技术航天长征五号系列运载火箭研制应用分析及未来展望

　　原作者简介
　　李平岐（1982-），男，高级工程师，主要研究方向为运载火箭总体设计。
　　李东（1967-），男，博士，研究员，长征五号运载火箭总设计师，主要研究方向为运载火箭总体设计。
　　杨虎军（1972-），男，研究员，主要研究方向为运载火箭总体设计。
　　黄兵（1972-），男，研究员，主要研究方向为运载火箭总体设计。
　　黄辉（1979-），男，研究员，主要研究方向为运载火箭总体设计。
　　本文转载自＂《导弹与航天运载技术》＂，原标题《长征五号系列运载火箭研制应用分析及未来展望》，文 | 李平岐 ，李东 ，杨虎军 ，黄兵 ，黄辉
　　引言
　　长征五号系列运载火箭，是中国新一代运载火箭中第一个立项研制的火箭型号，它是为了满足中国航天发展对大运载能力日益迫切的需求而研制的新一代大型液体运载火箭，以大幅提升中国进入空间的能力为目标，是中国由航天大国迈向航天强国的显著标志和重要支撑。
　　长征五号运载火箭获得国家立项后，经过10余年的工程研制，攻克了大量的关键技术和工程技术难题。2016年11月3日，长征五号火箭首飞取得圆满成功；2020年5月5日，长征五号B火箭首飞取得圆满成功；2020年7月23日、11月24日，长征五号运载火箭先后圆满完成了天问一号火星探测器、嫦娥五号月球探测器发射任务，为中国首次火星探测、月球取样返回和载人空间站工程等国家重大航天工程任务实施奠定了坚实基础。
　　01 研制回顾
　　长征五号系列运载火箭按照＂立足长远、统筹规划、优先发展、分步实施＂的发展原则，遵循＂一个系列、两种发动机、三个模块＂的总体思路，贯彻＂通用化、组合化、系列化＂设计思想，以＂高可靠、低成本、无毒、无污染、适应性强、安全性好＂为发展目标开展论证和研制。
　　长征五号运载火箭的研制并不是以单一任务为目标，而是瞄准中国航天发展的现实和迫切需求而规划的一个系列化运载火箭，基于5 m直径模块，共规划了6个构型，实现对各种典型任务需求的覆盖，其中地球同步转移轨道（Geosynchronous Transfer Orbit，GTO，GTO）覆盖6~14 t，近地轨道（（Low Earth Orbit，LEO）覆盖10~25 t；基于3.35 m直径和2.25 m直径模块，构建了新一代中、小型运载火箭。
　　目前已经首飞并工程应用的长征五号火箭是两级半最大构型，采用5 m直径氢氧芯级、捆绑4个3.35 m直径液氧煤油助推器方案，主要用于中高轨及深空探测发射任务；已经首飞的长征五号B火箭是一级半最大构型，相比长征五号火箭，减少了二子级、并采用了更大规模的整流罩，以满足载人空间站工程舱段发射任务的使用需求。长征五号和长征五号B火箭实现了助推器和芯一级模块完全共用，在国内首次实现了两型大型火箭的并行研制，大幅缩短了研制周期、节约了研制经费，为中国运载火箭的模块化、系列化发展积累了丰富的研制经验。
　　由于长征五号系列运载火箭肩负的历史责任和使命，在方案论证初期即确定了＂高起点、高定位、实现跨越式发展＂的指导思想，由此导致长征五号运载火箭的研制具有＂两多、两大、两新、一同步＂的特点，即：a）两多：新技术多、新研产品多；b）两大：技术跨度大、研制规模大；c）两新：研制队伍新、研制手段新；d）一同步：型号研制与研保条件建设同步。
　　长征五号运载火箭新技术比例超过90%，在研制过程中，攻克了以全新5 m箭体结构和2219铝合金新材料、三型全新高性能、无毒无污染发动机、全新控制系统级冗余和总线技术、高码率双点频冗余传输技术及＂新三垂＂测发模式为代表的12大类200余项核心关键技术[4]；研制过程中累计投产各类单机产品18000余台（套），开展各类地面试验20 000余次。2016年，长征五号火箭首飞成功，全面验证了火箭总体方案以及各分系统设计方案的正确性、协调性。
