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长征五号,中国新力量  

2016-11-05 22:15:57|  分类: 物理科技 |  标签: |举报 |字号 订阅

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长征五号,中国新力量  

我国首枚大型运载火箭征五号点火升空

央广网:【我国首枚大型运载火箭长征五号点火升空】11月3日20时43分,我国首枚大型运载火箭长征五号在中国文昌航天发射场点火升空。(央广记者孙利/摄)

火箭点火升空

火箭点火瞬间我国首枚大型运载火箭长征五号点火升空 - 俯看群山 - 在知识的海洋中畅游 |

箭体直径从3.35米到5米、液体火箭发动机从无到有

长征五号,中国新力量

本报记者 冯 华 余建斌 丁 汀 宋 飞

《 人民日报 》( 2016年11月04日   05 版)
长征五号,中国新力量 - 年捷 - 年捷的博客

  从上至下依次为:
  组装完毕的长征五号。
  孙 浩摄
  吊装箭体。
  工作人员对火箭进行相关检测。
  准备海运。
  何 超摄

长征五号,中国新力量 - 年捷 - 年捷的博客

 

  “大火箭”

  运载力提高2.5倍以上

  长征五号运载火箭(以下简称长征五号),被航天人亲切地称作“大火箭”。作为我国首个研制的新一代大型运载火箭,长征五号高度约57米,有20层楼高,箭体直径达到5米,起飞质量870吨,是我国高度最高、体积最大的火箭。

  长征五号火箭不仅个头大,力气也很大。中国航天科技集团公司一院长征五号火箭总设计师李东介绍,长征五号突破了大功率氢氧发动机等系列关键核心技术,起飞推力突破千吨级,近地轨道的运载能力达到25吨,比现役长征三号甲系列火箭运载能力提高了2.5倍以上,是国内运载能力最强的火箭。火箭上配备了3种全新大推力发动机,分别摘得我国“最大推力液氧煤油发动机”“最大推力氢氧发动机”“比冲性能最高的火箭发动机”3个桂冠。

  这些大推力的发动机,可以说是长征五号的“大心脏”。我国现役火箭发动机单台推力最大只有70吨左右,要托举近900吨的火箭远远不够。经过15年不懈攻关,8台全新研制的120吨液氧煤油发动机被装配在4个助推器上,4台全新研制的氢氧发动机在一级和二级火箭上各装配了两台。这样一来,长征五号全箭起飞时总推力达1060吨。120吨液氧煤油发动机的威力到底有多大?专家做了个比喻,120吨液氧煤油发动机产生的最高压强达500个大气压,相当于把上海黄浦江的水打到5000米高度的青藏高原。

  据介绍,按照“通用化、系列化、组合化”的设计思路,新一代运载火箭由直径分别为5米的芯级模块、3.35米及2.25米的助推器模块,与50吨氢氧发动机、120吨液氧煤油发动机分别“组合搭档”工作,形成一个完整系列的6种构型,长征五号是新一代运载火箭的基本型,也是最大型。这种模块化组合设计,不仅满足了不同用户的多种需求,而且因为运载能力强,可实现一箭多星,降低了单位质量的入轨成本。有了这些“硬本领”,长征五号火箭不仅综合性能指标达到国际先进水平,而且大幅提升了我国自主进入空间的能力。

  “长征五号的首飞成功,标志着我国已经跨入世界大吨位火箭发射行列,将显著提升我国进入空间的能力,推动航天发射综合能力实现历史性跨越,是我国由航天大国向航天强国迈进的重要基石。”中国工程院院士、运载火箭技术专家龙乐豪院士表示,长征五号是我国运载火箭升级换代的里程碑工程,创新难点多、技术跨度大、复杂程度高,代表了我国运载火箭科技创新的最高水平。

  “火箭的运载能力有多大,航天的舞台就有多大。”中国工程院院士、国家航天局原局长栾恩杰告诉记者,运载火箭技术水平不仅代表一个国家自主进入空间的能力,也体现着其最终利用空间和发展空间技术的能力和水平,是一个国家航天能力的基础。近年来其他航天强国都在研制大型火箭甚至重型火箭,把发展先进的航天运载技术确立为重要的国家战略,而我国现役的长征系列火箭地球同步转移轨道最大运载能力仅为5吨级,未来进一步开展深空探测必须发展大推力运载火箭,这是空间技术发展的必然要求。

  据介绍,长征五号使我国运载火箭的规模实现从中型到大型的跨越,运载能力达到或超过国外主流大型火箭。从综合性能指标方面看,长征五号总体技术指标位居世界先进水平。

  “冰箭”

