中國航天舞臺的擎天柱—中國新一代大型運載火箭長征-5首飛在即

李東 王玨 李國愛 牟宇 李平岐　(中國運載火箭技術研究院)

中國航天舞臺的擎天柱—中國新一代大型運載火箭長征-5首飛在即

李東 王玨 李國愛 牟宇 李平岐(中國運載火箭技術研究院)

我國新一代大型運載火箭長征-5即將于2016年11月初首飛。長征-5火箭實現多項技術創新，運載能力比現役火箭提高2倍多，綜合性能處于國際先進水平。

1　新一代大型運載火箭的研制歷程

研制背景

中國航天經過60年的發展，形成了具有獨立知識產權的“長征”家族系列火箭，建立了完整的運載火箭設計、制造、試驗、組織體系、基礎設施。截至2016年10月18日，已經完成了237次發射，特別是“十二五”期間，共進行了86次發射，將138顆衛星送入軌道，成功率達97.7%。中國航天技術含量較高，打破了歐美壟斷，進入了國際商業衛星發射服務市場，實現整星出口、在軌交付，總體技術性能接近或達到國際一流水平。

面向21世紀，世界主要航天強國均推出了新一代大型運載火箭，如美國宇宙神-5（Atlas-5）、德爾他-4（Delta-4）和歐洲阿里安-5（Ariane-5）等。中國運載火箭在運載能力等方面與國外同類火箭相比有一定差異，為了滿足載人空間站、探月工程三期、火星探測工程、二代導航等重大航天工程任務需求，研制新一代大型運載火箭已是迫在眉睫，以全面提升中國運載火箭的整體技術水平，提高運載能力、可靠性、安全性、適應性、環境友好性，達到國際先進水平。

研制過程

早在20世紀80年代，中國第一代運載火箭系列正在逐步形成和發展階段，中國航天的決策者和工作人員就已經開始醞釀和規劃中國的新一代運載火箭，從1986年開始，在國家的支持下，先后開展了長達20年的新一代運載火箭方案論證工作，先后完成了新一代運載火箭論證、液氧/煤油與氫氧兩種大推力火箭發動機關鍵技術研究、新一代運載火箭技術發展途徑和總體初步方案研究、型號預先研究工作及工程研制立項準備、預發展階段關鍵技術研究等一系列論證研究工作。配套的兩型主動力發動機，即120噸級液氧/煤油發動機和50噸級氫氧發動機分別于2000年和2001年立項，開始了工程研制工作。

2006年，新一代運載火箭工程正式立項，航天人歷時10年，譜寫了一曲中國新一代大型運載火箭研制的激昂篇章。長征-5（CZ-5）運載火箭是我國新一代運載火箭中第一個立項研制的型號，它以大幅提升我國進入空間的能力為研制目標，按照系列化、組合化、模塊化思想設計，采用5m直徑箭體結構、無毒無污染的液氧/煤油和液氫/液氧推進系統、全新高可靠電氣系統、以“新三垂”為代表的全新測試發射模式，將我國大型運載火箭低地球軌道（LEO）、地球同步轉移軌道（GTO）運載能力分別提升至25噸級和14噸級，使我國火箭的運載能力提高了2倍多，火箭整體性能和總體技術達到國際先進水平，為中國航天進入更大的舞臺提供了堅實基礎。

在長征-5火箭研制過程中，攻克了大量技術難題，促進了中國航天整體進步，牽引了新一代中型、小型運載火箭研制，推動了新一代運載火箭產業化基地、新一代大推力發動機研制基地、海南文昌航天發射場等配套設施的建設，是我國由航天大國向航天強國邁進的重要支撐和顯著標志之一。長征-5火箭經過10年研制，累計開展試驗約2058項，總計超過7000余次各種地面試驗，按計劃將于2016年11月進行首次飛行試驗。

長征-5火箭可為探月工程三期、空間站工程核心艙及實驗艙、二代導航二期工程、火星探測等國家重大工程任務提供高性能、高可靠的運載工具，主要適應LEO、GTO、地月轉移軌道（LTO）、太陽同步軌道（SSO）等對運載能力、衛星整流罩包絡需求更大的工程任務，大力推動航天運輸系統的發展，為載人登月等未來國家重大戰略發展項目提供堅實的基礎，同時為中國航天的發展在多方面開創新的發展空間。其GTO和LEO運載能力還有進一步提升的潛力，適應運載能力更大的工程任務需求。