　　2017年7月，在进行第二次飞行试验时，由于飞行过程中芯一级发动机推力异常下降导致飞行失利。在随后的两年多时间里，型号队伍通过艰苦攻关，找准故障原因，完成故障归零，采取的改进措施经过多台发动机多次地面热试车考核验证，确认措施有效。2019年12月27日，长征五号Y3火箭复飞取得圆满成功，进一步验证了改进措施的有效性。2020年7月23日、11月24日，长征五号Y4、Y5火箭先后圆满完成了中国首次火星探测（见图1）和探月三期嫦娥五号探测器月球取样返回发射任务。
　　图1 长征五号Y4发射天问一号
　　在开展故障归零工作的同时，深入开展再分析、再设计和再验证的＂三再＂工作，累计开展400余项＂三再＂项目，进行了200余项设计改进，通过改进，提高了设计裕度，消除了薄弱环节，火箭的可靠性得到全面提升。为提高产品质量的管控水平，研制队伍提出了设计特性全集的思路和全新工作方法，全箭各类产品共识别设计特性30 000余项，并按照设计特性属性及重要性进行了分类分级管控，通过设计特性全集管控工作，有效确保了火箭产品的质量。
　　现役大型火箭GTO轨道运载能力对比
　　如图2所示：
　　图2 现役大型火箭GTO轨道运载能力对比
　　长征五号运载火箭的成功研制和工程应用大幅提升了中国运载火箭的整体技术水平，运载能力相比中国现役运载火箭提高了2.5倍，综合技术指标达到了国际同类大型运载火箭先进水平。
　　在长征五号运载火箭成功研制的基础上，为满足中国载人航天工程第三步——空间站工程的任务要求，开展了长征五号B运载火箭的研制，主要用于空间站舱段发射任务，其近地轨道运载能力达到了25 t。长征五号B运载火箭遵循与长征五号火箭进行产品化设计的原则，充分继承了长征五号火箭研制基础，助推器、芯一级状态完全同长征五号火箭状态相同。
　　为满足空间站舱段发射任务要求，长征五号B运载火箭突破了20.5 m长整流罩分离技术、大直径舱箭连接分离技术、大推力直接入轨精度控制和分离安全控制技术等重大关键技术。2020年5月5日，长征五号B火箭首飞取得圆满成功（见图3），它也是目前国际上唯一一款一级半直接入轨火箭，具有系统简洁、研制成本低、可靠性高等特点。
　　图3长征五号B火箭首飞
　　02 任务能力分析
　　长征五号系列运载火箭任务适应能力强，具备各种典型轨道任务的发射能力，其中两级半构型长征五号火箭可以用于中高轨道、深空探测任务，一级半构型长征五号B火箭可用于近地轨道发射任务。此外，长征五号、长征五号B火箭与远征系列上面级、固体上面级组合还可执行地球静止轨道（The geostationary orbit，GEO）直接入轨、中高轨圆轨道、太阳边际行星际探测等多种发射任务。
　　➤2.1长征五号火箭典型任务分析
　　CZ-5火箭为两级半构型,可适应的任务类型包括:
　　a）直接用于GTO、地月转移轨道(Lunar TransferOrbit,LTO)、地火转移轨道(Mars Transfer orbit,MTO)以及太阳同步轨道(Sun-synchronous Orbit，SSO）发射任务;
　　b）与远征二号上面级组合，可以直接发射GEO任务；
　　c）执行发射能量要求更高的深空探测任务时，由于长征五号火箭二子级规模较大，为实现运载能力最优，当逃逸能量C3超过20 k㎡/s2时，建议采用＂长征五号火箭+远征一号上面级＂或＂长征五号火箭+小固体上面级＂的方案。
　　➤2.2长征五号B火箭典型任务分析
　　长征五号B火箭为一级半构型，可适应的任务类型包括：
　　a）直接用于LEO发射任务；
　　b）可以与远征系列上面级组合，发射1000 km左右高度的圆轨道、SSO等任务。
　　➤2.3整流罩可用包络
　　长征五号、长征五号B火箭整流罩采用整体吊方案，整流罩头锥采用冯·卡门外形、全透波方案，整流罩柱段采用模块化组合方案，整流罩直径Φ5.2 m。其中长征五号火箭整流罩长约12 m、长征五号B火箭整流罩长约21 m，整流罩柱段可用包络直径Φ4.5 m，对于长征五号B火箭用长整流罩，由于整流罩以及有效载荷弹性变形影响，在距离整流罩下端面10 600 mm以上部分，整流罩柱段可用包络逐渐减小，整流罩内部可用空间见图4阴影部分，整流罩操作口和透波口可以根据用户需求进行定制。
　　图4 整流罩可用包络
　　➤2.4星箭接口方案
