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主宰辅助
QQ皇族馆 2020/5/7 20:18:24 技术教程
◎ 科技日報記者 付毅飛
2020年5月5日18時00分,為我國載人空間站工程研制的長征五號B運載火箭,搭載新一代載人飛船試驗船和柔性充氣式貨物返回艙試驗艙,從中國文昌航天發射場點火升空。約488秒后,載荷組合體與火箭成功分離,進入預定軌道。
這是長征五號B火箭的首次飛行任務。任務圓滿成功,實現空間站階段飛行任務首戰告捷,拉開了我國載人航天工程“第三步”任務序幕。

長征五號B運載火箭點火瞬間。高一鳴 攝
長征五號B火箭由中國航天科技集團一院抓總研制,是以長征五號為基礎改進研制而成,主要用于我國空間站艙段等重大航天發射任務。記者從一院了解到,此次任務中,長征五號B火箭運送的載荷質量達到22噸,這是中國乃至亞洲火箭首次發射超過20噸的航天器,進一步奠定了長征五號系列火箭在世界現役火箭運載能力第一梯隊中的地位。


圖片來源:中國航天報
那么這哥倆有何不同?長征五號B火箭是怎樣將這么重的飛船送上天的?航天科技集團向科技日報給出了答案。
“長五”哥倆使命不同
從外觀上看,長征五號B火箭“身高”近54米,相當于18層樓高,芯級直徑5米,近850噸重。與長征五號相比,它的“腰圍”一樣,輕20噸,個子矮了大約3米。這是因為它比長征五號少了芯二級和級間段,只有一個芯級配備4個助推器,是我國首型“一級半”火箭。
不過長征五號B火箭的整流罩比長征五號大多了,長度超過20米,足以把十多米長、4米多粗的空間站核心艙裝進去。

除了外觀和構型,這哥倆還各有所長。長征五號火箭擅于跑長途,運送目的地包括大約3萬6千公里外的地球同步軌道、38萬公里外的月球,以及最近距離也有5千萬公里的火星。長征五號B則專注于高度200至400公里的近地軌道,這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。
長征五號B火箭能憑借一級半構型把重磅航天器送入太空,得益于采用氫氧發動機的芯一級,與使用液氧煤油發動機的助推器合理搭配。其中芯一級的2臺大推力氫氧發動機,憑借傲視群雄的比沖(用于衡量發動機性能,可以理解為汽車的“百公里油耗”),直接影響著航天器的最終入軌。
由于長征五號B火箭所承擔任務的特殊性,對氫氧發動機提出了極高要求。載人空間站工程的交會對接等任務,好比在太空“穿針引線”,時間有絲毫誤差,都可能讓對接雙方失之交臂,不得不耗費很大代價調整軌道。這要求運載火箭的發射時間“分秒不差”,也就是所謂的“零窗口”發射。長征五號B所用的氫氧發動機,必須確保發射前工作環環相扣、步步流暢,才能不耽誤發射窗口。

另外,長征五號B火箭的加速度比長征五號更快,但在助推器分離后,火箭加速度又會瞬間達到最低。航天科技集團六院長征五號火箭副總設計師王維彬表示,發動機入口面對大起大落的壓力,會給發動機的穩定、可靠工作帶來巨大挑戰。氫氧發動機研制隊伍開展了大量研究改進與試驗驗證,逐一攻克難點,進一步提高了發動機工作可靠性和穩定性。
點火到入軌一氣呵成
長征五號B是我國首個一級半構型火箭。
按照構型,火箭分為單級火箭和多級火箭兩類,火箭助推器通常被算作半級。
其中,多級火箭又分串聯、并聯、混合式三種聯結方式。所謂串聯,指火箭各子級像竹竿一樣串在一起,這樣空氣阻力往往比較小。并聯指多級火箭并排捆綁在一起,這在助推器中較為常見。混合式則是既有串聯、又有并聯。例如用于發射神舟飛船的長征二號F火箭、發射天舟貨運飛船的長征七號火箭,以及長征五號火箭等,都是采用助推器與一子級并聯捆綁,一子級又和二級串聯的方式,構成二級半構型。


