長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)理念全解讀

倪偉

專(zhuān)題—世界主要現(xiàn)役大火箭盤(pán)點(diǎn)

大國(guó)太空軍事博弈既需要各種衛(wèi)星，如導(dǎo)航衛(wèi)星、對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星、對(duì)海觀測(cè)衛(wèi)星、預(yù)警衛(wèi)星等，也需要人進(jìn)入太空。而這些都需要一項(xiàng)能力作為支撐—“進(jìn)入空間的能力”?？v觀人類(lèi)太空探索的歷史，人類(lèi)一直在克服一個(gè)難題，那就是把有效載荷從地面送到太空軌道上，這些有效載荷包括衛(wèi)星、空間站等硬件裝備，也包括人、植物等生命體。而大型運(yùn)載火箭正是為人類(lèi)提供這種“進(jìn)入空間的能力”的最有效手段，同時(shí)也是彰顯國(guó)力的最有力的說(shuō)明。

長(zhǎng)征五號(hào)完成總裝開(kāi)始轉(zhuǎn)運(yùn)

萬(wàn)丈高樓，起于設(shè)計(jì)。

長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)沒(méi)有太多經(jīng)驗(yàn)可以直接拿來(lái)，它是真正的跨代研制項(xiàng)目，是在一張白紙上重新畫(huà)下每一根線。

運(yùn)載火箭專(zhuān)家、中國(guó)工程院院士龍樂(lè)豪表示，長(zhǎng)征五號(hào)火箭是新一代運(yùn)載火箭的老祖宗。從這個(gè)意義上說(shuō)，在我國(guó)火箭發(fā)展史上，長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭與長(zhǎng)征二號(hào)運(yùn)載火箭有著相似的意義。長(zhǎng)征五號(hào)火箭啟動(dòng)研制是為了全面提升我國(guó)進(jìn)入空間的能力，而不是以發(fā)射某個(gè)特定載荷為目標(biāo)。

“以前是兩地之間需要一條路，于是就修這么一條路。而研制長(zhǎng)征五號(hào)火箭是修一條高速公路，把沿線地點(diǎn)都帶動(dòng)起來(lái)。”長(zhǎng)征五號(hào)火箭總設(shè)計(jì)師李東說(shuō)，這是設(shè)計(jì)理念上最重要的突破，表明了頂層決策的重大進(jìn)步。

從2006年10月到2009年2月，用時(shí)約29個(gè)月，長(zhǎng)征五號(hào)火箭在中國(guó)航天科技集團(tuán)公司設(shè)計(jì)師的計(jì)算機(jī)里逐漸成型。

“像一棵樹(shù)，慢慢長(zhǎng)，越來(lái)越清楚?！遍L(zhǎng)征五號(hào)火箭副總指揮曲以廣形容這一過(guò)程。

12項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，247項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，接近100%的技術(shù)創(chuàng)新，從設(shè)想逐步走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。高可靠性、低成本、無(wú)毒無(wú)污染、高適應(yīng)性、高安全性……長(zhǎng)征五號(hào)火箭躋身國(guó)際最先進(jìn)火箭之列，起步于設(shè)計(jì)理念的先進(jìn)。

大火箭之大

“實(shí)現(xiàn)大運(yùn)載能力，一靠大發(fā)動(dòng)機(jī)，二靠大結(jié)構(gòu)?！崩顤|說(shuō)，火箭要么“長(zhǎng)高”，要么“長(zhǎng)胖”，太高就變得細(xì)長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱。所以，大直徑變成了必須突破的屏障。

