式拼装。只有以长征五号为代表的新一代运载火箭，方可以承担这一运送使命。
　　我国的探月三期工程将突破并掌握月面表取采样、钻取采样、月球样品封装、月面起飞、月球轨道交会对接、样品转移等多项关键技术，实现＂绕、落、回＂三步走的最后一步。探测器与运载火箭分离后，经地月转移飞行和轨道修正，在近月点实施制动，进入环月圆轨道。
　　环月期间，探测器一分为二，分为着陆上升组合体与轨返组合体，其中轨返组合体继续环月飞行，而着陆上升组合体经变轨和动力下降飞行，在月面预定区域软着陆。承担使命的＂嫦娥五号＂探测器重达8吨多，目前我国可以胜任该项运输任务的现役火箭，也只有长征五号系列了。
　　火星探测任务的探测器的技术方案与探月工程有诸多相似之处，其成功经验可供借鉴，对即将开展的深空探测工程也具有十分重要的工程意义。它们的共同点是，对运载火箭运载能力的要求更高，而长征五号系列火箭正是不二的选择。