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長征五號遙三運(yùn)載火箭發(fā)射成功
最后更新: 2019-12-27 22:32:28“胖五”復(fù)飛,全村的希望!
12月27日20時45分,長征五號遙三運(yùn)載火箭在中國文昌航天發(fā)射場點(diǎn)火升空,2000多秒后將實(shí)踐二十號衛(wèi)星送入預(yù)定軌道,發(fā)射飛行試驗(yàn)取得圓滿成功。
圖源: 我們的太空 史悅 呂炳宏
2019年是中國航天的“超級大年”,實(shí)現(xiàn)了一系列舉世矚目的成就:嫦娥四號和玉兔二號實(shí)現(xiàn)人類探測器首次著陸月球背面;玉兔二號成為人類史上工作時間最長月球車;長征十一號火箭實(shí)現(xiàn)中國首次海上平臺發(fā)射;北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完成最核心的中圓軌道和同步傾斜軌道衛(wèi)星部署;兩枚快舟1A火箭實(shí)現(xiàn)同一發(fā)射場間隔6小時快速發(fā)射;三款商業(yè)火箭(捷龍,雙曲線一號,零壹OS-1)首飛;年度火箭發(fā)射34次(美國27次),繼2018年后再次成為世界第一,等等。
在這些輝煌之外,還有一個“全村人的希望”,那就是大家期待已久的長征五號的成功復(fù)飛。
為什么需要長征五號火箭
長征系列火箭是我國航天技術(shù)發(fā)展的絕對主力支撐,承擔(dān)了我國96.4%的發(fā)射任務(wù),發(fā)射航天器總質(zhì)量占中國發(fā)射總質(zhì)量的99.2%[1],重要性不言而喻。
長征火箭家族部分主要成員 (圖片來源:GW_Simulations)
在2015年之前,長征系列火箭的主力是長征二號(2C/2D/2F)、長征三號(3A/3B/3C)和長征四號(4B/4C)的多個型號??墒请S著中國航天的快速發(fā)展,這些火箭開始逐漸“力不從心”,其中最重要的問題就是運(yùn)力不足。
例如,在長征五號之前,我們近地軌道的最大運(yùn)力是長征二號F載人航天專用火箭的8.6噸,高軌的地球同步轉(zhuǎn)移軌道的最大運(yùn)力是長征三號B/E的5.5噸[2],更遠(yuǎn)的地月轉(zhuǎn)移軌道的最大運(yùn)力也是長征三號B/E運(yùn)送嫦娥三/四號任務(wù)時的3.8噸級別[3]。
這意味著,更重、更大、更復(fù)雜的航天發(fā)射任務(wù)根本沒法由這些火箭完成。例如,我國規(guī)劃中的天宮空間站幾個核心艙段每個重量將在20噸級,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了長征二號F火箭的運(yùn)力;我國全新超大型衛(wèi)星平臺東方紅五號總重量最多可以達(dá)到9噸級[5],且它需要被送到距離地面36000千米的軌道,這大幅超過了長征三號B/E火箭的能力;我國嫦娥工程下一步采樣返回任務(wù)嫦娥五號重量也將遠(yuǎn)超嫦娥三/四號,更何況還有規(guī)劃中的火星探測等深空探測任務(wù)。
中國有句很經(jīng)典的俗語:“沒有金剛鉆,別攬瓷器活”。中國這些“重量級”航天任務(wù),都亟需一枚通用化、系列化、組合化的大型運(yùn)載火箭。這,就是長征五號的使命和定位。
長征五號轉(zhuǎn)場中 (圖片來源:航天科技集團(tuán))
長征五號的近地軌道運(yùn)力達(dá)到25噸,同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力達(dá)到14噸,地月轉(zhuǎn)移軌道達(dá)到8噸級,能執(zhí)行多種航天發(fā)射任務(wù),能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此前的長征火箭。
造出長征五號火箭,有多難?
