“巨箭”長五B創紀錄 它與“胖五”有哪些不同?

2020年05月05日19:37  來源:人民網-科技頻道
 

人民網北京5月5日電(趙竹青)2020年5月5日,由中國航天科技集團有限公司第一研究院抓總研制的長征五號B運載火箭在中國文昌航天發射場成功首飛,把近22噸重的新一代載人飛船試驗船送入太空。

這是中國乃至亞洲火箭首次發射超過“兩萬公斤”的航天器,進一步奠定了長征五號系列火箭運載能力在世界現役火箭第一梯隊中的地位。

那麼,長征五號B火箭與長征五號火箭有哪些不同?它是如何將這麼重的飛船送上天的呢?

同一系列,不同使命——

長五主打高軌衛星、探測器

長五B專攻近地載人空間站

從外觀上看,長五B火箭“身高”近54米,相當於18層樓高,近850噸重。與長五火箭比,長五B火箭芯級直徑都是5米,矮了約3米,“體重”輕了約20噸。這主要是因為長五B火箭少了一個芯二級和一個級間段,隻有一個芯級,也就是“腰”往上少了一部分。

長五B火箭也有4個直徑3.35米的助推器(又稱為“半級”),因此,長五B火箭是我國首型“一級半”火箭。

不過,長五B火箭“頭部”——整流罩比長五火箭更大,高度超過20米,連10多米長、4米多粗的空間站核心艙都能裝進去。

多一級的長五擅於跑長途,“乘客”目的地包括3萬6千公裡的地球同步軌道、38萬公裡外的月球,以及最近距離也要數千萬公裡的火星。

即便少了一級,長五B火箭在專門向近地軌道送貨的長征火箭中,力氣仍然是最大的,一次能送超過22噸的東西,相當於10多輛小轎車的重量。它專注於地球附近約200至400公裡的軌道,這裡是我國空間站建設的主戰場,后續空間站核心艙等主要艙段都要由長五B火箭送上天。

同一心臟,不同工況——

長五B芯級氫氧發動機

工作條件更嚴酷,要求更高

長五B火箭隻用“一級半”就能把重磅航天器送上天,得益於採用氫氧推進劑的芯一級和採用液氧煤油推進劑的助推器的合理搭配。而芯一級的兩台大推力氫氧發動機,又直接影響著航天器的最終入軌。

氫氧發動機的比沖(用於衡量發動機性能,可以理解為汽車的“百公裡油耗”)傲視群雄,但其研制難度也極高。長五B火箭所承擔任務的特殊性,對芯一級的大推力氫氧發動機提出了更高的要求。

載人空間站工程的交會對接等任務,好比在數百公裡高的太空“穿針引線”,時間有絲毫誤差,都有可能失之交臂,導致耗費更大的代價調整軌道。這要求運載火箭必須嚴格按照精准的時間發射,達到“分秒不差”,也就是所謂的“零窗口”發射。

長五B火箭芯級使用的氫氧發動機,必須確保預冷等發射前工作環環相扣、步步流暢,不耽誤發射窗口。

同時,長五B火箭比長五火箭更輕,但起飛推力與長五火箭相同。用同樣的勁向上提更輕的東西,加速度自然更快。而在助推器分離后,火箭加速度又瞬間達到最低。

“就像深海魚突然跳到喜馬拉雅山上,巨大的壓力變化會使魚瞬間爆裂”,航天科技集團六院長五火箭副總設計師王維彬說,發動機的入口面對過山車一樣大起大落的壓力,給發動機的穩定、可靠工作帶來巨大挑戰。

為了應對這些挑戰,氫氧發動機研制隊伍通過大量的研究改進與試驗驗証,將這些難點逐一攻克,進一步提高了發動機工作的可靠性與穩定性。

此外,地面設備等系統採用的遠程操作方法,也保証了發動機預冷等環節的安全、順利推進。

同一大腦,不同思路——

優化彈道設計與控制方案

“氫龍偃月刀”也能做“微雕”

除了零窗口和過山車一樣的壓力,一級精准入軌也是一個巨大的挑戰。以往末級火箭的推力都很小,再輔以推力更小的姿態控制發動機,更容易在航天器入軌前對位置與姿態進行微調,從而確保精確入軌。

而這次,兩台大推力氫氧發動機直接送載荷入軌,就像用大刀做“微雕”,力道極難掌握。

此外,大推力氫氧發動機關機后,還有“后效”,類似燃氣灶閉火后的“余火”,這同樣會對航天器入軌精度造成影響。

為了解決大推力精准入軌的問題,一方面,發動機研制隊伍要確保發動機燃燒穩定,並盡可能給出“后效”的預測值。更重要的,則是控制系統必須把所有可能的誤差考慮進去。

航天科技集團一院長五火箭副總設計師李學鋒介紹,早在長五系列火箭研制之初,控制系統研制隊伍就已統籌考慮長五和長五B的任務特點。長五和長五B控制系統的硬件是通用的,已實現產品化﹔軟件也無需大改,即能適應長五B飛行任務。

李學鋒說,針對發動機后效等不確定因素,他們用隨機“打靶”的方法,模擬出上萬種情況,以驗証控制系統設計的可靠性。“打靶”實驗証明,即便預測的“后效”與實際情況有所出入,控制系統也能確保火箭精確入軌。

與此同時,在火箭總體彈道設計上也要充分考慮發動機“后效”的影響,基於發動機校准試車的實際數據進行計算,進一步優化設計方案。

同一模塊,不同重量——

芯級、助推巧妙減重

進一步提升運載能力

對於多級火箭,芯一級、助推器減重對提高運載能力的影響並不明顯。而對於“一級半”入軌的長五B來說,芯一級減重多少,運載能力幾乎就可以提高多少﹔助推器減重與運載能力提高的比例也高達1.25:1。因此,減重對於長五B的收益是相當可觀的。

長五B火箭的芯一級尾段位於火箭箭體的最后部位,不僅是發動機艙,而且在整個火箭豎立在發射台上時起到支撐作用。以前,長五尾段採用的是組合梁結合分瓣玻璃鋼底板的結構方案。這次,航天科技集團一院703所把大直徑大厚度碳纖維復合材料“三加二”蜂窩夾層結構整體成型技術用在了一級尾段的壁板和防熱板結構成型中,通過採用輕質化碳纖維復合材料結合鋁蜂窩夾層結構方案替代原方案,實現減重約400公斤。

助推器的減重也很有特色。航天科技集團八院長五系列項目辦主任張修科介紹,以前長五的4個助推器就像是4位壯漢,分別用“單肩”扛著芯級,這對“肩膀”的結構提出了非常高的要求。在長五B火箭的研制過程中,團隊創新採用杠杆等原理,在捆綁點上、助推器頭錐中插上了4根“扁擔”,變“單肩”扛為“雙肩”挑,分散了受力,再輔以先進的結構計算方式,綜合改進頭錐的結構,實現了可觀的減重。助推器頭錐、氣瓶等方面的改進,實現了減重600公斤。而長五B火箭的許多減重措施,也將應用在長五火箭上。

無論是火箭減重還是增加更大的整流罩,都需要通過嚴格的地面試驗來驗証。航天科技集團一院長五火箭副總設計師朱曦全說,在地面試驗方面,長五火箭團隊綜合利用現有條件,創新方法開展試驗,盡可能在地面發現疑點並改進,確保火箭飛天萬無一失。

(責編:趙竹青、呂騫)