高一鳴 付毅飛

2020年5月5日，由中國航天科技集團(tuán)一院抓總研制的長征五號(hào)B運(yùn)載火箭在中國文昌航天發(fā)射場(chǎng)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20噸的航天器，進(jìn)一步奠定了長征五號(hào)系列運(yùn)載火箭在世界現(xiàn)役火箭運(yùn)載能力第一梯隊(duì)中的地位。

長征五號(hào)B運(yùn)載火箭以長征五號(hào)運(yùn)載火箭為基礎(chǔ)改進(jìn)研制而成，主要承擔(dān)著我國空間站艙段等重大航天發(fā)射任務(wù)?；蛟S有讀者會(huì)問，這哥倆有何不同，長征五號(hào)B運(yùn)載火箭是怎樣將這么重的飛船送上天的？中國航天科技集團(tuán)相關(guān)人士給出了答案。

“長五”哥倆使命不同

從外觀上看，長征五號(hào)B運(yùn)載火箭“身高”近54米，相當(dāng)于18層樓高，芯級(jí)直徑5米，近850噸重。與長征五號(hào)運(yùn)載火箭相比，它的“腰圍”一樣，輕20噸，個(gè)子矮了大約3米。這是因?yàn)樗乳L征五號(hào)運(yùn)載火箭少了芯二級(jí)和級(jí)間段，只有一個(gè)芯級(jí)配備4個(gè)助推器，是我國首型“一級(jí)半”火箭。

不過長征五號(hào)B運(yùn)載火箭的整流罩比長征五號(hào)運(yùn)載火箭大多了，長度超過20米，足以把十多米長、4米多粗的空間站核心艙裝進(jìn)去。

除了外觀和構(gòu)型，這哥倆還各有所長。長征五號(hào)運(yùn)載火箭擅于跑長途，運(yùn)送目的地包括大約3萬6千公里外的地球同步軌道、38萬公里外的月球，以及最近距離也有5千萬公里的火星。長征五號(hào)B運(yùn)載火箭則專注于高度200～400公里的近地軌道，這是我國空間站建設(shè)的主戰(zhàn)場(chǎng)，后續(xù)空間站核心艙等主要艙段都要由長征五號(hào)B運(yùn)載火箭送上天。

長征五號(hào)B運(yùn)載火箭能憑借一級(jí)半構(gòu)型把重磅航天器送入太空，得益于采用了氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的芯一級(jí)，能夠與使用液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的助推器合理搭配。其中芯一級(jí)的兩臺(tái)大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，憑借傲視群雄的比沖（用于衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能，可以理解為汽車的“百公里油耗”），直接影響著航天器的最終入軌。

由于長征五號(hào)B運(yùn)載火箭所承擔(dān)任務(wù)的特殊性，對(duì)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)提出了極高要求。載人空間站工程的交會(huì)對(duì)接等任務(wù)，好比在太空“穿針引線”，時(shí)間有絲毫誤差，都可能讓對(duì)接雙方失之交臂，不得不耗費(fèi)很大代價(jià)調(diào)整軌道。這要求運(yùn)載火箭的發(fā)射時(shí)間“分秒不差”，也就是所謂的“零窗口”發(fā)射。長征五號(hào)B運(yùn)載火箭所用的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，必須確保發(fā)射前工作環(huán)環(huán)相扣、步步流暢，才能不耽誤發(fā)射窗口。

另外，長征五號(hào)B運(yùn)載火箭的加速度比長征五號(hào)運(yùn)載火箭更快，但在助推器分離后，火箭加速度又會(huì)瞬間達(dá)到最低。中國航天科技集團(tuán)六院長征五號(hào)運(yùn)載火箭副總設(shè)計(jì)師王維彬表示，發(fā)動(dòng)機(jī)入口面對(duì)大起大落的壓力，會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定、可靠工作帶來巨大挑戰(zhàn)。氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制隊(duì)伍開展了大量研究改進(jìn)與試驗(yàn)驗(yàn)證，逐一攻克難點(diǎn)，進(jìn)一步提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性和穩(wěn)定性。

運(yùn)送載荷入軌

如同用大刀刻“微雕”