長征五號這種級別的火箭研制在世界范圍內(nèi)都是個極大的挑戰(zhàn),對中國而言,亦是如此。但作為中國航天史上具有劃時代意義重要性的火箭,中國航天人必須迎難而上,為此,需要實(shí)現(xiàn)一系列高難度重大創(chuàng)新。
1.新火箭推進(jìn)劑
傳統(tǒng)的長征家族火箭,包括長征二、三、四號火箭都使用四氧化二氮/偏二甲肼推進(jìn)劑組合,它們毒性大、發(fā)射準(zhǔn)備周期長、價格昂貴、比沖偏低。比沖是衡量單位質(zhì)量推進(jìn)劑產(chǎn)生沖量的指標(biāo),一般來說,這個數(shù)據(jù)越大意味著火箭推進(jìn)能力越強(qiáng)。相比較而言,液氧煤油、液氧液氫推進(jìn)劑更優(yōu),也是世界主流大型火箭的選擇。
因而,長征五號一大變化是它的核心推進(jìn)劑是由液氧煤油(助推器)和液氧液氫(核心芯一級、二級)組合使用。由于液氧液氫的穩(wěn)定儲存溫度極低,分別為零下183和零下253攝氏度,長征五號也因而得名為“冰箭”。
2.新火箭發(fā)動機(jī)
更新了推進(jìn)劑,就意味著發(fā)動機(jī)也要更新。而一枚火箭發(fā)動機(jī)要同時做到推力大、爆發(fā)力強(qiáng)、材料耐熱也耐冷(從極低溫到數(shù)千攝氏度的燃燒溫度)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)、控制精細(xì)、穩(wěn)定性強(qiáng)、質(zhì)量輕等多個優(yōu)點(diǎn),談何容易?
這也是發(fā)動機(jī)被叫做“火箭心臟”的原因,它的研發(fā)難度直接導(dǎo)致全世界能做出大型火箭的國家屈指可數(shù)。
展覽中的YF-100K發(fā)動機(jī) (開源圖片)
而為了長征五號,需要同時研發(fā)出YF-77(液氧液氫推進(jìn)劑,用于核心級)、YF-100(液氧煤油推進(jìn)劑,用于助推器)和YF-75D(液氧液氫推進(jìn)劑,用于二級)三型發(fā)動機(jī),難度可想而知。
3.新火箭上面級
長征五號定位為一種多用途系列火箭,在執(zhí)行高軌和深空探測任務(wù)時,還需要攜帶第三級、或者又可以叫做上面級,它類似太空擺渡車的效果。為長征五號配套的上面級是遠(yuǎn)征二號。
在航天領(lǐng)域,一箭N星“撒土豆”并不稀奇,因?yàn)橹亓績H幾十克的皮衛(wèi)星也叫衛(wèi)星,但如果一次性發(fā)射多個大質(zhì)量衛(wèi)星進(jìn)入不同軌道則非常復(fù)雜,對上面級的要求極高。例如,北斗建設(shè)過程中,就數(shù)次依靠遠(yuǎn)征一號實(shí)現(xiàn)一箭雙星任務(wù),節(jié)省發(fā)射次數(shù)。而遠(yuǎn)征二號實(shí)現(xiàn)了中國航天上面級的新一個重大突破,首次的雙發(fā)動機(jī)設(shè)計也讓它擁有了極強(qiáng)的機(jī)動變軌能力,比遠(yuǎn)征一號更強(qiáng),能夠助力航天器進(jìn)入更遠(yuǎn)、更高、更復(fù)雜的軌道。
4.新殼體、新結(jié)構(gòu)、新模塊化組合
航天領(lǐng)域有個著名但又不失真的“笑話”——“馬屁股決定了運(yùn)載火箭的運(yùn)力”,大意是:當(dāng)初的鐵軌設(shè)計參照了馬屁股并排時的寬度,鐵軌寬度決定了車廂設(shè)計寬度,車廂設(shè)計寬度決定了隧道設(shè)計寬度,隧道設(shè)計寬度決定了最大允許通過火箭箭體直徑,火箭尺寸自然決定了最后的火箭運(yùn)力。
最終的結(jié)果是,此前主力長征火箭的最大殼體直徑一般為3.35米,再寬就無法運(yùn)到三大發(fā)射中心(酒泉、太原和西昌)。
