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“长五B”火箭首飞成功,创下运载纪录!一文读懂它身上的黑科技

来源:《科技日报》  发布时间:2020-05-06

长征五号B运载火箭正在升空(图片来源于人民日报,陈肖/摄)

  2020年5月5日18时00分,为我国载人空间站工程研制的长征五号B运载火箭,搭载新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱,从中国文昌航天发射场点火升空。约488秒后,载荷组合体与火箭成功分离,进入预定轨道。

  这是长征五号B火箭的首次飞行任务。任务圆满成功,实现空间站阶段飞行任务首战告捷,拉开了我国载人航天工程“第三步”任务序幕。

  长征五号B火箭由中国航天科技集团一院抓总研制,是以长征五号为基础改进研制而成,主要用于我国空间站舱段等重大航天发射任务。此次任务中,长征五号B火箭运送的载荷质量达到22吨,这是中国乃至亚洲火箭首次发射超过20吨的航天器,进一步奠定了长征五号系列火箭在世界现役火箭运载能力第一梯队中的地位。

  那么这哥俩有何不同?长征五号B火箭是怎样将这么重的飞船送上天的?

  “长五”哥俩使命不同

  从外观上看,长征五号B火箭“身高”近54米,相当于18层楼高,芯级直径5米,近850吨重。与长征五号相比,它的“腰围”一样,轻20吨,个子矮了大约3米。这是因为它比长征五号少了芯二级和级间段,只有一个芯级配备4个助推器,是我国首型“一级半”火箭。

  不过长征五号B火箭的整流罩比长征五号大多了,长度超过20米,足以把十多米长、4米多粗的空间站核心舱装进去。

  除了外观和构型,这哥俩还各有所长。长征五号火箭擅于跑长途,运送目的地包括大约3万6千公里外的地球同步轨道、38万公里外的月球,以及最近距离也有5千万公里的火星。长征五号B则专注于高度200至400公里的近地轨道,这是我国空间站建设的主战场,后续空间站核心舱等主要舱段都要由长五B火箭送上天。

  长征五号B火箭能凭借一级半构型把重磅航天器送入太空,得益于采用氢氧发动机的芯一级,与使用液氧煤油发动机的助推器合理搭配。其中芯一级的2台大推力氢氧发动机,凭借傲视群雄的比冲(用于衡量发动机性能,可以理解为汽车的“百公里油耗”),直接影响着航天器的最终入轨。

  由于长征五号B火箭所承担任务的特殊性,对氢氧发动机提出了极高要求。载人空间站工程的交会对接等任务,好比在太空“穿针引线”,时间有丝毫误差,都可能让对接双方失之交臂,不得不耗费很大代价调整轨道。这要求运载火箭的发射时间“分秒不差”,也就是所谓的“零窗口”发射。长征五号B所用的氢氧发动机,必须确保发射前工作环环相扣、步步流畅,才能不耽误发射窗口。

  另外,长征五号B火箭的加速度比长征五号更快,但在助推器分离后,火箭加速度又会瞬间达到最低。航天科技集团六院长征五号火箭副总设计师王维彬表示,发动机入口面对大起大落的压力,会给发动机的稳定、可靠工作带来巨大挑战。氢氧发动机研制队伍开展了大量研究改进与试验验证,逐一攻克难点,进一步提高了发动机工作可靠性和稳定性。

  点火到入轨一气呵成

  长征五号B是我国首个一级半构型火箭。

  按照构型,火箭分为单级火箭和多级火箭两类,火箭助推器通常被算作半级。

  其中,多级火箭又分串联、并联、混合式三种联结方式。所谓串联,指火箭各子级像竹竿一样串在一起,这样空气阻力往往比较小。并联指多级火箭并排捆绑在一起,这在助推器中较为常见。混合式则是既有串联、又有并联。例如用于发射神舟飞船的长征二号F火箭、发射天舟货运飞船的长征七号火箭,以及长征五号火箭等,都是采用助推器与一子级并联捆绑,一子级又和二级串联的方式,构成二级半构型。