　　目前长征五号、长征五号B火箭支持2种类型的星箭连接解锁方案：点式连接解锁装置和线性连接解锁装置。
　　a）点式分离方案采用10个或12个低冲击分离装置进行连接和解锁分离，目前可以支持φ1900、φ3100、φ3500、φ3800等多种接口方案，建议采用尺寸接口较大的方案，便于星箭对接操作以及可以适应更大的卫星重量。点式分离装置具有有分离冲击小、碎片及多余物可控、承载能力范围广、同步性较好、安装使用方便等优点。
　　b）线性分离方案采用＂膨胀管+双凹槽板＂的线性分离装置进行连接和解锁分离，目前可以支持φ4100接口。线性分离装置具有可靠性高、结构刚度连续、承载能力强等优点。
　　03 发展展望
　　➤3.1研制更大整流罩，提升任务适应性
　　随着长征五号火箭成功研制及应用，中国多个有效载荷提出了发射使用需求，但现有长征五号火箭采用的12 m长整流罩柱段长度较小、使用空间不满足大质量载荷的包络使用需求。为此，结合运载能力情况，开展了更大整流罩的论证，最终确定采用约19 m整流罩方案，柱段高度有效增加，该整流罩可适应一箭一星以及一箭双星串联发射任务，其中双星串联任务一次可发射2颗DFH-4平台的卫星、也可一次发射DFH-5和DFH-3平台卫星各一颗，进一步拓展了长征五号火箭的发射任务适应性，如图5所示。
　　图5 新整流罩方案
　　➤3.2发射场流程优化，提升年均发射能力
　　长征五号系列火箭是中国全新研制的大型低温液体运载火箭，系统复杂，型号初期按照＂发射场测试全面覆盖＂的原则，开展了发射场测试发射流程设计，制订了为期约两个月的发射场测试发射工作流程。随着火箭技术状态的不断固化、以及发射次数的增加，长征五号系列火箭将逐渐完成技术方案不断细化和完善、数据获取等＂成长和积累期＂，具备开展后续流程优化、缩短发射周期等工作的条件。
　　截至2020年11月，长征五号系列火箭共完成了6次飞行，结合历次任务发射场工作开展情况，后续可从以下几方面开展流程优化工作：
　　a）优化发射场测试项目；
　　b）优化产品卸船、转载、箭体恢复等箭体吊装前准备工作；
　　c）优化星箭对接及合罩流程；
　　d）优化推进剂加注流程，采用异种推进剂并行加注方案；
　　e）芯一级发动机大喷管装箭运输，减少发射场保留工序。
　　通过上述改进，发射场测发流程至少可减少15天。
　　➤3.3故障容错及重构设计，提升飞行可靠性和安全性
　　运载火箭的故障诊断、容错及重构设计是提升飞行可靠性和安全性的有效手段。通过诊断系统将故障准确诊断出来，根据故障情况规划后续飞行任务，并重构制导控制律保证后续任务的继续实施，实现对典型故障的适应。美国的法尔肯9火箭曾多次在飞行中发生发动机相关故障，然后通过控制重构及弹道重规划，确保了主任务的圆满成功。中国近期的几次飞行失利表明，若运载火箭进行故障容错和重构设计，具备故障吸收能力，可大幅提升运载火箭的可靠性和飞行成功率。目前，随着迭代制导技术的成熟、基于总线架构的箭上硬件水平的提升，开展故障容错和重构设计已成为可能。
　　长征五号火箭主要用于国家重大专项任务和大质量、高价值载荷发射任务，任务的意义及影响较大，对发射可靠性及安全性要求更高。长征五号火箭GTO运载能力达到了14 t，在其执行的发射任务中，大部分有效载荷质量要小于运载能力，因此每次飞行任务中均具有一定的运载余量，天然的具备开展故障诊断、容错及重构设计的条件。
　　前期长征五号火箭已开展了针对发动机故障、伺服机构故障等的故障适应性及容错改进设计，后续将逐步推进相关改进技术的飞行搭载验证及工程应用。
　　04 结束语
　　长征五号系列运载火箭在研制中攻克了大量的关键技术和工程应用难题，其成功研制大幅提升了中国自主进入空间的能力，火箭的整体技术水平达到国际先进水平，有力地支撑了中国探月工程三期、火星探测等国家重大工程任务的实施，同时为中国后续载人空间站工程建设奠定了坚实基础。
　　长征五号系列运载火箭具有运载能力大、任务适应性强等特点，可以满足低轨、中高轨以及深空探测等各种任务需求，后续，将结合运载火箭领域技术发展，持续地开展改进优化，不断提升火箭的任务适应性、飞行可靠性和安全性，将其打造成中国新一代金牌火箭。