“十問十答”帶你了解長征五號B火箭

2020年05月05日19:36  來源:人民網-科技頻道
 

人民網北京5月5日電(趙竹青)5月5日,為我國載人空間站工程全新研制的長征五號B運載火箭,在我國文昌航天發射場點火升空,順利進入預定軌道,首飛任務取得圓滿成功。長征五號B長什麼樣?到底“牛”在哪裡?我們帶你走近“長五B”,看看這支“巨箭”的神奇之處。

1、為何要研制長五B火箭?它未來用途是什麼?將承擔怎樣的任務和使命?

長征五號B運載火箭是專門為載人航天工程空間站建設研制的一型新型運載火箭。

它是由中國航天科技集團有限公司第一研究院抓總研制的新一代大型液體運載火箭,為一級半火箭,芯級採用5米直徑,捆綁4個3.35米直徑的助推器,全箭長約53.66米,起飛質量約849噸,起飛推力約1068噸 ,近地軌道運載能力22噸級。

載人航天工程第三步將進行載人空間站的建設,工程的目的是掌握空間組裝技術,建成我國完整的載人空間站工程系統﹔2011年11月,長征五號B運載火箭正式批復立項,通過一級半構型,承擔發射空間站艙段任務。

長征五號B運載火箭首飛任務搭載新一代載人飛船開展試驗驗証。完成技術方案驗証后,長征五號B遙二至遙四任務將先后完成空間站三個艙段的發射任務。

2、長征五號B和長征五號相比,有哪些方面不同?有哪些相同?

長征五號運載火箭與長征五號B運載火箭同屬長征五號火箭系列,兩型火箭共享了5米大直徑箭體結構研制、大推力液氧液氫發動機技術、大推力液氧煤油發動機技術、大型活動發射平台技術、系統級冗余控制技術等關鍵技術,但兩型火箭在設計、用途等方面存在很多不同。

從構型上看,長征五號運載火箭採用兩級半構型,由芯一級+助推器+芯二級+整流罩組成﹔長征五號B運載火箭採用一級半構型,由芯一級+助推器+整流罩組成。

從外觀上看,長征五號B運載火箭與長征五號運載火箭的最大區別在於整流罩,長征五號運載火箭的整流罩長度大約12.3米,而長征五號B火箭的整流罩長度達到了20.5米,是我國目前最大的火箭整流罩。

從用途上看,長征五號運載火箭一般用於發射高軌道的大型衛星以及各類深空探測器,例如實踐二十號衛星、嫦娥五號月球探測器、火星探測器等﹔長征五號B運載火箭主要用於發射近地軌道的大型衛星及飛船,例如載人空間站的核心艙和實驗艙等。

從運載能力上看,長征五號火箭地球同步轉移軌道(GT0)運載能力約為14噸,長征五號B火箭近地軌道(LEO)運載能力約為22噸。

3、長五B是一個一級半火箭,比長五要少一個二級,這樣做“減法”是否意味它的研制難度要大大降低?

長征五號B與長征五號是同屬一個火箭系列的不同構型,做“減法”的說法並不貼切,長征五號B火箭與長征五號火箭共享了芯一級和助推器的大部分關鍵技術,減少了一部分研制工作量,但是從研制難度上看,長五B這種一級半構型的火箭,在我國尚屬首次,涉及到一些獨有的技術特點,也是研制工作的重點和難點。

長征五號B與長征五號相比,是國內首次將一級火箭作為末級使用,不增加姿態調整和速度修正,直接將有效載荷送入軌道。在一級發動機關機時,約140噸的推力在幾秒鐘之內消失,相當於一輛高速行駛的火車突然“剎車”,還要穩穩停靠在指定位置,然后讓“乘客”順利地下車。為此研制隊伍攻克了“大推力直接入軌”關鍵技術,滿足了有效載荷對姿態控制和制導精度控制的指標。

長征五號B與長征五號相比,變“輕”了,飛得更“快”,飛行時的過載變大了,對箭上設備環境耐受能力提出了新考驗。

4、從外觀上看,長五B的個子比長五矮一點,但是“頭部”比長五要大了許多,為什麼要做這麼大的整流罩?這種尺寸的整流罩在設計制造過程中有哪些新突破?

