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长征五号火箭首飞成功:中国从航天大国迈向航天强国

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  (文|记者李乃麟)

  11月3日20点43分,中国第一枚大型运载火箭“长征5号”在海南文昌航天发射场顺利升空。长征五号是我国运载火箭更新换代的里程碑,显著提高了我国进入空间的能力,是我国从航天大国迈向航天强国的标志,中国航天史将从此刻划分成两段。

  

  长征五号发射(新华社)

  研制历程——30年打造大国重器

  冷战结束前后,欧美日等发达国家竞相研制新一代运载火箭,如美国的宇宙神4和德尔塔4,欧洲的阿里安5和日本的H-II系列火箭。即使是欧美的老一辈运载火箭也和弹道导弹项目有着千丝万缕的联系,而新一代运载火箭立足军民用航天发射,不仅运载能力有了很大的提高,还应用了更先进的技术和设计,具有更高的可靠性、安全性和环保性能。

  20世纪80年代,我国第一代运载火箭逐渐完成发展的同时,中国航天也在酝酿新一代运载火箭的论证和研制,863计划中就专门提到要研制新一代运载火箭。从1986年开始,中国航天进行了长时间的论证,进行了关键技术的预先研究,完成了新一代火箭的总体方案的初步论证。早期完成关键技术突破后,2000年和2001年120吨级液氧煤油发动机和50吨级液氧液氢发动机正式立项,进入工程研制阶段,并陆续开始热试车点火。各项分系统的研制步入正轨后,2006年新一代运载火箭中的顶梁柱,也就是被我们称为大火箭的长征五号运载火箭正式立项,此时距离新一代运载火箭开始论证已经过去了20年。

  

  YF-100型120吨级液氧煤油发动机是新一代运载火箭的主发动机(航天科技集团)

  长征五号火箭研制过程中,先后完成了120吨级YF-100液氧煤油发动机和50吨级YF-77液氧液氢发动机的定型,以及5米大直径液氧和液氢储箱的试验,又分别通过了5米液氧液氢芯级和第二级的动力系统全程热试车试验。

  大火箭还进行了助推器分离试验和整流罩分离试验,并在新建的亚洲最大的振动塔上完成了大火箭的全箭振动特性试验,循序渐进的为火箭的首飞铺平了道路。长征五号火箭助推器使用的YF-100型120吨级液氧煤油发动机也是新一代火箭的长征六号和长征七号的主发动机,2015年9月20日和2016年6月25日,长征六号火箭和长征七号火箭先后首飞成功,YF-100液氧煤油发动机通过实际飞行试验的考验,也为长征五号火箭的首飞成功奠定了坚实的基础。

  火箭发动机——和美俄“平起平坐”

  运载火箭与飞机汽车一样,发动机是它的核心技术。为了把更重的载荷送到更高更远的地方,火箭不仅需要最好的发动机,而且一支多级火箭需要不同类型的发动机。通常中型以上的液体燃料火箭,它的初级都用大推力但效率略差的液氧煤油发动机,而最后一级都釆用效率高的液氢液氧发动机。这样的高低搭配可以在火箭的性能和价格之间求得最优化。

  综观世界的航天大国集团,天下可以一分三家。在航天领域欧洲对美国的依赖十分明显,英国脱欧后,欧洲更难自成体系,它们的技术路线也与美国比较一致,欧美只能算作一家,另二家分别是俄罗斯和中国。

  在运载火箭技术上,欧美的强项是液氢液氧发动机技术和火箭的整体集成技术,软挡是液氧煤油发动机技术,美国的重型运载火箭至今还要依靠进口俄罗斯的RD-180发动机。没有大推力的液氧煤油发动机,严重地制约了欧美研发重型和超重型运载火箭方面的进展,也使欧美的航天运载发射的成本太高。当然,也有人认为,欧美研制出新一代液氧煤油发动机并无多大问题,只是从成本考虑才买俄罗斯的。

  俄罗斯在大推力液氧煤油发动机上一枝独秀,液氢液氧发动机技术略输欧美,但是俄罗斯在火箭整体综合技术上严重落后。客观地说,俄罗斯一直在吃苏联时期的老本,目前的经济总量不足,长远来看,俄罗斯要保持其航天科技领域的优势有很多的困难。

  中国无疑是三强俱乐部中的小弟,液氧煤油发动机不如俄罗斯,而液氢液氧发动机又不如欧美,但是这两种发动机技术中国都有,而且火箭的整体综合技术能力一点不输欧美,中国运载火箭的发射成功率一直稳居榜首。总之中国的运载火箭技术比较全面平衡,中国虽然不是尖子生,但也不是偏科生,是从农村中出来的努力上进的好学生,班上最后成功的很可能就是他。长征五号火箭是中国进入三强集团的入场券,从今以后,世界航天业界的三国鼎立正式开始。

  

  长征五号芯二级使用的YF-77液氢液氧发动机(新华社)