設(shè)計(jì)師的難題在于，不僅要大，還要輕。與其他工業(yè)產(chǎn)品相比，設(shè)計(jì)火箭最關(guān)鍵的約束就是重量。

好鋼用在刀刃上，火箭設(shè)計(jì)師將重量一邊省給燃料，一邊省給載荷，箭體自身則越輕越好。這一主題貫穿設(shè)計(jì)始終。

長(zhǎng)征五號(hào)火箭副總設(shè)計(jì)師婁路亮回憶，為了給箭體減重，設(shè)計(jì)師曾經(jīng)歷過(guò)壓力相當(dāng)大的一段時(shí)間。通過(guò)智能減載、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、更換材料、創(chuàng)新工藝等措施，他們最終成功為火箭減重?！斑^(guò)程當(dāng)中，我們大膽趟出了很多前人沒(méi)有走過(guò)的路?！?/p>

長(zhǎng)征五號(hào)火箭的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，是從總體優(yōu)化開(kāi)始的。

研制之初，長(zhǎng)征五號(hào)火箭就確定了系列化、組合化、模塊化的研制思路，力爭(zhēng)以最小的投入得到最大的產(chǎn)出。

長(zhǎng)征五號(hào)研制帶動(dòng)的大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、控制系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)冗余等，已經(jīng)被新一代運(yùn)載火箭所共享。按照系列化思想，長(zhǎng)征五號(hào)同時(shí)開(kāi)展了6種構(gòu)型的總體設(shè)計(jì)，從低軌道到高軌道的運(yùn)載能力實(shí)現(xiàn)全覆蓋。

最初設(shè)計(jì)時(shí)，包含5米直徑芯級(jí)、3.35米直徑助推器、2.25米直徑助推器幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊，以不同的組裝方式可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)載能力。

當(dāng)年統(tǒng)稱(chēng)為長(zhǎng)征五號(hào)火箭的6種構(gòu)型中，后來(lái)分出了長(zhǎng)征六號(hào)和長(zhǎng)征七號(hào)，并早于長(zhǎng)征五號(hào)訪問(wèn)太空。像一棵樹(shù)，慢慢長(zhǎng)，枝葉越來(lái)越繁茂。

大火箭之力

大，太大，當(dāng)然是長(zhǎng)征五號(hào)火箭與其他長(zhǎng)征火箭相比最重要的外形特征。除了這一點(diǎn)，最明顯的差異當(dāng)屬助推器的斜頭錐。斜頭錐有著優(yōu)異的氣動(dòng)外形，是減少空氣阻力的不二之選。

但助推器設(shè)計(jì)的高超之處，遠(yuǎn)不止如此。

研制之初，長(zhǎng)征五號(hào)火箭總體與助推器分系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間聯(lián)合論證，最終定下包括斜頭錐、前捆綁主傳力、助推主支撐等全新技術(shù)在內(nèi)的助推器方案。當(dāng)時(shí)歐洲“阿麗亞娜”-5火箭已經(jīng)使用了這些技術(shù)，但大量關(guān)鍵技術(shù)在國(guó)內(nèi)還是空白。

斜頭錐和前捆綁傳力，使得助推器從內(nèi)而外成為一個(gè)非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。箭體非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)比對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。

長(zhǎng)征五號(hào)火箭副總指揮兼副總設(shè)計(jì)師鮑國(guó)苗說(shuō)，一個(gè)長(zhǎng)征五號(hào)助推器的研制難度，不亞于其他常規(guī)火箭的芯級(jí)。

最終，助推器研制時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10年，“小小的”斜頭錐也經(jīng)歷了六七年才定型。

助推器設(shè)計(jì)的唯一宗旨，就是在起飛時(shí)提供足夠大的推力，克服地球引力。以往的長(zhǎng)征火箭，助推器依靠接近尾部的后捆綁點(diǎn)向芯級(jí)傳力，實(shí)現(xiàn)較為容易，但效率不及前捆綁點(diǎn)傳力。采用前捆綁點(diǎn)傳力，還可以為芯級(jí)減輕負(fù)擔(dān)，將節(jié)省下來(lái)的重量用于載荷與燃料。長(zhǎng)征五號(hào)火箭果斷選擇了前捆綁主傳力方案。