  目前我国航天任务采用较多的是多级火箭。其工作特点是,火箭点火后一级发动机开始工作,燃料用完,一级发动机关机,并和燃料储箱一起从箭体上分离。其余各级发动机也是如此,通过这种“卸包袱”的形式,让火箭轻装前行,持续获得良好的加速性能。在此基础上,各级火箭分别承担“起跑、加速跑、冲刺”的任务。

  不过火箭级数越多,控制起来越复杂,因此一般不会超过四级。长征火箭家族中,只有长征十一号固体运载火箭达到了四级。

  长征五号B火箭是在一级上捆绑了4个助推器,属于一级半火箭。相比多级火箭的“接力”,它更加“简单粗暴”,从点火到入轨一气呵成,是我国现役运载火箭中唯一一款直接入轨的火箭。

  这样的构型不仅丰富和完善了我国新一代运载火箭型谱,也提升了系统可靠性。要知道,级间分离是火箭飞行中最容易出现问题的环节之一。火箭级间分离时,下级发动机关机,级间分离火工品工作使两级分开。为避免分开的两级发生“追尾”和“碰撞”,要用侧推小火箭或反推小火箭点火,让分离开的两级隔出一段安全距离,上级火箭发动机再点火继续飞行。这一系列动作十分复杂,对控制的要求极高。长征五号B火箭系统简单,无级间分离,可靠性自然就高。

  大刀刻微雕,精度怎么保证?

  采用多级火箭执行发射任务时,都是用推力很小的末级火箭将卫星送到预定轨道,再辅以推力更小的姿态控制发动机,更容易在航天器入轨前对位置与姿态进行微调,从而确保精确入轨。

  而只有一级半的长征五号B火箭,要用2台大推力氢氧发动机直接运送载荷入轨,就像用大刀刻“微雕”,力道极难掌握,给精准入轨带来了巨大挑战。

  同时,大推力氢氧发动机关机后,还会产生“后效”,就如同燃气灶关闭后的“余火”,也会对入轨精度造成影响。这需要确保发动机燃烧稳定,并在发动机研制时就尽可能算出“后效”的预测值,控制系统也必须将所有可能产生的误差考虑进去。

  航天科技集团一院长征五号火箭副总设计师李学锋介绍,针对发动机后效等不确定因素,研制团队用随机“打靶”的方法,模拟出上万种情况,以验证控制系统设计的可靠性。“打靶”实验证明,即便预测的“后效”与实际情况有所出入,控制系统也能确保火箭精确入轨。

  而控制系统研制队伍早在长征五号系列火箭研制之初,就统筹考虑了长征五号和长征五号B的任务特点。控制系统的硬件可以通用,已实现产品化;软件也无需大改,就能适应两者不同的飞行任务。

  在火箭总体弹道设计上,科技人员也充分考虑了发动机“后效”的影响,基于发动机校准试车的实际数据进行计算,进一步优化了设计方案。

  多项瘦身举措收益可观

  对于多级火箭来说,芯一级、助推器减重,对提高运载能力的影响并不明显。而对于一级半入轨的长征五号B火箭来说,芯一级减重多少,运载能力几乎就可以提高多少;助推器减重与运载能力提高的比例也高达1.25:1。减重收益相当可观。

  长征五号B火箭的芯一级尾段位于箭体最后,不仅是发动机舱,当火箭竖立在发射台上时还能起到支撑作用。此前长征五号火箭的尾段,采用的是组合梁结合分瓣玻璃钢底板的结构方案。而在长征五号B火箭研制中,航天科技集团一院703所把大直径大厚度碳纤维复合材料“3+2”蜂窝夹层结构整体成型技术,用在了一级尾段的壁板和防热板结构成型中,实现减重约400公斤。

  该火箭助推器的减重也颇具特色。据航天科技集团八院长五系列项目办主任张修科介绍,长征五号火箭的助推器如同4位壮汉,分别用“单肩”扛着芯级,这对“肩膀”的结构提出了很高要求。而在长征五号B火箭身上,研制团队创新运用杠杆原理等,在捆绑点、助推器头锥中装上了4根“扁担”,变“单肩扛”为“双肩挑”,分散了受力。同时辅以先进的结构计算方式,综合改进头锥的结构,减重效果明显。助推器头锥、气瓶等方面的改进,共减重约600公斤。