  液氢液氧发动机的优势和劣势都是液氢带来的,液氢像是汉初名相萧何,成也在它败也在它。液氢的主要优势是比冲高,比冲是火箭业界相当于“高效”的一种专业说法。比冲是衡量火箭燃烧效率的指标,比冲值越高,消耗同样质量的燃料,产生的冲量越大(即火箭能获得更大的加速度)。它有些像汽车的油耗指标,每加仑油跑的里程数越大,汽车带同样的燃料就可以跑得更远。高比冲燃料的液氢液氧发动机可以把火箭射得更高更远。

  但是液氢比重太小,相同质量的液氢将占用更大的体积,这会导致火箭臃肿不堪。液氢的沸点是-253摄氏度,先不说自身的储存问题,这个温度首先就对和它一起装在火箭里的氧化剂非常的“不友好”,液氧的冰点是-219度。在一些简单的火箭设计中,燃烧剂和氧化剂的罐子是连在一起的,中间只有一层舱壁。而液氢罐和液氧罐却必须完全分离开,中间留空,否则液氢就把隔壁的液氧给冻住了。液氢的超低温给生产、储存和运行带来一系列的技术难题。

  多数运载火箭的最后一级都用比冲高的液氢液氧发动机,因为对载荷提供相同的冲量,高比冲发动机可以使用较少的燃料,而最后一级发动机的燃料是下级发动机的载荷,因而減轻最后一级发动机的燃料重量可以大幅减少初级发动机的负担,起到一两拨千斤的作用。

  火箭的初级发动机和助推级一般都使用液氧煤油发动机,这种发动机的比冲要差一些,初级发动机和助推级比冲低一点只要多携带一些燃料,又不会再连累谁,无非增加些推力就是了。毕竟大推力的液氧煤油发动机要经济和可靠得多,生产和储存常温态的煤油成本很低。世界上也只有美国的"Delta IV" 重型运载火箭的各级全部使用液氢液氧发动机(RS-68A),难怪它每次的发射费用高达三亿多美元,真是挥金如土啊!

  如今地主家里也没有余粮了,美国军方的"Atlas V"重型火箭的第一级和助推级都改用从俄罗斯进口的大推力液氧煤油发动机(RD-180)。为了要不要继续进口俄罗斯的RD-180发动机,美国朝野十分纠结,美国国会为此展开激烈辩论并作出专门法案,说到底,还是技不如人,缚手缚脚啊。

  

YF-100液氧煤油发动机进行试车(新华社)

  大推力发动机为什么难做?大推力发动机的关键是必须在大空间里控制和维持燃气的高压高温燃烧,这是个不稳定的非线性热力学过程,理论计算提供不了多少帮助,完全靠大量的实验,一点一滴地积累经验。

  中国长征五号的YF100液氧煤油发动机此前各种试车已达114次,长征五号的YF77液氢液氧发动机点火试车24000秒。由此可知,大推力火箭发动机是黄金堆出来的,它凝聚了成千上万化工、材料、热工、控制和精密机械工程师的智慧和汗水,真可谓“一斤推力一寸金,十万马力十万人!”,中国己成为继俄罗斯之后第二个全面掌握液氧煤油高压补燃发动机技术的国家,让我们向长征五号的全体研制人员致以最高敬意。

  

芯级的5米低温储箱静力测试试验曾是长五研制的拦路虎(航天科技集团一院)

  2015年9月20日,长征五号火箭在天津港上船,远望21和22号将其运送到文昌卫星发射场。2015年底到2016年初,长征五号运载火箭在文昌发射场进行了首飞前最后的实战演练-发射场合练工作。长征五号火箭的合练进行了我国规模最大的低温推进剂的加注、停放和泄出演练,完整考察了长征五号火箭从测试到发射的全部流程,测试了火箭和发射场以及地面系统接口的匹配性。毫不夸张地说,长征五号火箭年底的首飞试验和年初的发射场合练的区别,只在于最后是否按下了点火发射按钮。历时3个月的发射场合练工作的顺利完成,为长征五号运载火箭的首飞做好了最后的准备。

  总体设计——突破一系列关键技术

  长征五号火箭进行了一系列技术创新,总体设计方案的可靠性和安全性都有了大幅提高。通过一系列关键技术的突破,我国运载火箭的研制经验和技术水平完成了一次飞跃,火箭总体水平达到了国际先进水平。

  长征五号火箭紧随国际主流运载火箭的发展趋势,按照“通用化、系列化、组合化”的设计思想,提出了“一个系列、两种发动机和三个模块”的总体设计思路。一个系列指新一代运载火箭,两种发动机指50吨级液氧液氢发动机和120吨级液氧煤油发动机,三个模块指使用液氧液氢推进剂的5米直径模块,以及使用液氧煤油推进剂的3.35米和2.25米模块。21世纪初的规划中,我国新一代运载火箭都是这三种模块的搭配组合的产物,其中长征五号火箭以5米模块为芯级,3.35米和2.25米直径模块为助推器,组合出6种不同的构型,近地轨道运载能力为10到25吨,地球同步转移轨道运载能力为6到14吨。长征五号火箭是我国运载火箭史上同时开展6种构型的总体设计,也是同时优化这么多的构型的首次尝试,为我国运载火箭的未来发展积累了丰富研制经验,奠定了坚实的技术基础。

  

长五最初设计方案包括6种构型,但目前只有长征五号(构型E)和长征五号B(构型B)的消息(航天科技集团)

  

总装厂房中的长征五号(新华社)

  性能和应用——助力探测月球和火星

  长征五号火箭被称为大火箭,为什么要这么说呢?

