大家好,我是长五B

1958年5月,毛泽东主席在党的八大二次会议上提出:“我们也要搞人造卫星!”随后,他风趣地说,鸡蛋那么大的我们不放,要放就放个两万公斤的。
2020年5月,由航天科技集团一院抓总研制的大型运载火箭长征五号B在中国文昌航天发射场成功首飞,把重约22吨重的新一代载人飞船试验船送入太空。
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这是中国乃至亚洲火箭首次发射超过“两万公斤”的航天器,进一步奠定了长征五号系列火箭运载能力在世界现役火箭第一梯队中的地位。
那么
长五B与长征五号运载火箭有哪些不同?
它是如何将这么重的飞船送上天的呢?

01

同一系列,不同使命

长五主打高轨卫星、探测器
VS
长五B主打近地载人空间站
从外观上看,长五B火箭“身高”近54米,相当于18层楼高,近850吨重。与长五火箭相比,长五B芯级直径也是5米,但“身高”矮了约3米,“体重”轻了约20吨。这主要是因为长五B火箭少了一个芯二级和一个级间段,只有一个芯级,也就是“腰”往上少了一部分。
长五B火箭也有4个直径3.35米的助推器(又称为“半级”),是我国首型“一级半”火箭。
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不过,长五B火箭“头部”——整流罩比长五火箭更大,高度超过20米,连10多米长、4米多粗的空间站核心舱都能装进去。
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多一级的长五火箭擅于跑长途,“乘客”包括运行在3.6万公里的地球同步轨道大型卫星、往返38万公里外月球取回月壤的嫦娥五号探测器,以及飞行数千万公里乃至更远的火星探测器“天问一号”。
即便少了一级,长五B火箭在专门向近地轨道送货的长征火箭中,力气仍然是最大的,一次能送超过22吨的东西,相当于10多辆小轿车的重量。它专注于地球附近约200至400公里的轨道,这里是我国空间站建设的主战场。
在我国载人航天工程空间站建设阶段的任务中,近地轨道运载能力超过8吨的长征二号F运载火箭负责发射神舟系列飞船;运载能力14吨级的长征七号运载火箭负责发射天舟货运飞船;而运载能力25吨级的长五B火箭则负责把空间站核心舱等主要舱段“搬”到天上
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长二F、长七、长五B三型火箭共同构成我国载人航天工程的“天地运输走廊”,而长五B的力量,决定了我国“天地运输走廊”有多“宽”。
“送上天”很重要,“请下车”也很关键。长五B火箭与空间站舱段的连接接口直径超过4米,研制队伍必须突破大直径舱箭分离技术。他们通过综合比较和试验,选取最优方案,尽可能降低分离时的冲击,让重磅航天器安全、舒适地“下车”。

02

同一心脏,不同工况

长五B芯级氢氧发动机
工作条件更严酷,要求更高
长五B火箭只用“一级半”就能把重磅航天器送上天,得益于采用氢氧推进剂的芯一级和采用液氧煤油推进剂的助推器的合理搭配。而芯一级的两台大推力氢氧发动机,从地面点火一直工作到把航天器送入轨道,要“打全场”,责任重大。
氢氧发动机的比冲(用于衡量发动机性能,可以理解为汽车的“百公里油耗”)傲视群雄,但其研制难度也极高。长五B火箭所承担任务的特殊性,对芯一级的大推力氢氧发动机提出了更高的要求。
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载人空间站工程的交会对接等任务,好比在数百公里高的太空“穿针引线”,时间不能有丝毫误差,否则可能失之交臂,导致耗费更大的代价调整轨道。这要求运载火箭必须严格按照精准的时间发射,达到分秒不差,也就是所谓的“零窗口”发射。
对氢氧发动机来说,要实现“零窗口”发射,必须确保发射前各项工作环环相扣、步步流畅,一点时间都不能耽误。如发射前要预先把发动机的温度降得很低,即“预冷”,以防止零下250多摄氏度的液氢和零下180多摄氏度的液氧推进剂进入发动机后发生意外。在长五火箭首飞时,就曾因为发动机预冷不顺利而推迟发射时间。
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同时,长五B火箭比长五更轻,但起飞推力与长五相同。用同样的劲向上提更轻的东西,加速度自然更快。而在助推器分离后,火箭加速度又瞬间达到最低。
“就像深海鱼突然跳到喜马拉雅山上,巨大的压力变化会使鱼瞬间爆裂”,航天科技集团六院长五火箭副总设计师王维彬说,发动机的入口面对过山车一样大起大落的压力,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通过大量的研究改进与试验验证,将这些难点逐一攻克,进一步提高了发动机工作的可靠性与稳定性,确保发动机发射前不会“发烧”、按时完成预冷等工作,飞行时扛住巨大压力,平稳运行。
“在地面设备方面,我们通过采用远程调节的方式,保证了发动机预冷等发射前环节的安全、顺利推进。”航天科技集团一院长五火箭副总设计师贺建华介绍。
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03