長(zhǎng)征五號(hào)火箭豎立時(shí)，依靠4個(gè)助推器底部共12個(gè)支撐點(diǎn)“踮腳”站立。所以在發(fā)射瞬間，每個(gè)助推器需要將底部3個(gè)支撐點(diǎn)的推力最高效地傳送到頭錐內(nèi)側(cè)的那個(gè)前捆綁點(diǎn)上，帶動(dòng)火箭起飛。助推器內(nèi)部的力“先擴(kuò)后收”，軌跡復(fù)雜，設(shè)計(jì)更復(fù)雜。

鮑國(guó)苗說(shuō)：“這種偏置集中力的計(jì)算，在仿真和試驗(yàn)時(shí)難度極大。”

難度到底多大？當(dāng)他們將數(shù)字仿真計(jì)算的任務(wù)交給國(guó)內(nèi)實(shí)力最強(qiáng)的高校時(shí)，對(duì)方起初坦言難以勝任。

可以說(shuō)，長(zhǎng)征五號(hào)火箭帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)大偏置力設(shè)計(jì)、仿真與試驗(yàn)?zāi)芰Φ拇罂缍冗M(jìn)步。

我國(guó)首枚大型運(yùn)載火箭長(zhǎng)征五號(hào)在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)成功升空

大火箭之智

由箭載計(jì)算機(jī)、傳感器、線纜等組成的控制系統(tǒng)，遍布火箭全身，源源不斷傳輸著龐大的數(shù)據(jù)，并迅速計(jì)算出結(jié)果，指揮火箭向哪飛、怎么飛。

“簡(jiǎn)潔、智慧、靠譜，是長(zhǎng)征五號(hào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，也是最明顯的優(yōu)點(diǎn)。”長(zhǎng)征五號(hào)火箭副總設(shè)計(jì)師李學(xué)鋒說(shuō)。

長(zhǎng)征五號(hào)火箭控制系統(tǒng)采取了大量首創(chuàng)的控制策略，突破了26 項(xiàng)重大關(guān)鍵技術(shù)，綜合性能指標(biāo)達(dá)到全球先進(jìn)水平。

火箭飛行時(shí)，要實(shí)時(shí)控制飛行姿態(tài)，保證不偏航，尤其是在飛越大風(fēng)區(qū)時(shí)，要避開(kāi)對(duì)箭體結(jié)構(gòu)造成的最大應(yīng)力，并精確分離、精準(zhǔn)入軌。這是控制系統(tǒng)的職責(zé);

長(zhǎng)征五號(hào)點(diǎn)火起飛時(shí)，10臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)一起發(fā)力，推力超過(guò)1000噸。讓這些發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行中始終提供最大推力，這也是控制系統(tǒng)的職責(zé)。

長(zhǎng)征五號(hào)火箭控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)師將火箭飛行控制和燃料利用集成這兩個(gè)功能統(tǒng)一在了一個(gè)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，既控制飛行姿態(tài)，又控制發(fā)動(dòng)機(jī)的利用。這種“總線控制技術(shù)”為我國(guó)新一代運(yùn)載火箭首創(chuàng)。

為了提供最大推力，液氧煤油和液氫液氧兩種發(fā)動(dòng)機(jī)需要被合理分配，甚至點(diǎn)火時(shí)間也有毫秒級(jí)的先后之分，這就需要采用不同的控制策略。為此，設(shè)計(jì)師全球首創(chuàng)了大推力發(fā)動(dòng)機(jī)精準(zhǔn)關(guān)機(jī)技術(shù)。

類(lèi)似的全球首創(chuàng)技術(shù)，長(zhǎng)征五號(hào)控制系統(tǒng)一共有5項(xiàng)，打造了全球先進(jìn)的“火箭大腦”?？雌饋?lái)，火箭一點(diǎn)火，“轟隆”一聲就飛了。其實(shí)，火箭全身上下都被控制系統(tǒng)精確地調(diào)控著。

