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(fā)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(fā)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(xiàn)役火箭第一梯隊中的地位。

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

同一系列，不同使命——

長五主打高軌衛(wèi)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(dāng)于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，只有一個芯級，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。

多一級的長五擅于跑長途，“乘客”目的地包括3萬6千公里的地球同步軌道、38萬公里外的月球，以及最近距離也要數(shù)千萬公里的火星。

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(dāng)于10多輛小轎車的重量。它專注于地球附近約200至400公里的軌道，這里是我國空間站建設(shè)的主戰(zhàn)場，后續(xù)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(fā)動機

工作條件更嚴酷，要求更高

長五B火箭只用“一級半”就能把重磅航天器送上天，得益于采用氫氧推進劑的芯一級和采用液氧煤油推進劑的助推器的合理搭配。而芯一級的兩臺大推力氫氧發(fā)動機，又直接影響著航天器的最終入軌。

氫氧發(fā)動機的比沖(用于衡量發(fā)動機性能，可以理解為汽車的“百公里油耗”)傲視群雄，但其研制難度也極高。長五B火箭所承擔(dān)任務(wù)的特殊性，對芯一級的大推力氫氧發(fā)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(wù)，好比在數(shù)百公里高的太空“穿針引線”，時間有絲毫誤差，都有可能失之交臂，導(dǎo)致耗費更大的代價調(diào)整軌道。這要求運載火箭必須嚴格按照精準的時間發(fā)射，達到“分秒不差”，也就是所謂的“零窗口”發(fā)射。

長五B火箭芯級使用的氫氧發(fā)動機，必須確保預(yù)冷等發(fā)射前工作環(huán)環(huán)相扣、步步流暢，不耽誤發(fā)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(shè)計師王維彬說，發(fā)動機的入口面對過山車一樣大起大落的壓力，給發(fā)動機的穩(wěn)定、可靠工作帶來巨大挑戰(zhàn)。

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

此外，地面設(shè)備等系統(tǒng)采用的遠程操作方法，也保證了發(fā)動機預(yù)冷等環(huán)節(jié)的安全、順利推進。

同一大腦，不同思路——

優(yōu)化彈道設(shè)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，一級精準入軌也是一個巨大的挑戰(zhàn)。以往末級火箭的推力都很小，再輔以推力更小的姿態(tài)控制發(fā)動機，更容易在航天器入軌前對位置與姿態(tài)進行微調(diào)，從而確保精確入軌。

而這次，兩臺大推力氫氧發(fā)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(fā)動機關(guān)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。

為了解決大推力精準入軌的問題，一方面，發(fā)動機研制隊伍要確保發(fā)動機燃燒穩(wěn)定，并盡可能給出“后效”的預(yù)測值。更重要的，則是控制系統(tǒng)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(shè)計師李學(xué)鋒介紹，早在長五系列火箭研制之初，控制系統(tǒng)研制隊伍就已統(tǒng)籌考慮長五和長五B的任務(wù)特點。長五和長五B控制系統(tǒng)的硬件是通用的，已實現(xiàn)產(chǎn)品化;軟件也無需大改，即能適應(yīng)長五B飛行任務(wù)。

李學(xué)鋒說，針對發(fā)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，以驗證控制系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。“打靶”實驗證明，即便預(yù)測的“后效”與實際情況有所出入，控制系統(tǒng)也能確?；鸺_入軌。

與此同時，在火箭總體彈道設(shè)計上也要充分考慮發(fā)動機“后效”的影響，基于發(fā)動機校準試車的實際數(shù)據(jù)進行計算，進一步優(yōu)化設(shè)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

對于多級火箭，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，減重對于長五B的收益是相當(dāng)可觀的。

長五B火箭的芯一級尾段位于火箭箭體的最后部位，不僅是發(fā)動機艙，而且在整個火箭豎立在發(fā)射臺上時起到支撐作用。以前，長五尾段采用的是組合梁結(jié)合分瓣玻璃鋼底板的結(jié)構(gòu)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(fù)合材料“三加二”蜂窩夾層結(jié)構(gòu)整體成型技術(shù)用在了一級尾段的壁板和防熱板結(jié)構(gòu)成型中，通過采用輕質(zhì)化碳纖維復(fù)合材料結(jié)合鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)方案替代原方案，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)提出了非常高的要求。在長五B火箭的研制過程中，團隊創(chuàng)新采用杠桿等原理，在捆綁點上、助推器頭錐中插上了4根“扁擔(dān)”，變“單肩”扛為“雙肩”挑，分散了受力，再輔以先進的結(jié)構(gòu)計算方式，綜合改進頭錐的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了可觀的減重。助推器頭錐、氣瓶等方面的改進，實現(xiàn)了減重600公斤。而長五B火箭的許多減重措施，也將應(yīng)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證。航天科技集團一院長五火箭副總設(shè)計師朱曦全說，在地面試驗方面，長五火箭團隊綜合利用現(xiàn)有條件，創(chuàng)新方法開展試驗，盡可能在地面發(fā)現(xiàn)疑點并改進，確?；鸺w天萬無一失。(趙竹青)

關(guān)鍵詞： 長征五號B火箭