目前我國航天任務采用較多的是多級火箭。其工作特點是,火箭點火后一級發動機開始工作,燃料用完,一級發動機關機,并和燃料儲箱一起從箭體上分離。其余各級發動機也是如此,通過這種“卸包袱”的形式,讓火箭輕裝前行,持續獲得良好的加速性能。在此基礎上,各級火箭分別承擔“起跑、加速跑、沖刺”的任務。
不過火箭級數越多,控制起來越復雜,因此一般不會超過四級。長征火箭家族中,只有長征十一號固體運載火箭達到了四級。
長征五號B火箭是在一級上捆綁了4個助推器,屬于一級半火箭。相比多級火箭的“接力”,它更加“簡單粗暴”,從點火到入軌一氣呵成,是我國現役運載火箭中唯一一款直接入軌的火箭。
這樣的構型不僅豐富和完善了我國新一代運載火箭型譜,也提升了系統可靠性。要知道,級間分離是火箭飛行中最容易出現問題的環節之一。火箭級間分離時,下級發動機關機,級間分離火工品工作使兩級分開。為避免分開的兩級發生“追尾”和“碰撞”,要用側推小火箭或反推小火箭點火,讓分離開的兩級隔出一段安全距離,上級火箭發動機再點火繼續飛行。這一系列動作十分復雜,對控制的要求極高。長征五號B火箭系統簡單,無級間分離,可靠性自然就高。
大刀刻微雕,
精度怎么保證?
采用多級火箭執行發射任務時,都是用推力很小的末級火箭將衛星送到預定軌道,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。

而只有一級半的長征五號B火箭,要用2臺大推力氫氧發動機直接運送載荷入軌,就像用大刀刻“微雕”,力道極難掌握,給精準入軌帶來了巨大挑戰。
同時,大推力氫氧發動機關機后,還會產生“后效”,就如同燃氣灶關閉后的“余火”,也會對入軌精度造成影響。這需要確保發動機燃燒穩定,并在發動機研制時就盡可能算出“后效”的預測值,控制系統也必須將所有可能產生的誤差考慮進去。
航天科技集團一院長征五號火箭副總設計師李學鋒介紹,針對發動機后效等不確定因素,研制團隊用隨機“打靶”的方法,模擬出上萬種情況,以驗證控制系統設計的可靠性。“打靶”實驗證明,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。
而控制系統研制隊伍早在長征五號系列火箭研制之初,就統籌考慮了長征五號和長征五號B的任務特點。控制系統的硬件可以通用,已實現產品化;軟件也無需大改,就能適應兩者不同的飛行任務。
在火箭總體彈道設計上,科技人員也充分考慮了發動機“后效”的影響,基于發動機校準試車的實際數據進行計算,進一步優化了設計方案。
多項瘦身舉措收益可觀
對于多級火箭來說,芯一級、助推器減重,對提高運載能力的影響并不明顯。而對于一級半入軌的長征五號B火箭來說,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。減重收益相當可觀。
長征五號B火箭的芯一級尾段位于箭體最后,不僅是發動機艙,當火箭豎立在發射臺上時還能起到支撐作用。此前長征五號火箭的尾段,采用的是組合梁結合分瓣玻璃鋼底板的結構方案。而在長征五號B火箭研制中,航天科技集團一院703所把大直徑大厚度碳纖維復合材料“3+2”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,實現減重約400公斤。

該火箭助推器的減重也頗具特色。據航天科技集團八院長五系列項目辦主任張修科介紹,長征五號火箭的助推器如同4位壯漢,分別用“單肩”扛著芯級,這對“肩膀”的結構提出了很高要求。而在長征五號B火箭身上,研制團隊創新運用杠桿原理等,在捆綁點、助推器頭錐中裝上了4根“扁擔”,變“單肩扛”為“雙肩挑”,分散了受力。同時輔以先進的結構計算方式,綜合改進頭錐的結構,減重效果明顯。助推器頭錐、氣瓶等方面的改進,共減重約600公斤。