  据中国载人航天工程办公室消息,长征五号B火箭首飞成功,验证了火箭总体方案、各分系统方案的正确性、协调性,突破了大尺寸整流罩分离技术、大直径舱箭连接分离技术、大推力直接入轨偏差精确控制技术等一批新技术,为我国空间站在轨建造任务奠定了重要基础。

  整流罩不止于大

  长征五号B火箭身上还有多项国内首创的黑科技,比如整流罩。

  整流罩是运载火箭的重要组成部分,用于保护卫星或其他有效载荷免受气动力、气动加热及声振等有害环境的影响。长征五号B火箭拥有目前我国最长最大的整流罩,整流罩长达20.5米,相当于6层楼高,直径达到5.2米。如此宽敞的空间,是为发射空间站核心舱和实验舱而量身打造。

  为了改善气动特性,该整流罩采用了冯·卡门曲线外形。冯·卡门曲线是一种非线性曲线,可以更好地减小空气阻力,减轻载荷所受影响。但如此外形的整流罩,展开之后并不是一个平面,而是立体的,制造难度高于传统的锥形整流罩。

  作为我国长度最长、重量最重的整流罩,另一个技术难点在于如何保证分离时的安全可靠。经过多方案对比,科技人员确定采用旋转式分离方案,并为此开展了大量仿真分析,以及多次整流罩分离试验,有效验证了设计正确性和各系统接口协调性。

  开创“冰箭”零窗口发射先河

  火箭发射窗口指允许火箭发射的时间范围,一般根据卫星或飞船入轨要求,以及多种限制条件综合权衡后确定,比如卫星的轨道精度要求、地球与行星的相对位置要求等。“零窗口”是指发射时间范围为零的发射窗口,也就是要求火箭必须分秒不差地点火升空。我国在实施天宫一号、北斗导航卫星等发射任务时,都曾经进行过零窗口发射。

  未来的空间站交会对接任务,对长征五号B火箭也提出了零窗口发射需求,发射时间精度误差要控制在1秒以内。作为采用液氢、液氧等低温推进剂的“冰箭”,长征五号B火箭的零窗口发射有着更高技术含量和更大难度。此次发射成功,也开创了新一代运载火箭零窗口发射的先河。

  为了实现零窗口发射,火箭各系统要确保在点火前一段时间,就完成各项准备。但低温推进剂加注后会不停地蒸发消耗,因此长征五号B火箭的准备状态并不是越早越好,而要严格按照时间要求精准完成,并且为应对各种情况充分做好预案。

  作为我国最复杂的运载火箭,长征五号火箭发射前非常繁忙,任何一处细微差错都可能造成发射流程延误,进而影响零窗口的实现。研制团队通过开展大量分析和试验,实现了关键系统可靠性提升;通过射前流程优化,进一步提高了各系统对于零窗口发射的适应性,最终保证了任务成功实施。

  相关链接

  目前我国长征系列火箭主要构型:

  两级火箭:长征二号、长征二号丙、长征二号丁

  两级半火箭:长征二号捆、长征二号F、长征五号、长征七号

  三级火箭:长征一号、长征三号、长征三号甲、长征四号系列、长征六号

  三级半火箭:长征三号乙/丙

  四级火箭:长征十一号(固体)

  一级半火箭:长征五号B

  长征五号B火箭小档案:芯级直径5米,捆绑4个3.35米直径助推器,整流罩直径5.2米,全箭总长约53.66米,起飞质量约849吨,起飞推力约1078吨 ,近地轨道运载能力不低于22吨。

  长征五号发射预报:2020年,长征五号系列火箭将执行3次发射任务。继长征五号B火箭首飞后,长征五号遥四火箭将于下半年发射我国首个火星探测器;年底前,长征五号火箭还将迎来第五次发射,将嫦娥五号月球探测器送上月球,实现对月球表面的采样返回。长征五号B火箭首飞任务完成技术方案验证后,长征五号B遥二至遥四任务将先后完成空间站3个舱段的发射任务。

  (来源: 《科技日报》;作者: 付毅飞)

 

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