重磅 | 长征五号B运载火箭及其发射服务展望

《国际太空》2020年第5期:作为我国首个一级半构型火箭,长征五号B运载火箭突破了多项关键技术,于2020年5月5日成功首飞,将新一代载人飞船试验船及柔性充气式货物返回舱试验舱的组合体准确送入预定轨道,标志着我国运载火箭近地轨道运载能力跻身国际前列,为我国空间站工程任务的顺利实施奠定了坚实基础。

重磅 | 长征五号B运载火箭及其发射服务展望长征五号B运载火箭发射

1. 概述
中国载人航天工程第三步将进行载人空间站的建设,目的是掌握空间组装技术,建成我国完整的载人空间站工程系统。长征五号B运载火箭是按照我国载人航天工程第三步——空间站工程任务要求,为满足空间站舱段发射任务而研制的一型大型液体运载火箭。2011年11月上级批复选用长征五号系列火箭中的一级半最大构型承担发射空间站舱段任务,运载火箭命名为长征五号B,代号CZ-5B。
长征五号B运载火箭继承长征五号火箭研制基础,满足空间站工程任务要求。2012年1月,长征五号B运载火箭顺利通过方案转初样评审,转入初样研制阶段。2018年11月,顺利通过初样转试样评审,转入试样研制阶段。
为满足空间站舱段发射任务要求,长征五B运载火箭突破了20.5m长整流罩分离技术、大直径舱箭连接分离技术、大推力直接入轨精度控制和分离安全控制技术等重大关键技术。突破了考虑弹性及气动影响下的大型整流罩分离仿真预示技术,解决了大型整流罩分离的安全性;突破了大型低温动力系统的循环预冷技术、零秒脱落气液连接器技术等,提升了零窗口发射适应能力;突破了大直径舱箭连接解锁装置的降冲击技术,解决了大直径舱箭安全可靠连接及分离技术;突破了大推力直接入轨末级箭体的安全钝化技术,解决了舱箭分离安全性的难题。
长征五号B运载火箭首飞任务是“长征”系列运载火箭第331次发射。
2. 火箭总体情况
长征五号B运载火箭全长约53.7m芯一级直径5m,捆绑4个直径3.35m助推器整流罩长20.5m、直径 5.2m,采用无毒无污染的液氧、液氢和煤油作为推进剂起飞质量约849t,近地轨道运载能力大于22t,是目前我国近地轨道运载能力最大的运载火箭。
芯一级采用Φ5m直径模块,2台地面推力510kN的YF-77氢氧发动机双向摆动。助推器采用4个Φ3.35m直径模块,每个模块配置2台地面推力1188kN的YF-100液氧/煤油发动机,每个助推器摆动靠近芯级内侧的1台发动机。
整流罩头锥采用冯·卡门外形,直径Φ5.2m,长20.5m,有效净空间直径Φ4.5m;整流罩分离方案采用旋转式分离;整流罩分离能源采用分离弹簧。
助推器与芯级之间的传力路线采用前捆绑传力、助推器支撑的传力方案;助推器分离采用横向分离方案;助推器分离能源采用侧推火箭。
长征五号B运载火箭与长征五号火箭同属长征五号系列,两型火箭共享了5m大直径箭体结构、大推力液氧/液氢发动机、大推力液氧/煤油发动机、大型活动发射平台、系统级冗余控制技术等关键技术,最大程度地通过共用模块及产品化,来适应不同轨道发射任务需要。长征五号B运载火箭助推器和一级箭体、助推发动机和一级发动机相关产品采用与长征五号火箭通用化的设计方案,长征五号B运载火箭在研制过程中不需要再开展相关研制试验;同时,产品生产也可以实现批量化,对发射场地及相关发射支持设备的需要也可以做到统一,极大地节约了研制成本和研制周期。
3. 主要技术特点
为满足我国载人空间站工程需求,长征五号B运载火箭和长征五号火箭相比,有三大区别:
一是从构型上看,长征五号B运载火箭采用一级半构型,由芯一级+助推器+舱罩组合体组成,在长征五号火箭的基础上取消了芯二级。采用了少级数的设计理念,全部火箭发动机均在地面点火起动,减少了一次级间分离,火箭一级直接入轨,同时箭地接口大量采用零秒连接器等技术,提升了火箭的固有可靠性和安全性。
二是从外观上看,两型火箭的最大区别在于整流罩,长征五号火箭的整流罩长度为 12.267m,而长征五号B运载火箭的整流罩长度达20.5m,其容积超过345m3,是我国目前有效载荷容积最大的火箭整流罩,从而更好地满足空间站舱段发射任务需要,是我国现役火箭最大整流罩容积的1.8倍,与国外大型火箭整流罩尺寸规模处于同一水平。
三是从用途上看,长征五号火箭主要用于发射高轨大型卫星以及各类深空探测器,例如东方红五号平台卫星、嫦娥五号月球探测器、火星探测器等;长征五号B运载火箭则主要用于发射近地轨道的大型航天器及舱段例如空间站的核心舱和实验舱等。