采用多級(jí)火箭執(zhí)行發(fā)射任務(wù)時(shí)，都是用推力很小的末級(jí)火箭將衛(wèi)星送到預(yù)定軌道，再輔以推力更小的姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)，更容易在航天器入軌前對(duì)位置與姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)，從而確保精確入軌。

而只有一級(jí)半的長征五號(hào)B運(yùn)載火箭，要用2臺(tái)大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)直接運(yùn)送載荷入軌，就像用大刀刻“微雕”，力道極難掌握，給精準(zhǔn)入軌帶來了巨大挑戰(zhàn)。

同時(shí)，大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)后，還會(huì)產(chǎn)生“后效”，就如同燃?xì)庠铌P(guān)閉后的“余火”，也會(huì)對(duì)入軌精度造成影響。這需要確保發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定，并在發(fā)動(dòng)機(jī)研制時(shí)就盡可能算出“后效”的預(yù)測(cè)值，控制系統(tǒng)也必須將所有可能產(chǎn)生的誤差考慮進(jìn)去。

中國航天科技集團(tuán)一院長征五號(hào)運(yùn)載火箭副總設(shè)計(jì)師李學(xué)鋒介紹，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)“后效”等不確定因素，研制團(tuán)隊(duì)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(jì)的可靠性?！按虬小睂?shí)驗(yàn)證明，即便預(yù)測(cè)的“后效”與實(shí)際情況有所出入，控制系統(tǒng)也能確保火箭精確入軌。

而控制系統(tǒng)研制隊(duì)伍早在長征五號(hào)系列火箭研制之初，就統(tǒng)籌考慮了長征五號(hào)運(yùn)載火箭和長征五號(hào)B運(yùn)載火箭的任務(wù)特點(diǎn)。控制系統(tǒng)的硬件可以通用，已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化;軟件也無需大改，就能適應(yīng)兩者不同的飛行任務(wù)。

在火箭總體彈道設(shè)計(jì)上，科技人員也充分考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)“后效”的影響，基于發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)試車的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)一步優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案。

多項(xiàng)瘦身舉措收益可觀

對(duì)于多級(jí)火箭來說，芯一級(jí)、助推器減重，對(duì)提高運(yùn)載能力的影響并不明顯。而對(duì)于一級(jí)半入軌的長征五號(hào)B運(yùn)載火箭來說，芯一級(jí)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。減重收益相當(dāng)可觀。

長征五號(hào)B運(yùn)載火箭的芯一級(jí)尾段位于箭體最后，不僅是發(fā)動(dòng)機(jī)艙，當(dāng)火箭豎立在發(fā)射臺(tái)上時(shí)還能起到支撐作用。此前長征五號(hào)運(yùn)載火箭的尾段，采用的是組合梁結(jié)合分瓣玻璃鋼底板的結(jié)構(gòu)方案。而在長征五號(hào)B運(yùn)載火箭研制中，中國航天科技集團(tuán)一院703所把大直徑大厚度碳纖維復(fù)合材料“3+2”蜂窩夾層結(jié)構(gòu)整體成型技術(shù)用在了一級(jí)尾段的壁板和防熱板結(jié)構(gòu)成型中，實(shí)現(xiàn)減重約400公斤。

該火箭助推器的減重也頗具特色。據(jù)中國航天科技集團(tuán)八院長五系列項(xiàng)目辦主任張修科介紹，長征五號(hào)運(yùn)載火箭的助推器如同4位壯漢，分別用“單肩”扛著芯級(jí)，這對(duì)“肩膀”的結(jié)構(gòu)提出了很高要求。而在長征五號(hào)B運(yùn)載火箭身上，研制團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新運(yùn)用杠桿原理等，在捆綁點(diǎn)、助推器頭錐中裝上了4根“扁擔(dān)”，變“單肩扛”為“雙肩挑”，分散了受力。同時(shí)輔以先進(jìn)的結(jié)構(gòu)計(jì)算方式，綜合改進(jìn)頭錐的結(jié)構(gòu)，減重效果明顯。助推器頭錐、氣瓶等方面的改進(jìn)，共減重了約600公斤。

筆者了解到，長征五號(hào)B運(yùn)載火箭上采取的許多減重措施，未來也將應(yīng)用在長征五號(hào)運(yùn)載火箭上。