同一大脑,不同思路

优化弹道设计与控制方案
“氢龙偃月刀”也能做“微雕”
除了“零窗口”和过山车一样的压力,一级大推力精准入轨也是一个巨大的挑战。以往末级火箭的推力都很小,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。
而这次,两台大推力氢氧发动机直接送载荷入轨,就像用大刀做“微雕”,力道极难掌握。
此外,大推力氢氧发动机关机后,还有“后效”,类似燃气灶闭火后的“余火”,这同样会对航天器入轨精度造成影响。
为了解决大推力精准入轨的问题,一方面,发动机研制队伍要确保发动机燃烧稳定,并尽可能给出“后效”的预测值,更重要的则是控制系统必须把所有可能的误差考虑进去。
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航天科技集团一院长五火箭副总设计师李学锋介绍,早在长五系列火箭研制之初,控制系统研制队伍就已统筹考虑长五和长五B火箭的任务特点。长五和长五B火箭控制系统的硬件是通用的,已实现产品化;软件也无需大改,就能适应长五B火箭飞行任务。
李学锋说,针对发动机“后效”等不确定因素,他们用数学仿真“打靶”的方法模拟出上万种情况,以验证制导控制率设计的正确性。试验证明,即便预测的“后效”与实际情况有出入,控制系统也能确保火箭精确入轨。
而在火箭总体弹道设计上,除了考虑火箭动力系统的偏差,还要考虑结构、控制等方面的偏差,以完善弹道设计,即便多种偏差“组团”出现,也能保证高精度入轨。
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04

同一模块,不同重量

芯级、助推巧妙减重
进一步提升运载能力
对于多级火箭,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”入轨的长五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。因此,减重对于长五B火箭的收益是相当可观的。
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位于火箭箭体底部的尾段是火箭的发动机舱,对竖立在发射台上的火箭还起到一定的支撑作用。这次任务中,航天科技集团一院703所把大直径大厚度碳纤维复合材料“三加二”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,通过采用轻质化碳纤维复合材料结合铝蜂窝夹层结构方案替代原方案,实现减重约400公斤
助推器的减重也很有特色。从外观上看,长五系列火箭助推器与以往长征火箭的区别:一个是大,块头与长征二、三、四号系列火箭的芯一级相当;另一个就是采用了斜头锥。“长五系列火箭采用‘前捆绑点主传力’构型,助推器提供了近千吨起飞推力,因此,每个助推器斜头锥与芯级捆绑连接的地方要承受数百吨压力。”航天科技集团八院长五系列火箭项目办主任张修科介绍,长五的4个助推器就像是4位壮汉,分别用单侧“肩膀”(即捆绑点及周边)扛着芯级,这就要求“肩膀”的结构必须扛得住劲,难免重一些。
在长五B火箭的研制过程中,研制队伍创新采用杠杆等原理,在助推器头锥内部、捆绑连接点处延伸出一根“扁担”,横穿头锥,变“单肩”扛为“双肩”挑,分散了受力,同时使用先进的结构设计方法和制造手段,全面优化头锥结构。助推器头锥、气瓶等的改进,实现了减重700公斤。

05

同一试验,不同对象 

统筹开展地面试验
确保飞天万无一失
无论是火箭减重还是增加更大的整流罩,都需要通过严格的地面试验来验证是否可靠。
航天科技集团一院长五火箭副总设计师朱曦全介绍,在长五系列火箭研制过程中,会统筹安排长五和长五B火箭的地面试验,重点对两者的不同之处进行试验。比如,长五B火箭少了二级,全箭模态发生了变化,必须重新做全箭模态试验。模态试验的主要目的是获得产品动特性,即产品运动起来的共振特性。
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许多人听过一个故事:一队士兵齐步走过大桥,步伐的频率和大桥的共振频率重合,振动幅度累加,导致大桥垮塌。火箭同样怕共振:一是可能干扰火箭的“眼睛”——速率陀螺正常工作,二是容易振坏局部结构。
航天科技集团一院天津新一代运载火箭产业化基地有亚洲最大、世界第二的全封闭式全箭模态试验振动塔,足以把长五/长五B火箭悬挂其中开展全箭模态试验。
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一院702所长五B火箭全箭模态试验团队以最短的时间,在“亚洲第一塔”使用模态试验箭完成了主要的全箭模态试验工作。此外,试验团队还要在发射场完成火箭“坐”在发射平台上的模态试验。
以往新火箭的发射场全箭模态试验都用合练箭,而长五B任务比较特殊,直接用首飞箭合练、试验,这就要求试验队员在操作时确保火箭的绝对安全。
朱曦全介绍,除了全箭模态试验,他们还对长五B火箭进行了超大整流罩分离试验、仪器舱声振联合试验等。这些试验都以高效率完成,保障了整体研制工作顺利推进。
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能开展这么大规模的地面试验,既是火箭飞天万无一失的保证,也是国家整体工业实力的体现。”朱曦全说,“背靠国家庞大的工业体系,我们研制出了大推力振动台等具有国际先进水平的试验装备,而长五系列新一代大型低温运载火箭的研制体现了我国在尖端技术领域设计、制造、验证、系统集成和管理的体系性创新能力,工程牵引带动了装备、材料、工艺等方面的突破,又将助力工业体系升级,造福国计民生,这同样是长五作为‘国之重器’的意义所在”。

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