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日志

 
 

长征五号首飞:中国航天史将从此刻划分成两段  

2016-11-04 21:00:30|  分类: 【中国航天】 |  标签: |举报 |字号 订阅

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图:即将首飞的长征五号火箭


2016年11月3日20点40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。


大火箭的研制历程

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。


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图: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


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。


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图: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


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。


大火箭的总体设计

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。


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图:长征五号的三种标准模块,通过搭配组合实现通用化、系列化和组合化


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,将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。


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图: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


根据目前的报道,最近几年准备升空的长征五号系列火箭,包括11月初首飞的长征五号运载火箭,和2017年首飞的长征五号B运载火箭,前者是典型的二级半设计方案,后者是一级半设计方案。具体地说,长征五号运载火箭5米直径芯级使用2台50吨级YF-77液氧液氢发动机,芯级外部捆绑4个3.35米直径助推器,4个助推器各安装了2台120吨级的YF-100高压补燃液氧煤油发动机,长征五号火箭的助推器和芯级都在地面点火,火箭起飞总推力约为1078吨。火箭助推器工作时间约180秒,而芯级工作时间约为460秒,所以助推器被视为“半级”,这也是火箭构型二级半和一级半的由来。长征五号火箭第二级是5米直径液氢箱加3.35米直径的液氧箱的设计,液氧箱悬挂在液氢箱之下,这样的设计虽然比共底储箱性能差,但要比使用两个5米直径储箱,导致液氧储箱外形成为一个大饼质量也偏重更合理。第二级使用两台YF-75D膨胀循环液氧液氢发动机,真空中的总推力约为18吨,工作时间约为700秒,具备二次启动能力。YF-75D发动机比冲约为442秒,比现役长征三号甲系列火箭的YF-75发动机略有提高。至于长征五号B火箭,作为一种一级半运载火箭,顾名思义它没有使用YF-75D发动机的第二级。


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图:二级半构型的长征五号设计布局,一级半的长征五号B火箭没有二子级


对比我国现役的老一代长征二号和长征三号运载火箭,长征五号运载火箭对应型号的级数减少了一级,尤其是长征五号B火箭一级半构型,所有发动机都在地面点火,没有高空/真空型发动机点火的问题,也减少了分离次数,火箭设计的固有可靠性有了一定的提高。长征五号火箭设计中还大量使用冗余和预度等手段,进一步提高设计可靠性,同时火箭的控制系统采用了基于1553B总线的控制系统,实现了系统级冗余,这也是我国有史以来第一个全面采用系统级冗余技术的运载火箭。

经过这样精心的设计,长征五号火箭的设计可靠性达到了0.98,比载人的长征二号F火箭的0.97还要略高一筹,为未来执行各种高价值卫星和探测器的发射,以及用长征五号B火箭发射新一代多用途载人飞船奠定了基础。


大火箭的性能和应用

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,大火箭的大字,还体现在运载能力大。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。11月初长征五号火箭发射成功后,它的运载能力将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。

11月初首飞的长征五号就将使用远征二号上面级,将实践十七号卫星直接送入静止轨道。


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图:长征五号系列的设计指标,它可用于发射空间站和大型卫星,以及深空探测器


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,2017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。


综述

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,首飞成功将是中国航天发展重要里程碑。


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