  长征五号火箭的“大”,首先体现在体积、重量大。长征五号火箭芯级直径5米,助推器直径3.35米,都比现役长征二号F火箭多出大约一半。长征火箭火箭高度为56.97米,仅次于使用了逃逸塔的长征二号F火箭。长征五号火箭的起飞质量879吨,比长征二号F火箭的498吨高出76%还多。从外形上,肥硕的长征五号就要比瘦削的长征二号F和长征三号B火箭大得多,长征五号也由此收获了航天爱好者的爱称“胖五”。

  

长征五号运载火箭是未来我国探测月球和火星的利器

  大火箭的“大”字,还体现在运载能力大。长征五号火箭作为我国十年磨一剑的产物,绝非徒有其表。它使用了高效的推进剂组合和高性能的火箭发动机,让长征五号火箭的运载能力大有提高。长征五号火箭的地球同步转移轨道运力为约14吨,长征五号B火箭的近地轨道运载能力约为25吨,是当之无愧的大型运载火箭,这两个指标不仅比我国上一代运载火箭的纪录保持者长征三号B和长征二号F运载火箭都提高了两倍多,对比国际大型运载火箭也是相当出色的。

  长征五号系列火箭的运载能力高于俄罗斯质子号火箭和安加拉火箭,也优于欧空局的阿里安5系列火箭,对比美国的宇宙神5火箭和日本的H-IIB火箭更是有过之无不及。目前,长征五号火箭的运载能力仅次于美国现役的重型德尔塔4火箭。实际使用中长征五号火箭还将根据实际需要搭载远征二号上面级,具有更灵活的发射能力。

  

俄罗斯质子号火箭

  根据2013年公开论文的数据,长征五号B火箭200公里-400公里近地轨道运力为23吨,可以用于发射未来天宫号空间站的大型舱段,以及其他需要部署在近地轨道的大型卫星和飞船。长征五号火箭外加远征二号上面级,可以将约5.1吨的载荷直接送入地球静止轨道,也可将至少4.5吨的载荷送入倾角55度高度26000公里的圆轨道。

  长征五号火箭不仅可以发射9吨级的东方红五号大型通信卫星,还可以将卫星直接送入静止轨道,目前只有美国重型德尔塔火箭拥有这样的运载能力。它还可以用于一箭四星发射北斗导航定位卫星,加速北斗导航系统的部署速度。长征五号火箭的奔月轨道运载能力可达8.2吨以上,明年它将用于发射我国第一颗执行月球取样返回任务的嫦娥五号。大火箭运载能力的提高,还将用于发射未来2020年的火星探测器。根据火箭总设计师李东的文章,长征五号系列运载火箭的近地轨道和地球同步转移轨道运载能力还具有进一步提升的潜力,有需要的话可以改进火箭,适应运载能力更高的工程需求。

  运载火箭的运力有多大,航天的舞台就有多大。长征五号系列火箭大幅提高了我国进入空间的能力,为我国航天事业带来了更广阔的发展舞台。长征五号火箭作为中国由航天大国向航天强国迈进的标志,首飞成功是中国航天发展的重要里程碑。

  未来重型火箭——运载能力将达百吨级

  长征五号成功首飞之后,在日前举行的新闻发布会上又有最新的消息公布:“长征五号”将在2017年中期执行第二次验证飞行试验。

  中国国家国防科技工业局总工程师、国家航天局秘书长田玉龙说,“十三五”期间,长征五号运载火箭将承担一系列国家重大专项任务。

  中国航天科技集团一院长征五号火箭总指挥王珏说,“长征五号”将直接运用于探月三期工程、载人空间站工程和火星探测工程等国家重大科技工程,也可用于不同轨道大型载荷及深空探测任务载荷的发射。

  

  田玉龙说,“长征五号”将在2017年底择机执行“嫦娥五号”发射任务,2018年择机执行空间站工程发射任务,2020年前后执行火星探测器发射任务。

  田玉龙还说,国防科工局于2010年开展重型运载火箭论证,历时一年形成总体方案,通过组织深化论证并经相关领域院士专家咨询,在2015年明确了重型运载火箭技术方案。

  目前国家已经批准重型运载火箭第一个研制阶段立项研制,即关键技术攻关及方案深化论证阶段。2015年开始利用4—5年时间,开展关键技术攻关工作,集中突破一大批核心技术。

  重型运载火箭是近地轨道运载能力达百吨级的一型火箭,研制成功后,将满足未来较长时期深空探测、载人月球探测等国家重大科技活动任务需求。目前美国重型运载火箭“太空发射系统”已转入详细设计和制造阶段,俄罗斯计划在2030年前研制出重型运载火箭。

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