长征五号强势复出!
发布时间:2019-12-27
出品:科普中国
制作:太空精酿
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  12272045分,长征五号遥三运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空,2000多秒后将实践二十号卫星送入预定轨道,发射飞行试验取得圆满成功。 

 

长征五号遥三火箭发射(图片来源:我们的太空史悦 吕炳宏) 

    

  2019年是中国航天的“超级大年”,实现了一系列举世瞩目的成就:嫦娥四号和玉兔二号实现人类探测器首次着陆月球背面;玉兔二号成为人类史上工作时间最长月球车;长征十一号火箭实现中国首次海上平台发射;北斗卫星导航系统完成最核心的中圆轨道和同步倾斜轨道卫星部署;两枚快舟1A火箭实现同一发射场间隔6小时快速发射;三款商业火箭(捷龙,双曲线一号,零壹OS-1)首飞;年度火箭发射34次(美国27次),继2018年后再次成为世界第一,等等。 

  在这些辉煌之外,还有一个“全村人的希望”,那就是大家期待已久的长征五号的成功复飞。 

    

  一、为什么需要长征五号火箭 

  长征系列火箭是我国航天技术发展的绝对主力支撑,承担了我国96.4%的发射任务,发射航天器总质量占中国发射总质量的99.2%[1],重要性不言而喻。 

    

长征火箭家族部分主要成员 (图片来源:GW_Simulations 

    

  2015年之前,长征系列火箭的主力是长征二号(2C/2D/2F)、长征三号(3A/3B/3C)和长征四号(4B/4C)的多个型号。可是随着中国航天的快速发展,这些火箭开始逐渐“力不从心”,其中最重要的问题就是运力不足 

  例如,在长征五号之前,我们近地轨道的最大运力是长征二号F载人航天专用火箭的8.6吨,高轨的地球同步转移轨道的最大运力是长征三号B/E5.5[2],更远的地月转移轨道的最大运力也是长征三号B/E运送嫦娥三/四号任务时的3.8吨级别[3] 

     这意味着,更重、更大、更复杂的航天发射任务根本没法由这些火箭完成。例如,我国规划中的天宫空间站几个核心舱段每个重量将在20吨级,这远远超过了长征二号F火箭的运力;我国全新超大型卫星平台东方红五号总重量最多可以达到9吨级[5],且它需要被送到距离地面36000千米的轨道,这大幅超过了长征三号B/E火箭的能力;我国嫦娥工程下一步采样返回任务嫦娥五号重量也将远超嫦娥三/四号,更何况还有规划中的火星探测等深空探测任务。 

  中国有句很经典的俗语:“没有金刚钻,别揽瓷器活”。中国这些“重量级”航天任务,都亟需一枚通用化、系列化、组合化的大型运载火箭。这,就是长征五号的使命和定位。 

    

长征五号转场中 (图片来源:航天科技集团) 

    

  长征五号的近地轨道运力达到25吨,同步转移轨道运力达到14吨,地月转移轨道达到8吨级,能执行多种航天发射任务,能力远远超过此前的长征火箭。 

    

  二、造出长征五号火箭,有多难? 

  长征五号这种级别的火箭研制在世界范围内都是个极大的挑战,对中国而言,亦是如此。但作为中国航天史上具有划时代意义重要性的火箭,中国航天人必须迎难而上,为此,需要实现一系列高难度重大创新。 

    

  1.新火箭推进剂 

  传统的长征家族火箭,包括长征二、三、四号火箭都使用四氧化二氮/偏二甲肼推进剂组合,它们毒性大、发射准备周期长、价格昂贵、比冲偏低。比冲是衡量单位质量推进剂产生冲量的指标,一般来说,这个数据越大意味着火箭推进能力越强。相比较而言,液氧煤油、液氧液氢推进剂更优,也是世界主流大型火箭的选择。 

  因而,长征五号一大变化是它的核心推进剂是由液氧煤油(助推器)和液氧液氢(核心芯一级、二级)组合使用。由于液氧液氢的稳定储存温度极低,分别为零下183和零下253摄氏度,长征五号也因而得名为“冰箭” 

  2.新火箭发动机 

  更新了推进剂,就意味着发动机也要更新。而一枚火箭发动机要同时做到推力大、爆发力强、材料耐热也耐冷(从极低温到数千摄氏度的燃烧温度)、结构强、控制精细、稳定性强、质量轻等多个优点,谈何容易? 

