2020年5月5日，由中國航天科技集團(tuán)有限公司第一研究院抓總研制的長征五號B運(yùn)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(yàn)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(jìn)一步奠定了長征五號系列火箭運(yùn)載能力在世界現(xiàn)役火箭第一梯隊(duì)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?yàn)殚L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(jìn)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(jī)

工作條件更嚴(yán)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(jìn)劑的芯一級和采用液氧煤油推進(jìn)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(jī)，又直接影響著航天器的最終入軌。

氫氧發(fā)動機(jī)的比沖(用于衡量發(fā)動機(jī)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(jī)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(fèi)更大的代價調(diào)整軌道。這要求運(yùn)載火箭必須嚴(yán)格按照精準(zhǔn)的時間發(fā)射，達(dá)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(jī)，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(dá)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(tuán)六院長五火箭副總設(shè)計師王維彬說，發(fā)動機(jī)的入口面對過山車一樣大起大落的壓力，給發(fā)動機(jī)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(jī)研制隊(duì)伍通過大量的研究改進(jìn)與試驗(yàn)驗(yàn)證，將這些難點(diǎn)逐一攻克，進(jìn)一步提高了發(fā)動機(jī)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(yuǎn)程操作方法，也保證了發(fā)動機(jī)預(yù)冷等環(huán)節(jié)的安全、順利推進(jìn)。

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(zhǔn)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(jī)，更容易在航天器入軌前對位置與姿態(tài)進(jìn)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(jī)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(jī)關(guān)機(jī)后，還有“后效”，類似燃?xì)庠铋]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(zhǔn)入軌的問題，一方面，發(fā)動機(jī)研制隊(duì)伍要確保發(fā)動機(jī)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(jìn)去。

航天科技集團(tuán)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(duì)伍就已統(tǒng)籌考慮長五和長五B的任務(wù)特點(diǎn)。長五和長五B控制系統(tǒng)的硬件是通用的，已實(shí)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(jī)后效等不確定因素，他們用隨機(jī)“打靶”的方法，模擬出上萬種情況，以驗(yàn)證控制系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。“打靶”實(shí)驗(yàn)證明，即便預(yù)測的“后效”與實(shí)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(jī)“后效”的影響，基于發(fā)動機(jī)校準(zhǔn)試車的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，進(jìn)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(jìn)一步提升運(yùn)載能力

對于多級火箭，芯一級、助推器減重對提高運(yùn)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(yùn)載能力幾乎就可以提高多少;助推器減重與運(yùn)載能力提高的比例也高達(dá)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(jī)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(tuán)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(shí)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(tuán)八院長五系列項(xiàng)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(tuán)隊(duì)創(chuàng)新采用杠桿等原理，在捆綁點(diǎn)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(jìn)的結(jié)構(gòu)計算方式，綜合改進(jìn)頭錐的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了可觀的減重。助推器頭錐、氣瓶等方面的改進(jìn)，實(shí)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(yán)格的地面試驗(yàn)來驗(yàn)證。航天科技集團(tuán)一院長五火箭副總設(shè)計師朱曦全說，在地面試驗(yàn)方面，長五火箭團(tuán)隊(duì)綜合利用現(xiàn)有條件，創(chuàng)新方法開展試驗(yàn)，盡可能在地面發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn)并改進(jìn)，確?；鸺w天萬無一失。(趙竹青)

關(guān)鍵詞： 長征五號B火箭