大國工匠:高鳳林,圖源:CCTV
而為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)力提升的需求,長征五號要求做到5米直徑的箭體,第一級外還捆綁了4個3.35米的助推器,總質(zhì)量飆升到了869噸級別,遠(yuǎn)超長征三號B系列的426-459噸級別[2],它成了名副其實(shí)的“胖五”,這意味著嶄新的殼體和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。關(guān)于它的難度,推薦讀者們觀看著名紀(jì)錄片《大國工匠》,第一集就講述了為火箭發(fā)動機(jī)和大型殼體做焊接的大國工匠高鳳林工程師的故事。
此外,長征五號還實(shí)現(xiàn)了大型火箭的模塊化設(shè)計理念,火箭級數(shù)、是否攜帶上面級、助推器捆綁方案等都可以按照發(fā)射需求變化,從而衍生出一個適合多種任務(wù)的長五家族。
5.新配套發(fā)射場、火箭運(yùn)輸船、生產(chǎn)基地
但顯然,長征五號已經(jīng)無法繼續(xù)使用傳統(tǒng)的三大火箭發(fā)射場,需要建設(shè)新的火箭發(fā)射場,這就是位于海南的文昌火箭發(fā)射基地。實(shí)際上,它還有另外兩個重大好處:周邊都是大洋,火箭殘骸不會造成任何損失;緯度更低,能更大程度借助地球自轉(zhuǎn)的力量,減少推進(jìn)劑消耗、提升運(yùn)力。
遠(yuǎn)望21和22航天運(yùn)輸船 (圖片來源:央廣網(wǎng)和中國軍網(wǎng))
為了將長征五號從海路運(yùn)往文昌,我國還先后服役了兩艘遠(yuǎn)望21/22航天運(yùn)輸船;為將組裝好的火箭轉(zhuǎn)場至發(fā)射架,還需要建造大型特種火箭運(yùn)輸平臺;長征五號的生產(chǎn)與組裝都在天津的濱海新區(qū)完成(天津航天長征火箭制造有限公司),這里也將成為中國未來火箭生產(chǎn)體系的靈魂。
這些只是長五相關(guān)的一部分,但已然可以想象每一點(diǎn)背后都有無數(shù)科研人員常年攻克難關(guān),也需要國家強(qiáng)大的人力物力資源、科研和工程技術(shù)實(shí)力作為后盾,缺一不可。
成功,從來不是那么容易
2016年11月3日,長征五號遙一火箭成功首飛,舉國歡騰,對于擁有如此多技術(shù)更新的大型火箭而言,著實(shí)不易。橫向比較,同等級別的美國德爾塔4-重型、俄羅斯質(zhì)子M、歐洲的阿里安5型火箭,都在試射期間出現(xiàn)過事故。
然而,2017年7月2日,長征五號遙二火箭發(fā)射任務(wù)在飛行至346秒時突發(fā)故障。根據(jù)分析仿真計算及地面試驗(yàn)結(jié)果,故障原因?yàn)樾疽患壱簹湟貉醢l(fā)動機(jī)一分機(jī)渦輪排氣裝置在復(fù)雜力熱環(huán)境下,局部結(jié)構(gòu)發(fā)生異常,發(fā)動機(jī)推力瞬時大幅下降,致使發(fā)射任務(wù)失利[4]。
事后,中國航天開啟了異常艱辛的“歸零”工作,復(fù)現(xiàn)故障。經(jīng)過反復(fù)排查,最終發(fā)現(xiàn)了這個原因。隨后,改進(jìn)后的芯一級液氫液氧發(fā)動機(jī)完成多次地面熱試車考核,驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性[4],才有了今天的長征五號遙三任務(wù)。
成功從來不是那么隨隨便便,“胖五”的歸來之旅,已經(jīng)經(jīng)歷了900多天的痛苦煎熬。這副重?fù)?dān),不僅壓在火箭研發(fā)團(tuán)隊(duì)的肩上,更壓在全體中國航天人的肩上。
胖五歸來,中國航天新時代進(jìn)程中