2　長征-5火箭的技術創新

長征-5火箭從增強進入空間能力的角度出發，瞄準中國航天發展現實而迫切的需求，采用兩級5m直徑芯級，捆綁4個3.35m直徑助推器，全箭總長約56.97m，起飛質量約879t，起飛推力約1078t，使我國運載火箭的規模實現從中型到大型的跨越，LEO、GTO運載能力分別達到25噸級、14噸級，達到或超過國外主流大型火箭，火箭總體和分系統技術達到國際先進水平，可靠性、適應性、安全性大幅提高。

助推器斜頭錐

為了實現各項性能指標的國際先進性，長征-5火箭全面突破以12項重大關鍵技術為代表的247項關鍵技術。這12項關鍵技術包括∶總體優化設計及環境預示技術；5m大直徑箭體結構設計、制造與試驗技術；采用循環預冷技術的低溫增壓輸送系統及新型閥門技術；助推器發動機擺動及前支點傳力大型液體運載火箭姿態控制技術；大型低溫火箭的蹺振（POGO）抑制技術；120噸級高壓補燃液氧/煤油發動機技術；50噸級大推力液氫/液氧發動機技術；9噸級推力液氫/液氧發動機技術；采用總線技術的系統級冗余控制技術；采用高壓煤油和氫氣為能源的高可靠伺服機構技術；10Mbit/s高碼速率遙測數據傳輸與數據綜合技術；大型活動發射平臺設計、試驗技術。

這些關鍵技術均是我國運載火箭研制史上首次遇到的重大、核心關鍵技術，在世界運載火箭中也屬高難問題。在研制中，火箭人創造性地提出多項全新技術方案、刻苦攻關，全面掌握了這些全新技術，核心技術具有完全的自主知識產權，不但確保了火箭運載能力目標和其他設計指標的實現，使我國運載火箭的技術水平在現役“長征”火箭的基礎上有了多項重大突破，也使中國運載火箭的整體技術水平向前邁進了一大步。

提升運載能力

（1）系列化、組合化設計思想

新一代大型運載火箭為了兼顧多種構型，按照系列化、組合化思想進行設計，首次實現了6種構型同時開展總體設計，在我國運載火箭研制史上首次將先進的產品化思想成功應用到技術設計、基礎建設、工裝制備等各個方面，成功解決了6種構型同時優化與設計的難題，突破了大量新型運載火箭的核心關鍵技術，不但確保了長征-5火箭成功研制，還牽引出了以長征-5火箭的核心技術為基礎的我國新一代中型、小型運載火箭的若干構型，目前這些構型火箭已經研制成功，同時為我國未來重型火箭奠定了堅實的技術基礎。

（2）采用大直徑薄殼箭體結構

全箭大量采用精細化的結構設計思想，運載能力系數大大提高。長征-5火箭首次采用5m直徑大型箭體結構，設計、制造、試驗難度大，是實現運載能力重大跨越的基礎。通過研制攻關，成功生產了我國最大的5m直徑貯箱高精度全自動大型焊接設備，實現了攪拌磨擦焊技術在火箭貯箱生產中首次應用，制造出難度極大的直徑5m、長21m的大型液氫貯箱，是我國目前最大的運載火箭結構件。5m直徑貯箱采用工藝性好的三心球形底，取消了鎖底焊結構，工藝性、可制造性大大提高。采用液氮進行低溫貯箱的地面內壓試驗，改進貯箱液壓試驗技術，大幅減輕結構質量。采用助推器斜頭錐薄殼結構，解決了400t偏置大集中力載荷擴散以及局部大彎矩載荷下捆綁點變形控制等難題，突破前捆綁傳力的結構設計技術，使我國掌握了捆綁火箭有效提高運載能力的技術手段，達到國際先進水平。

（3）采用液氫/液氧、液氧/煤油兩種動力組合

動力系統優化組合是提高運載能力的重要手段。在新一代大型運載火箭論證階段，從1000多種方案中篩選出幾種比較可行的方案∶助推器采用液氧/煤油+芯級采用液氫/液氧、助推器采用四氧化二氮/偏二甲肼+芯級采用液氫/液氧、全氫氧、全液氧/煤油。助推器工作時間相對較短，適宜采用推力大、推進劑密度大的液氧/煤油動力系統，使發動機的密度比沖增加；芯一級、芯二級工作時間長，分別是一級半構型和二級半構型的入軌級，適宜采用高比沖的氫氧動力系統。通過綜合對比分析，決定采用液氫/液氧、液氧/煤油兩種動力組合方案，火箭規模最小，使用的發動機臺數最少，從而可以有效提高運載能力與運載效率，是最合理的方案。