大整流罩研制及分离技术

长征五号B运载火箭整流罩直径5.2m,长度20.5m,容积超过345m3,是我国目前有效载荷容积最大的火箭整流罩,从而能更好地满足空间站舱段发射任务需要,与国外大型火箭整流罩尺寸规模处于同一水平。

重磅 | 长征五号B运载火箭及其发射服务展望转运中的长征五号B运载火箭整流罩

整流罩由端头、锥段、组合前柱段、后柱段和转接框组成。为了改善气动特性,整流罩锥段采用流线型的冯·卡门曲线外形,可以更好地减小空气阻力,减轻载荷影响。同时整流罩分离采用了旋转式分离方案,确保超大整流罩可以安全、可靠地实现分离。

为突破20.5m整流罩分离关键技术,研制团队按照理论和试验2个大方向开展了技术攻关工作。通过研究弹性整流罩在分离过程中能量占比关系和分离运动特性,突破了大型整流罩弹性、气动情况下的仿真技术,实现了整流罩分离系统在飞行、地面试验的高精度理论预示;通过开展3次整流罩分离试验,有效验证了分离系统设计的正确性和系统间接口的协调性,验证了分离系统对于故障模式的适应性。

另外,长征五号B运载火箭整流罩部位的气动加热作用也更明显,特别是安装在整流罩附近的火工品所处的环境也更热了,对火工品提出了新的考验。为此,专门开展了相关分析研究和试验工作。

大推力直接入轨偏差精确控制技术

为了满足入轨点精度要求,长征五号B运载火箭采用惯性和卫星组合导航、摄动和迭代接力制导的方案。为简化设计,长征五号B运载火箭没有单独的调姿和末速修正系统,而是利用一级火箭直接将有效载荷送入预定轨道。在一级发动机关机时,约140t的推力在几秒钟之内消失,相当于一辆高速行驶的火车突然“刹车”,还要稳稳停靠在指定位置。为了满足入轨精度、分离安全等方面的更高要求,研制团队开展了入轨姿态控制、入轨精度控制、分离安全控制等方面的技术攻关。

发动机研制团队开展了一级发动机推力后效及偏差的精确计算分析工作。通过对发动机地面试验中获取的起动段和关机段推力、流量数据的再分析,准确预估了外界干扰因素对真空推力、液氧泵流量、液氢泵流量的影响。

在此基础上,总体和控制系统研制团队提出联合仿真的研制模式,通过弹道、导航制导与姿态控制联合仿真,打通专业之间的仿真设计流程,降低了传统方法中各种假设条件所带来的保守性。

研制团队通过采用姿态控制增益优化和复合制导方法,提高了火箭姿态控制精度,降低了制导误差对精度的影响,使火箭在分离时处于最佳“姿态”和最准位置。同时,增加设置了反推火箭,使火箭一级箭体可以及时避开飞船运行的轨道面,提高了船箭分离的安全裕度。

大直径船箭连接分离技术

船箭分离时,长征五号B运载火箭一级入轨结构和新飞船结构质量都比较大,新飞船和一级火箭入轨的质量均为约22t。这一量级的船箭连接及分离国内尚属首次。而且新飞船与长征五号B运载火箭采用直径为4100mm的大接口尺寸,对船箭连接解锁装置、分离能源提出了更高的要求。在保证可靠分离的同时,同样需要考虑降低分离冲击对新飞船的影响。

重磅 | 长征五号B运载火箭及其发射服务展望整流罩地面分离试验

研制团队克服重重困难,先后攻克了高可靠性船箭连接解锁装置研制、分离能源设计选型与布局分析、船箭分离远/近场安全性计算预示、分离冲击响应衰减设计等难题,并开展了船箭解锁装置静力试验、船箭连接解锁试验、分离冲击响应测量及衰减设计验证试验等进行性能考核,攻克大直径星箭连接分离设计关键技术。

为降低船箭分离界面的冲击环境,研制团队开展了降低船箭界面冲击环境的攻关,经理论分析、方案设计、仿真分析及爆炸分离冲击测试,在多种方案中优选出了带阻尼器的降冲击框方案,船箭界面冲击量级降至原冲击量级的 1/3,满足船箭界面环境条件要求。

4. 发射服务展望

长征五号B运载火箭首飞成功,将我国运载火箭的近地轨道运载能力提升到22t以上,近地轨道运载能力、运载效率在我国均处于最高水平,在世界上也位居前列,为我国空间站工程的顺利实施奠定了坚实基础。

长征五号B运载火箭首飞任务完成技术方案验证后,从2021年起,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。

长征五B运载火箭运载能力大,未来主要执行大吨位空间站舱段的发射任务,远期还可执行大型光学遥感卫星、移动通信卫星星座等载荷的发射任务。

长征五号B运载火箭也可以结合每发任务的实际情况,利用富余的部分运载能力进行商业搭载发射,或者与“远征”系列上面级搭配,进行“一箭多星”的商业发射和部署。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注