長征五號B與長征五號相比,“腦袋”變“大”了,長征五號運載火箭的整流罩長度大約12.3米,而長征五號B火箭的整流罩長度達到了20.5米,是我國現役運載火箭採用的尺寸規模最大的整流罩,是為了發射載人航天工程空間站核心艙和實驗艙而專門設計的,可以說是“私人訂制”。

整流罩由端頭、馮卡門錐段、組合前柱段、后柱段和轉接框組成,整流罩的可靠分離成為擺在研制人員面前的一關。研制人員開展了分多次仿真分析、分離試驗,採用彈性整流罩分離仿真技術、大型整流罩地面分離試驗技術,解決了這個難題。另外,整流罩部位的氣動加熱作用也更明顯,特別是安裝在整流罩附近的火工品所處的環境也更熱了,對火工品提出新的考驗,為此專門開展了相關分析研究和試驗工作。

5、相比於現役其他型號火箭,長五B有哪些特別的設計?

超長整流罩研制。長征五號B火箭整流罩採用流線型的馮卡門曲線外形,可以更好的減小空氣阻力,減輕載荷影響。作為我國長度最長、重量最重的整流罩,另一個技術難點在於如何做到安全可靠的分離。經過多方案比較,最終確定了採用旋轉式分離方案,通過大量的仿真分析、預示,對整流罩分離方案進行評估,並多次開展了整流罩分離試驗,有效驗証了設計正確性和各系統接口協調性。

低溫火箭“零窗口”發射技術。作為未來發射空間站核心艙和實驗艙的火箭,空間站交會對接任務對長征五號B提出了“零窗口”發射的需求,發射時間精度誤差要控制在1秒以內。為了做到“零窗口”發射,火箭各系統要確保在點火前一段時間就完成各項准備,以准備好的狀態等待點火。由於低溫推進劑加注后會不停的“蒸發”消耗,因此,發射准備好的狀態並不是越早越好,而是要嚴格按照時間要求精准的完成。研制團隊從系統發射可靠性提升和發射流程優化兩個方面開展了工作。通過開展可靠性試驗和分析工作,實現了關鍵系統可靠性提升﹔通過射前流程優化,進一步提高了各系統對於“零窗口”發射的適應性。

大直徑艙箭分離技術。長征五號B火箭研制團隊圍繞降低和改善沖擊環境開展了專題攻關,對多種降沖擊方案進行比較和試驗后,採用了“隔沖框+阻尼盒”的降沖擊方案,並應用了“顆粒阻尼技術”。“顆粒阻尼技術”是一種新型振動被動控制技術,通過顆粒體和阻尼器構成一個耦合、封閉的非線性系統,依靠摩擦和非彈性碰撞,迅速地耗散動能,實現減振降噪的效果。經過試驗驗証,艙箭分離界面的分離得到有效改善,空間站艙段可以在“下車”過程中感受到火箭的“溫柔”。

大推力直接入軌技術。為了確保精准、安全入軌,研制團隊從入軌姿態控制、入軌精度控制、分離安全控制三個方面開展了攻關工作。通過採用姿態控制增益優化方法,提高了姿態控制精度﹔通過採用多方法聯合的復合制導方案,有效降低了制導誤差對精度造成的影響。同時,為了提高艙箭分離后的安全裕度,增加了2枚反推火箭,確保艙箭分離后,火箭一級箭體可以避開空間站艙段的軌道面。經過仿真分析、系統綜合實驗、半實物仿真試驗等考核評估,大推力直接入軌精度控制和分離安全控制技術的有效性得到了驗証。

6、以長五系列火箭為例,火箭為何要進行型譜化發展?有什麼優勢?