“胖五”成功歸來,意味著一系列對中國航天有著深遠(yuǎn)意義的大型任務(wù)可以開始實(shí)施。
本次發(fā)射的實(shí)踐二十號任務(wù),是我國首次應(yīng)用的東方紅五號衛(wèi)星平臺。這個平臺是我國純自主設(shè)計研發(fā)的新一代大型桁架式衛(wèi)星平臺,全平臺最大功率最高可達(dá)30千瓦,最大質(zhì)量達(dá)到9噸。由于使用了等離子電推進(jìn)技術(shù),設(shè)計壽命可長達(dá)15年,大大提高了我國超大型衛(wèi)星研究水平,是我國未來20年內(nèi)的核心衛(wèi)星平臺之一,能使用在通信、遙感等多種衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域[5]。實(shí)踐二十因而成為世界最重最強(qiáng)的高通量通信衛(wèi)星之一,太陽能帆板全部展開后超過40米寬,超過普通客機(jī)翼展,通信能力遠(yuǎn)超中國此前任何一顆通信衛(wèi)星。
中國火星探測任務(wù)(圖片來源:國家航天局)
020年7月前后,人類迎來又一次探測火星窗口,中國首個獨(dú)立自主的火星探測任務(wù)即將出發(fā),目標(biāo)是在一次任務(wù)中完成火星“繞、落、巡”的壯舉,長征五號就是托舉它奔向火星的火箭。
隨后,我國將正式開始嫦娥探月工程“繞、落、回”三步走計劃的最后一步“回”,嫦娥五號將搭乘長征五號擇機(jī)發(fā)射,著陸月球并帶回月球土壤樣本,這也是阿波羅登月時代結(jié)束50年之際人類再次“觸碰”月球。
在11艘神舟飛船、1艘天舟飛船、2艘天宮空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)結(jié)束后,我國載人航天事業(yè)也將迎來新高度,全面建設(shè)100噸級別的天宮空間站,實(shí)現(xiàn)多人在軌長時間駐留太空。在同樣的軌道也將有一個大型巡天望遠(yuǎn)鏡伴飛,成為中國的“哈勃太空望遠(yuǎn)鏡”。長征五號(B型)火箭將成為整體建設(shè)過程中最核心的運(yùn)載器具。
中國航天的新時代已經(jīng)到來。今年是中華人民共和國成立70周年,中國航天也已經(jīng)走過63年。回頭看,它的每一幕依然激動人心。從東方紅一號到長征五號,中國航天輝煌成就的背后,不僅有偉大的23位“兩彈一星”元勛,更有一位又一位繼承、堅持、發(fā)揚(yáng)著“兩彈一星”精神的平凡航天人。
向他們致敬??!
相關(guān)參考:
【1】航天科技集團(tuán):http://www.spacechina.com/n25/n148/n2020942/c2614681/content.html
【2】長城工業(yè)集團(tuán):http://cn.cgwic.com/Launchservice/LM3B.html
【3】人民網(wǎng):http://scitech.people.com.cn/change-3/
【4】運(yùn)載火箭技術(shù)研究院:http://www.calt.com/n482/n742/c11650/content.html
【5】空間技術(shù)研究院:http://www.cast.cn/Item/Show.asp?m=1&d=2883
出品:科普中國
制作:太空精釀
監(jiān)制:中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
- 原標(biāo)題:祝賀“胖五”歸來!長征五號遙三運(yùn)載火箭發(fā)射成功
- 責(zé)任編輯: 齊倩 
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