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刚首飞成功的长五B有哪些”黑科技”?十组问题了解它

胖五又上天!长五B火箭近地轨道运载能力大于22吨

据中国载人航天工程办公室消息,2020年5月5日,为我国载人空间站工程研制的长征五号B(以下简称“长五B”)运载火箭,搭载新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱,在文昌航天发射场点火升空,载荷组合体被送入预定轨道,首飞任务取得圆满成功,实现空间站阶段飞行任务首战告捷,拉开我国载人航天工程“第三步”任务序幕。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“胖五”家族在世界现役火箭第一梯队中的地位。《环球时报》记者带你通过十组问题来了解这位实力非凡的“胖五”家族新成员。

1、为何要研制长五B?未来用途是什么?

长征五号B运载火箭是由中国研制的新一代大型液体运载火箭,为一级半火箭,芯级采用5米直径,捆绑4个3.35米直径的助推器,全箭长约53.66米,起飞质量约849吨,起飞推力约1068吨 ,近地轨道(近地点200公里,远地点400公里,轨道倾角约42°)运载能力22吨级。

胖五又上天!长五B火箭近地轨道运载能力大于22吨

长征五号B运载火箭是专门为载人航天工程空间站建设研制的一型新型运载火箭。长征五号B运载火箭首飞任务将搭载新一代载人飞船开展试验验证。完成技术方案验证后,长征五号B遥二至遥四任务将先后完成空间站三个舱段的发射任务。

2、长征五号B和长征五号相比,有哪些异同?

长征五号运载火箭与长征五号B运载火箭同属长征五号火箭系列,两型火箭共享5米大直径箭体结构研制、大推力液氧液氢发动机技术、大推力液氧煤油发动机技术、大型活动发射平台技术、系统级冗余控制技术等关键技术,但两型火箭在设计、用途等方面存在很多不同。

从构型上看,长征五号运载火箭采用两级半构型,由芯一级+助推器+芯二级+整流罩组成;长征五号B运载火箭采用一级半构型,由芯一级+助推器+整流罩组成。

从外观上看,长征五号B运载火箭与长征五号运载火箭的最大区别在于整流罩,长征五号运载火箭的整流罩长度大约12.3米,而长征五号B火箭的整流罩长度达到了20.5米,是我国目前最大的火箭整流罩。

从用途上看,长征五号运载火箭一般用于发射高轨道的大型卫星以及各类深空探测器,例如实践二十号卫星、嫦娥五号月球探测器、火星探测器等;长征五号B运载火箭主要用于发射近地轨道的大型卫星及飞船,例如载人空间站的核心舱和实验舱等。

从运载能力上看,长征五号火箭地球同步转移轨道(GT0)运载能力约为14吨,长征五号B火箭近地轨道(LEO)运载能力约为22吨。

3、长五B是一个一级半火箭,比长五少一个二级,是否意味着研制难度大大降低?

长征五号B与长征五号是同属一个火箭系列的不同构型,做“减法”的说法并不贴切,长征五号B火箭与长征五号火箭共享了芯一级和助推器的大部分关键技术,减少了一部分研制工作量,但是从研制难度上看,长五B这种一级半构型的火箭,在我们国家尚属首次,涉及到一些独有的技术特点,也是研制工作的重点和难点。

长征五号B与长征五号相比,是国内首次将一级火箭作为末级使用,不增加姿态调整和速度修正,直接将有效载荷送入轨道。在一级发动机关机时,约140吨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,然后让“乘客”顺利下车。为此研制队伍攻克了“大推力直接入轨”关键技术,满足了有效载荷对姿态控制和制导精度控制的指标。

长征五号B与长征五号相比,变“轻”了,飞得更“快”,飞行时的过载变大了,对箭上设备环境耐受能力提出了新考验。

4、从外观上看,长五B个子比长五矮一点,但“头部”比长五要大了许多,为什么要做这么大的整流罩?

长征五号B与长征五号相比,“脑袋”变“大”了,长征五号运载火箭的整流罩长度大约12.3米,而长征五号B火箭的整流罩长度达到了20.5米,是我国现役运载火箭采用的尺寸规模最大的整流罩,是为了发射载人航天工程空间站核心舱和实验舱而专门设计的,可以说是“私人订制”。整流罩由端头、冯卡门锥段、组合前柱段、后柱段和转接框组成,整流罩的可靠分离成为摆在研制人员面前的一关。研制人员开展了分多次仿真分析、分离试验,采用弹性整流罩分离仿真技术、大型整流罩地面分离试验技术,解决了这个难题。另外,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,对火工品提出新的考验,为此专门开展了相关分析研究和试验工作。

5、相比于现役其他型号火箭,长五B有哪些“黑科技”?