長征五號系列火箭從設計之初,就按照“通用化、系列化、組合化”的設計思想開展設計。其發展思路可以概括為“一個系列、兩種發動機、三個模塊”,即首先研制5米直徑基本型火箭,全面突破兩種液氧煤油和氫氧發動機、三個模塊及相關關鍵技術,形成研制5米直徑系列火箭的能力,在近地軌道和地球同步轉移軌道最大運載能力上與國際主流火箭接軌,進而帶動我國其他新一代運載火箭發展,構筑新一代無毒、無污染運載火箭系列型譜,實現我國運載火箭的全面升級換代,並為下一步發展重型運載火箭奠定堅實的技術基礎。

型譜化發展的可以有效節約研制成本,縮短研制周期,最大化利用研制場地和設備,提升產品質量,實現高質量、高效益、高效率的發展。以長征五號B火箭為例,助推器和一級箭體、助推發動機和一級發動機相關產品採用與長征五號通用化的設計方案,長征五號B火箭在研制過程中不需要在開展相關研制試驗﹔同時,產品生產也可以實現批量化,對發射場地及相關發射支持設備的需要也可以做到統一,極大節約研制成本和研制周期。

7、研制長征五號B火箭對中國航天有怎樣的重要意義?

長征五號B火箭的運載能力是我國現役火箭中最大的,近地軌道運載能力達到22噸,使我國發射較大規模的航天器成為可能,比如空間站的各個艙段,重量達到20噸以上,隻有長征五號B火箭能夠發射。

在此之前,我國近地軌道運載能力約為14噸左右(長征七號火箭)。

長征五號B火箭的首飛成功,使我國大型運載火箭的技術水平進入世界第一梯隊,與俄羅斯質子-M火箭、美國獵鷹-9火箭、德爾塔IV火箭、歐洲阿麗亞娜-5火箭的運載能力相當。

同時,長征五號B火箭也是我國新一代運載火箭系列化發展的代表之一,將為后續重型運載火箭的研制提供重要技術積累。

8、未來空間站建設階段,長征五號B運載火箭和其他運載火箭的分工是什麼樣的?

在長征火箭家族中,共有三型火箭參與到我國載人空間站工程中,分別是長征二號F運載火箭、長征五號B運載火箭以及長征七號運載火箭。

長征五號B運載火箭主要完成載人空間站核心艙及兩個實驗艙的發射任務﹔長征七號運載火箭主要用於發射“天舟”貨運飛船,為空間站和宇航員運送物資﹔長征二號F運載火箭主要負責將宇航員送入空間站。

9、長征五號系列火箭后續任務是怎樣安排的?

2020年,長征五號系列火箭將執行三次發射任務,長征五號B首飛之后,大約在2020年7月,長征五號火箭將發射我國首個火星探測器﹔2020年底前,長征五號火箭還將發射嫦娥五號月球探測器,實現月球採樣返回。

10、從2月到進場到5月首飛,這兩個月的時間都進行哪些工作?

2月6日到3月24日,試驗隊完成了遙一火箭的發射場合練,這是長征五號B火箭首次與發射場系統進行全面對接,考核了火箭與發射場的接口,包括箭體與技術區和發射區操作平台的適應性、整流罩合罩操作與廠房適應性、整流罩和儀器艙部位的箭體操作可達性等﹔同時完成了與載人工程空間站核心艙產品的合練,驗証了火箭與核心艙的電氣、機械接口,演練了核心艙發射流程﹔3月25日到5月初,長五B遙一火箭將執行首飛任務,發射載荷為新一代載人飛船試驗船,在此期間,火箭開展5次總檢查,驗証火箭與試驗船的電氣、機械接口,演練首飛發射流程。 

(責編:趙竹青、呂騫)