記者了解到,長征五號B火箭上采取的許多減重措施,未來也將應用在長征五號火箭上。
據中國載人航天工程辦公室消息,長征五號B火箭首飛成功,驗證了火箭總體方案、各分系統方案的正確性、協調性,突破了大尺寸整流罩分離技術、大直徑艙箭連接分離技術、大推力直接入軌偏差精確控制技術等一批新技術,為我國空間站在軌建造任務奠定了重要基礎。
整流罩不止于大
長征五號B火箭身上還有多項國內首創的黑科技,比如整流罩。
整流罩是運載火箭的重要組成部分,用于保護衛星或其他有效載荷免受氣動力、氣動加熱及聲振等有害環境的影響。長征五號B火箭擁有目前我國最長最大的整流罩,整流罩長達20.5米,相當于6層樓高,直徑達到5.2米。如此寬敞的空間,是為發射空間站核心艙和實驗艙而量身打造。
為了改善氣動特性,該整流罩采用了馮·卡門曲線外形。馮·卡門曲線是一種非線性曲線,可以更好地減小空氣阻力,減輕載荷所受影響。但如此外形的整流罩,展開之后并不是一個平面,而是立體的,制造難度高于傳統的錐形整流罩。
作為我國長度最長、重量最重的整流罩,另一個技術難點在于如何保證分離時的安全可靠。經過多方案對比,科技人員確定采用旋轉式分離方案,并為此開展了大量仿真分析,以及多次整流罩分離試驗,有效驗證了設計正確性和各系統接口協調性。
開創”冰箭“零窗口發射先河
火箭發射窗口指允許火箭發射的時間范圍,一般根據衛星或飛船入軌要求,以及多種限制條件綜合權衡后確定,比如衛星的軌道精度要求、地球與行星的相對位置要求等。“零窗口”是指發射時間范圍為零的發射窗口,也就是要求火箭必須分秒不差地點火升空。我國在實施天宮一號、北斗導航衛星等發射任務時,都曾經進行過零窗口發射。
未來的空間站交會對接任務,對長征五號B火箭也提出了零窗口發射需求,發射時間精度誤差要控制在1秒以內。作為采用液氫、液氧等低溫推進劑的“冰箭”,長征五號B火箭的零窗口發射有著更高技術含量和更大難度。此次發射成功,也開創了新一代運載火箭零窗口發射的先河。
為了實現零窗口發射,火箭各系統要確保在點火前一段時間,就完成各項準備。但低溫推進劑加注后會不停地蒸發消耗,因此長征五號B火箭的準備狀態并不是越早越好,而要嚴格按照時間要求精準完成,并且為應對各種情況充分做好預案。
作為我國最復雜的運載火箭,長征五號火箭發射前非常繁忙,任何一處細微差錯都可能造成發射流程延誤,進而影響零窗口的實現。研制團隊通過開展大量分析和試驗,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于零窗口發射的適應性,最終保證了任務成功實施。
相關鏈接
目前我國長征系列火箭主要構型:
兩級火箭:長征二號、長征二號丙、長征二號丁
兩級半火箭:長征二號捆、長征二號F、長征五號、長征七號
三級火箭:長征一號、長征三號、長征三號甲、長征四號系列、長征六號
三級半火箭:長征三號乙/丙
四級火箭:長征十一號(固體)
一級半火箭:長征五號B
長征五號B火箭小檔案:芯級直徑5米,捆綁4個3.35米直徑助推器,整流罩直徑5.2米,全箭總長約53.66米,起飛質量約849噸,起飛推力約1078噸 ,近地軌道運載能力不低于22噸。
長征五號發射預報:2020年,長征五號系列火箭將執行3次發射任務。繼長征五號B火箭首飛后,長征五號遙四火箭將于下半年發射我國首個火星探測器;年底前,長征五號火箭還將迎來第五次發射,將嫦娥五號月球探測器送上月球,實現對月球表面的采樣返回。長征五號B火箭首飛任務完成技術方案驗證后,長征五號B遙二至遙四任務將先后完成空間站3個艙段的發射任務。






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