  这也是发动机被叫做“火箭心脏”的原因,它的研发难度直接导致全世界能做出大型火箭的国家屈指可数。 

    

展览中的YF-100K发动机 (开源图片) 

    

  而为了长征五号,需要同时研发出YF-77(液氧液氢推进剂,用于核心级)、YF-100(液氧煤油推进剂,用于助推器)和YF-75D(液氧液氢推进剂,用于二级)三型发动机,难度可想而知。 

  3.新火箭上面级 

  长征五号定位为一种多用途系列火箭,在执行高轨和深空探测任务时,还需要携带第三级、或者又可以叫做上面级,它类似太空摆渡车的效果。为长征五号配套的上面级是远征二号。 

  在航天领域,一箭N星“撒土豆”并不稀奇,因为重量仅几十克的皮卫星也叫卫星,但如果一次性发射多个大质量卫星进入不同轨道则非常复杂,对上面级的要求极高。例如,北斗建设过程中,就数次依靠远征一号实现一箭双星任务,节省发射次数。而远征二号实现了中国航天上面级的新一个重大突破,首次的双发动机设计也让它拥有了极强的机动变轨能力,比远征一号更强,能够助力航天器进入更远、更高、更复杂的轨道。 

  4.新壳体、新结构、新模块化组合 

  航天领域有个著名但又不失真的“笑话”——“马屁股决定了运载火箭的运力”,大意是:当初的铁轨设计参照了马屁股并排时的宽度,铁轨宽度决定了车厢设计宽度,车厢设计宽度决定了隧道设计宽度,隧道设计宽度决定了最大允许通过火箭箭体直径,火箭尺寸自然决定了最后的火箭运力。 

  最终的结果是,此前主力长征火箭的最大壳体直径一般为3.35米,再宽就无法运到三大发射中心(酒泉、太原和西昌)。 

    

  

大国工匠:高凤林,图源:CCTV 

    

  为了实现运力提升的需求,长征五号要求做到5米直径的箭体,第一级外还捆绑了43.35米的助推器,总质量飙升到了869吨级别,远超长征三号B系列的426-459吨级别[2],它成了名副其实的“胖五”,这意味着崭新的壳体和整体结构设计方案。关于它的难度,推荐读者们观看著名纪录片《大国工匠》,第一集就讲述了为火箭发动机和大型壳体做焊接的大国工匠高凤林工程师的故事。 

  此外,长征五号还实现了大型火箭的模块化设计理念,火箭级数、是否携带上面级、助推器捆绑方案等都可以按照发射需求变化,从而衍生出一个适合多种任务的长五家族。 

  5.新配套发射场、火箭运输船、生产基地 

  但显然,长征五号已经无法继续使用传统的三大火箭发射场,需要建设新的火箭发射场,这就是位于海南的文昌火箭发射基地。实际上,它还有另外两个重大好处:周边都是大洋,火箭残骸不会造成任何损失;纬度更低,能更大程度借助地球自转的力量,减少推进剂消耗、提升运力。 

    

远望2122航天运输船(图片来源:央广网和中国军网) 

    

  为了将长征五号从海路运往文昌,我国还先后服役了两艘远望21/22航天运输船;为将组装好的火箭转场至发射架,还需要建造大型特种火箭运输平台;长征五号的生产与组装都在天津的滨海新区完成(天津航天长征火箭制造有限公司),这里也将成为中国未来火箭生产体系的灵魂。 

    