  深低温液氢液氧作燃料

  长征五号也被称为“冰箭”,这缘于长征五号“肚子”里满满的深低温液氢液氧燃料,其中液氢温度达-253摄氏度、液氧达-183摄氏度,几乎达到了温度的极限。

  这是长征五号的另一个突出特点——填补了我国大推力无毒无污染液体火箭发动机的空白,实现了绿色环保的研制理念。“长征五号采用无毒无污染的液氧煤油和液氢液氧推进系统,赋予中国运载火箭‘绿色环保大推力’的新名片。”中国航天科技集团公司一院长征五号火箭总指挥王珏告诉记者,我国现役运载火箭存在运载能力不足、推进剂有毒有污染、适应性低等问题,因此,提高火箭的可靠性、安全性、适应性与环境友好性是未来的发展方向。

  中国航天科技集团公司六院副院长李斌介绍,液体火箭发动机是运载火箭的技术核心和技术基础。为了实现大型火箭发动机的无毒化,新一代发动机从开始研究就决定选择无毒的液氧和烃类推进剂。然而火箭煤油不同于一般的煤油,具有密度大、热值高等特点,最初外国专家认为需要进口他们的煤油,但在我国科研人员的努力下,我们成功研制出国产的火箭煤油。与现役火箭的有毒推进剂相比,液氧煤油发动机的推进剂不但无毒环保,还具有性能高、使用维护方便、价格低廉等特点。

  使用液氢液氧作为推进剂,燃烧后产生的是水,真正实现了无毒无污染零排放;另一方面,液氢液氧燃烧产生的推力十分巨大。“世界航天大国都投入巨资研发液氢液氧发动机,是否掌握低温技术,是衡量一个国家能否成为航天大国的重要标志。”中国航天科技集团公司六院长征五号火箭副总设计师王维彬表示。

  尽管液氢液氧的结合如此完美,但低温技术难关的攻克却非易事。液氢具有极强的挥发性,而火箭发射时尾部火焰温度将超过3000摄氏度,如果隔热不当,液氢有可能消耗殆尽。为此,科研人员想尽一切办法,通过绝热方式对火箭进行控制,在火箭贮箱外穿上一件“绝热服”,保证火箭不被热量“入侵”。

  这些超低温的液态推进剂分别贮藏在巨大的箭体贮箱之中,通过内部加压输送给发动机。推进剂贮箱直径达5米,为了减轻重量,箱体最薄的地方只有几毫米。研制这样直径的薄壁低温贮箱,对于中国航天人来说,也是第一次。并且采用的铝合金材料也是全新的,这意味着以往小直径低温贮箱的研制经验无法复制。

  面对艰巨挑战,研制团队历经3年反复试验攻关,通过改善受力设计和焊接工艺的综合办法,终于攻克了贮箱焊缝裂纹的工艺难题。2015年4月,改进后的长征五号火箭所有低温推进剂贮箱都通过了压力考核,而且强度比原来提高了60%。

  “新火箭”

  全箭新产品多达九成

  和以往火箭相比,长征五号是一枚全新研制的火箭,核心技术具有完全自主知识产权。对比国际新型运载火箭约30%的新技术比例,长征五号的新研产品比例高达90%,共计攻克大直径箭体结构、大型低温捆绑火箭耦合振动抑制等十二大类247项核心关键技术,可谓是不折不扣的“新一代”运载火箭。

  就拿火箭的结构来说,长征五号首次采用直径为5米的大直径箭体结构,打破了我国40余年来3.35米箭体直径结构的限制。李东说:“从3.35米到5米的跨度,不是一个简单的放大,而是质的飞跃。从设计能力、仿真手段、加工制造一直到地面各种实验,都有许多技术难题要克服。”

  比如贮箱、箱间段的“合体”工作。我国现役运载火箭芯级的最大直径是3.35米,贮箱长10米左右,它们的贮箱、箱间段“合体”时,需要有人用肉眼辨别贮箱和箱间段的对接处是否吻合,再由多名总装工人手动调整贮箱和箱间段的位置和姿态。但大火箭的贮箱直径5米、长20米、重5吨,“眼看、嘴喊、手工推”的老办法“不管用”了。

  中国航天科技集团公司中国运载火箭技术研究院数字化总装对接技术负责人李新友说:“我国研制新一代运载火箭,不仅仅要完成火箭的换代,还要完成制造工艺的升级。”经过几年攻关,今年春天,长征五号芯一级贮箱、箱间段实现了数字化总装对接,成为世界上为数不多掌握这一技术的国家。

  再拿零部件来说,以往长征火箭使用零部件最多几万个,而长征五号使用零部件达十几万个。它的设计量是以往火箭的3.5倍以上。为应对这个新挑战,长征五号采用了全新全数字化三维设计方法,细到每一个螺钉的大小和位置都能一目了然。