超长整流罩研制。长征五号B火箭整流罩采用流线型的冯×卡门曲线外形,可以更好的减小空气阻力,减轻载荷影响。作为我国长度最长、重量最重的整流罩,另一个技术难点在于如何做到安全可靠的分离。经过多方案比较,最终确定了采用旋转式分离方案,通过大量的仿真分析、预示,对整流罩分离方案进行评估,并多次开展了整流罩分离试验,有效验证了设计正确性和各系统接口协调性。

低温火箭“零窗口”发射技术。作为未来发射空间站核心舱和实验舱的火箭,空间站交会对接任务对长征五号B提出了“零窗口”发射的需求,发射时间精度误差要控制在1秒以内。为了做到“零窗口”发射,火箭各系统要确保在点火前一段时间就完成各项准备,以准备好的状态等待点火。由于低温推进剂加注后会不停的“蒸发”消耗,因此,发射准备好的状态并不是越早越好,而是要严格按照时间要求精准的完成。研制团队从系统发射可靠性提升和发射流程优化两个方面开展了工作。通过开展可靠性试验和分析工作,实现了关键系统可靠性提升;通过射前流程优化,进一步提高了各系统对于“零窗口”发射的适应性。

大直径舱箭分离技术。长征五号B火箭研制团队围绕降低和改善冲击环境开展了专题攻关,对多种降冲击方案进行比较和试验后,采用了“隔冲框+阻尼盒”的降冲击方案,并应用了“颗粒阻尼技术”。“颗粒阻尼技术”是一种新型振动被动控制技术,通过颗粒体和阻尼器构成一个耦合、封闭的非线性系统,依靠摩擦和非弹性碰撞,迅速地耗散动能,实现减振降噪的效果。经过试验验证,舱箭分离界面的分离得到有效改善,空间站舱段可以在“下车”过程中感受到火箭的“温柔”。

大推力直接入轨技术。为了确保精准、安全入轨,研制团队从入轨姿态控制、入轨精度控制、分离安全控制三个方面开展了攻关工作。通过采用姿态控制增益优化方法,提高了姿态控制精度;通过采用多方法联合的复合制导方案,有效降低了制导误差对精度造成的影响。同时,为了提高舱箭分离后的安全裕度,增加了2枚反推火箭,确保舱箭分离后,火箭一级箭体可以避开空间站舱段的轨道面。经过仿真分析、系统综合实验、半实物仿真试验等考核评估,大推力直接入轨精度控制和分离安全控制技术的有效性得到了验证。

6、长五系列火箭为何要型谱化发展?

长征五号系列火箭从设计之初,就按照“通用化、系列化、组合化”的设计思想开展设计。其发展思路可以概括为“一个系列、两种发动机、三个模块”,即首先研制5米直径基本型火箭,全面突破两种液氧煤油和氢氧发动机、三个模块及相关关键技术,形成研制5米直径系列火箭的能力,在近地轨道和地球同步转移轨道最大运载能力上与国际主流火箭接轨,进而带动我国其他新一代运载火箭发展,构筑新一代无毒、无污染运载火箭系列型谱,实现我国运载火箭的全面升级换代,并为下一步发展重型运载火箭奠定坚实的技术基础。

型谱化发展的可以有效节约研制成本,缩短研制周期,最大化利用研制场地和设备,提升产品质量,实现高质量、高效益、高效率的发展。以长征五号B火箭为例,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通用化的设计方案,长征五号B火箭在研制过程中不需要在开展相关研制试验;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,极大节约研制成本和研制周期。

7、研制长征五号B有哪些重大意义?

长征五号B火箭的运载能力是我国现役火箭中最大的,近地轨道运载能力达到22吨,使我国发射较大规模的航天器成为可能,比如空间站的各个舱段,重量达到20吨以上,只有长征五号B火箭能够发射。在此之前,我国近地轨道运载能力约为14吨(长征七号)。

长征五号B火箭的首飞成功,使我国大型运载火箭的技术水平进入世界第一梯队,与俄罗斯“质子-M”火箭、美国“猎鹰-9”火箭、“德尔塔IV”火箭、欧洲“阿丽亚娜-5”火箭的运载能力相当。同时,长征五号B火箭也是我国新一代运载火箭系列化发展的代表之一,将为后续重型运载火箭的研制提供重要技术积累。

8、未来空间站建设阶段,长五B和其他运载火箭如何分工?

在长征火箭家族中,共有三型火箭参与到我国载人空间站工程中,分别是长征二号F运载火箭、长征五号B运载火箭以及长征七号运载火箭。

长征五号B运载火箭主要完成载人空间站核心舱及两个实验舱的发射任务;长征七号运载火箭主要用于发射“天舟”货运飞船,为空间站和航天员运送物资;长征二号F运载火箭主要负责将航天员送入空间站。

9、长征五号系列火箭后续有哪些重大任务?

按照计划,2020年,长征五号系列火箭将执行3次发射任务,长征五号B首飞之后,长征五号火箭将发射我国首个火星探测器;长征五号火箭还将发射嫦娥五号月球探测器,实现月球采样返回。

10、文昌发射场此前发射长五的经验,对发射长五B有哪些帮助?

长征五号火箭与长征五号B火箭的一级和助推有很多共性的地方,在与发射场系统的协调匹配等方面,也有许多相同点,可以充分借鉴长征五号的发射经验。不过,长征五号B也有很多独特的地方。

此次任务是首次使用飞行箭执行发射场合练任务。按照任务要求,火箭先开展发射场合练,之后执行首飞任务:发射场合练为火箭研制阶段系统间大型地面试验,有效载荷为空间站系统核心舱试验件;首飞任务是火箭首次研制性飞行试验。在合练任务期间,必须要考虑到飞行箭产品的防护,特别是发射区高温高湿及盐雾环境对产品的影响。

长五B遥一火箭合练有效载荷和首飞有效载荷计划安排紧密,给对接和合罩工作带来较大挑战。通过积极协调相关单位确保了整体进度按照计划进行。

本文来源:环球时报-环球网