大尺寸柔性整流罩分離試驗

長征-5采用的3種新型主發動機均采用無毒無污染的推進技術，其中120t液氧/煤油發動機推力大、比沖高，已成為我國新一代運載火箭各個不同構型火箭共用的基礎動力裝置；50噸級液氫/液氧發動機是我國推力最大的氫氧發動機；9噸級膨脹循環的液氫/液氧發動機可以大大提高發動機的自身可靠性，為我國首創。三型新型發動機的研制，使我國運載推進技術水平大幅提高。

提高可靠性

（1）模塊化設計思想

長征-5火箭采用模塊化的設計思想，通過5m、3.35m、2.25m直徑的3個模塊和芯二級的不同組合，構成芯級5m直徑的新一代大型運載火箭系列6個構型，在新一代大型運載火箭基礎上衍生出新一代中型、小型運載火箭。采用模塊化的設計思想可以實現技術共用，提高可靠性，節省成本，縮短研制周期。

長征-5火箭LEO任務采用一級半構型火箭直接入軌，GTO任務采用兩級半構型火箭直接入軌。與現役火箭相比，減少火箭級數，減少發動機臺數，減少分離次數，提高了火箭飛行可靠性。

（2）提高系統與單機的設計可靠性

長征-5火箭設計可靠性按照0.98（置信度0.7）給各系統進行分配，各系統大量采用了冗余、裕度等設計手段，提高設計可靠性。火箭的級間、整流罩和助推器分離大量采用線性分離或者大載荷分離裝置，在承載裕度、起爆裕度和分離裕度等方面均取得了多項重大技術突破。

增壓輸送系統采用循環預冷技術及新型閥門技術，使我國運載火箭的動力輸送系統的技術水平、可靠性、冗余度等均大大提高，達到國際先進水平；采用大型低溫火箭的蹺振抑制技術，解決了我國運載火箭首次面臨的低溫火箭縱向耦合問題，成功制定了新的穩定性準則，采用全新的蓄壓器技術，技術水平全面提升。

控制系統采用基于總線技術的系統級冗余技術，是我國運載火箭研制史上第一次全面采用系統級冗余技術，核心控制儀器均三取二冗余，成功解決了冗余判斷、故障隔離等技術，使長征-5控制系統的技術水平、可靠性處于國際先進水平。

測量系統采用10Mbit/s高碼速率遙測數據傳輸與綜合技術，成功解決了我國首次在沿海發射場無法實現傳統磁記錄器陸上回收后大容量數據的無線傳輸問題，采用遙測高碼速率傳輸、箭上可視圖像傳輸、天基測控與地基測控融合等技術，使我國運載火箭遙測技術水平大幅提升，處于國際先進水平。

伺服系統采用高壓煤油和氫氣為動力的高可靠伺服技術，功率大、質量輕、可靠性高，達到國內領先、國際先進水平。

（3）加強可靠性設計管理

在研制初期，型號隊伍進行了我國運載火箭研制史上首次全壽命、全要素的研制策劃工作，對型號研制的技術、經濟、進度、風險管控、保障條件等全要素進行全面的綜合分析和評價，形成完整的研制策劃，為新型運載火箭研制這類復雜系統工程的管理開創了新的工作模式。

完成了全箭故障模式及影響分析（FMEA）、單點失效分析、飛行事件鏈分析和可靠性預示、可靠性定量評估等工作，從設計源頭抓好可靠性工作，形成并完善了一系列可靠性設計與管理、項目組織與管理的新方法、新標準。火箭研制過程中開展了多輪風險識別、分析與控制工作，充分辨識出了火箭研制中的風險項目，并通過地面試驗進行消除和控制。

首次在型號研制中全面推進先進的數字化設計手段，引進三維數字化設計工具，構建了我國運載火箭研制歷史上第一個全三維數字火箭，開創了火箭型號數字化研制的先河。實現了數字化模裝替代實物模裝，完成了型號數字化設計、數字化分析、數字化試驗的三大數字化工作，大大縮短了研制周期、節約了研制經費。

3　結束語

航天運載工具是一個國家進入空間的主要手段，是和平利用空間及軍事爭奪占領空間的基本條件和前題。目前長征-5火箭已經在海南發射場完成火箭垂直總裝和測試，火箭狀態正常，預計于2016年11月擇機發射。

“中國火箭的運載能力有多大，中國航天的舞臺就有多大”，長征-5火箭將擔負起歷史的使命，運載能力比現役火箭提高2倍多，實現我國火箭運載能力的大幅度跨越，綜合性能處于國際先進水平，為我國后續開展載人空間站、探月工程三期、火星探測、二代導航等國家重大航天工程任務提供高可靠、低成本、無毒無污染、適應性強、安全性好、運載能力大的先進運載工具。

New Generation of China's Large-scale Launch Vehicle CZ-5 Is Going to Be Launched for the First Time