  长征五号的创新点比比皆是。从外形上看,与以往长征系列火箭相比,长征五号的整流罩采用了特别设计的冯卡门曲线外形,4个助推器头部都采用了斜头锥造型。李东介绍,这些设计都是为减少空气阻力,让火箭获得更大运载能力。

  此外,由于起飞推力巨大,长征五号各结构部段受力情况复杂。尤其是火箭单台助推器推力就已达到240吨级,接近现役火箭助推器的2倍。因此,长征五号在国内首创前支点传力方案,单台助推器不仅要承担近200吨的芯级自重,还需在不足0.1平方米的接触面上承受300余吨的偏置集中力载荷,方案设计难度为我国运载火箭研制史上之最。

  “长五哥”

  将承担探月三期、载人空间站工程等任务

  长征五号的里程碑意义,不仅在于它的跨越性和创新性,还在于它带动了我国新一代运载火箭的更新换代,牵引出新一代运载火箭的若干构型。

  国防科工局总工程师田玉龙介绍,长征五号的设计着力突出技术方案的可转化性,全力以赴带动现役3.35米直径运载火箭动力系统升级换代,牵引我国无毒无污染新一代运载火箭系列化发展。以长征五号120吨级推力液氧煤油发动机及3.35米、2.25米直径箭体模块为代表的多项新技术、新成果,有力支撑了长征六号、长征七号等新型运载火箭研制并首飞成功,为牵引新一代运载火箭系列化、型谱化发展,提供了有力保障。

  “长征五号是新一代长征系列运载火箭的奠基型号,也是基本型。别看它的序号是长五,首飞在长六、长七后面,但真正最早立项的是长五,从论证预研到研制成功再到首飞,整整过了30年。后来的长六、长七都是从长五牵引出来的。”龙乐豪院士开玩笑地说:“别看长六、长七‘早出生’,还得叫长五‘哥哥’。”

  长征五号未来将发挥什么作用?

  国防科工局、国家航天局副局长吴艳华表示,长征五号是我国后续一系列重大工程的重要支撑,将为探月三期、载人空间站工程等项目提供高性能、高可靠的运载工具,为载人登月等未来国家重大战略发展项目提供坚实的基础。“十三五”期间,长征五号火箭将承担一系列国家重大专项任务。其中,2017年中期执行第二次验证飞行试验,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。

  据介绍,目前首飞的长征五号是新一代运载火箭研制的最大构型,后续还有一系列应用拓展型,主要包括:

  长征五号A型承担探月三期工程和火星探测工程,地月转移轨道和地火转移轨道运载能力分别达到8.2吨和5吨;长征五号B型火箭承担载人空间站核心舱的发射任务,近地轨道运载能力达到25吨级。

  专家介绍,长征五号承担探月工程三期发射任务,将在中国文昌发射场将嫦娥五号月球探测器直接发射至地月转移轨道,开展月球无人探测采样返回等科学探测任务。

  “探月工程三期嫦娥五号任务以获取月球样品并返回地球为成功标志。”国防科工局探月与航天工程中心主任刘继忠介绍,探测器研制分方案、初样、正样3个阶段:2011年1月至2012年12月完成方案研制;2013年1月至2015年12月完成初样研制;2016年1月至今,正在进行正样研制,开展总装测试,计划2017年8月完成。预计嫦娥五号探测器将采用长征五号遥三运载火箭于2017年前后择机发射。

  2018年我国将发射空间站核心舱,长征五号B运载火箭将承担这次发射任务。据介绍,这是长征五号系列火箭中的一级半构型。在首飞构型的基础上,减少了芯二级配置,为适应空间站结构的大尺寸,将整流罩由现在的12.5米加长至20.5米。长征五号火箭首飞成功将为长征五号B的研制奠定坚实的技术基础,有利于我国空间站工程任务的如期实施。

  火星探测也是大家一直关心的话题。刘继忠透露,火星探测器计划2020年前后择机实施发射,通过一次任务实现火星环绕探测和巡视探测的目标。探测器飞行约7个月后到达火星,开展为期2年的环绕探测,在火星表面着陆区附近开展3个月的巡视探测。工程将带动测控通信、导航控制、人工智能以及宇航材料器件等多个领域的技术创新和能力提升。

       

  长征五号小档案

  绰号:“胖五”

  身高:约57米,有20层楼高,直径5米,9人手拉手才能抱住。

  体重:起飞质量870吨。

  力量:能扛起25吨重的东西飞上天,比现役火箭运载能力提升2.5倍以上。内装8台全新研制的120吨液氧煤油发动机,推力超千吨。其中1台发动机产生的最高压强达500个大气压,相当于把上海黄浦江的水抽到5000米的青藏高原。

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