  这些只是长五相关的一部分,但已然可以想象每一点背后都有无数科研人员常年攻克难关,也需要国家强大的人力物力资源、科研和工程技术实力作为后盾,缺一不可。 

    

  三、成功,从来不是那么容易 

  2016113日,长征五号遥一火箭成功首飞,举国欢腾,对于拥有如此多技术更新的大型火箭而言,着实不易。横向比较,同等级别的美国德尔塔4-重型、俄罗斯质子M、欧洲的阿里安5型火箭,都在试射期间出现过事故。 

  然而,201772日,长征五号遥二火箭发射任务在飞行至346秒时突发故障。根据分析仿真计算及地面试验结果,故障原因为芯一级液氢液氧发动机一分机涡轮排气装置在复杂力热环境下,局部结构发生异常,发动机推力瞬时大幅下降,致使发射任务失利[4] 

  事后,中国航天开启了异常艰辛的“归零”工作,复现故障。经过反复排查,最终发现了这个原因。随后,改进后的芯一级液氢液氧发动机完成多次地面热试车考核,验证了改进措施的有效性[4],才有了今天的长征五号遥三任务。 

  成功从来不是那么随随便便,“胖五”的归来之旅,已经经历了900多天的痛苦煎熬。这副重担,不仅压在火箭研发团队的肩上,更压在全体中国航天人的肩上。 

    

  四、胖五归来,中国航天新时代进程中 

  “胖五”成功归来,意味着一系列对中国航天有着深远意义的大型任务可以开始实施。 

  本次发射的实践二十号任务,是我国首次应用的东方红五号卫星平台。这个平台是我国纯自主设计研发的新一代大型桁架式卫星平台,全平台最大功率最高可达30千瓦,最大质量达到9吨。由于使用了等离子电推进技术,设计寿命可长达15年,大大提高了我国超大型卫星研究水平,是我国未来20年内的核心卫星平台之一,能使用在通信、遥感等多种卫星应用领域[5]。实践二十因而成为世界最重最强的高通量通信卫星之一,太阳能帆板全部展开后超过40米宽,超过普通客机翼展,通信能力远超中国此前任何一颗通信卫星。 

    

中国火星探测任务(图片来源:国家航天局) 

    

  20207月前后,人类迎来又一次探测火星窗口,中国首个独立自主的火星探测任务即将出发,目标是在一次任务中完成火星“绕、落、巡”的壮举,长征五号就是托举它奔向火星的火箭。 

  随后,我国将正式开始嫦娥探月工程“绕、落、回”三步走计划的最后一步“回”,嫦娥五号将搭乘长征五号择机发射,着陆月球并带回月球土壤样本,这也是阿波罗登月时代结束50年之际人类再次“触碰”月球。 

  11艘神舟飞船、1艘天舟飞船、2艘天宫空间实验室任务结束后,我国载人航天事业也将迎来新高度,全面建设100吨级别的天宫空间站,实现多人在轨长时间驻留太空。在同样的轨道也将有一个大型巡天望远镜伴飞,成为中国的“哈勃太空望远镜”。长征五号(B型)火箭将成为整体建设过程中最核心的运载器具。 

  中国航天的新时代已经到来。今年是中华人民共和国成立70周年,中国航天也已经走过63年。回头看,它的每一幕依然激动人心。从东方红一号到长征五号,中国航天辉煌成就的背后,不仅有伟大的23位“两弹一星”元勋,更有一位又一位继承、坚持、发扬着“两弹一星”精神的平凡航天人。 

  向他们致敬!! 

    

  相关参考: 

  1】航天科技集团:http://www.spacechina.com/n25/n148/n2020942/c2614681/content.html 

  2】长城工业集团:http://cn.cgwic.com/Launchservice/LM3B.html 

  3】人民网:http://scitech.people.com.cn/change-3/ 

  4】运载火箭技术研究院:http://www.calt.com/n482/n742/c11650/content.html 

  5】空间技术研究院:http://www.cast.cn/Item/Show.asp?m=1&d=2883 

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