“ 這都是精細(xì)活兒?！崩顚W(xué)鋒說(shuō)，長(zhǎng)征五號(hào)火箭里，控制系統(tǒng)的電纜線總重超過(guò)1噸。

而完美干出這些精細(xì)活兒的并不是地面上的人，是箭載計(jì)算機(jī)。

火箭一旦點(diǎn)火升空，就進(jìn)入了“自動(dòng)駕駛”模式?！盎鸺邸薄獞T性測(cè)量組合每20毫秒感知一次火箭的速度、位置和姿態(tài)，傳送給箭載計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)飛快運(yùn)算，指揮火箭實(shí)時(shí)作出調(diào)整。

長(zhǎng)征五號(hào)火箭的高可靠性也有著控制系統(tǒng)的卓越貢獻(xiàn)。長(zhǎng)征五號(hào)火箭全面采用了系統(tǒng)級(jí)冗余技術(shù)，核心控制儀器均采用三取二冗余技術(shù)，主流的可靠性技術(shù)長(zhǎng)征五號(hào)一應(yīng)俱全，即使發(fā)生了小故障也不影響成功。

“既然要搞新一代，就搞可靠性最高的?！眾渎妨琳f(shuō)，長(zhǎng)征五號(hào)火箭的設(shè)計(jì)可靠性達(dá)到我國(guó)火箭的最高值：0.98。也正因?yàn)檫@么高的可靠性，研制團(tuán)隊(duì)對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)的首飛信心很足。

大火箭之助

液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)早就被認(rèn)可為環(huán)保、高效、受歡迎的兩類(lèi)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。半個(gè)世紀(jì)前出版的《星際航行概論》中，“中國(guó)航天之父”錢(qián)學(xué)森就盛贊過(guò)它們。

但縱觀國(guó)際航天界，點(diǎn)火起飛時(shí)使用異型液體發(fā)動(dòng)機(jī)，還要追溯到蘇聯(lián)的能源號(hào)火箭。異型發(fā)動(dòng)機(jī)“脾氣”不同，從點(diǎn)火到建立推力再到平穩(wěn)起飛，控制難度大于同類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)工作。

長(zhǎng)征五號(hào)火箭芯一級(jí)的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)推力為50噸級(jí)，助推器使用的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力為120噸級(jí)。既然如此，芯一級(jí)為什么不干脆也使用推力更大的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)呢？不僅外行人會(huì)感到疑惑，在方案落定之前，一些業(yè)內(nèi)人士也曾提出過(guò)這個(gè)問(wèn)題。

這是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在1000多種方案中篩選出的最合理搭配。原因在于，絕對(duì)推力并非運(yùn)載能力的決定性因素。

當(dāng)火箭升空之后，火箭對(duì)比沖的要求提升，對(duì)推力的要求降低。燃燒同樣質(zhì)量的液氫液氧混合物產(chǎn)生的氣流速度比液氧煤油更高，能將火箭送往更高的軌道。

液氫與液氧是當(dāng)前火箭燃料中最高能的物質(zhì)，大推力液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)是航天科研水平的標(biāo)志。我國(guó)大推力液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)2001年立項(xiàng)，比長(zhǎng)征五號(hào)火箭立項(xiàng)還要早5年。

發(fā)動(dòng)機(jī)是航天航空工業(yè)中的一道難關(guān)，被稱(chēng)為“工業(yè)桂冠上的那顆明珠”。為什么這么難？

長(zhǎng)征五號(hào)火箭副總設(shè)計(jì)師王維彬表示，就氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，它將低溫、高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、高熱流密度等極端特性集于一身，在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生難以想象的劇烈變化。而大推力比之小推力，又難上加難，“就像建一座普通體育館和鳥(niǎo)巢的區(qū)別”。

以人為本、安全可靠、綠色環(huán)保，是長(zhǎng)征五號(hào)火箭研制初期就定下的設(shè)計(jì)原則。在設(shè)計(jì)長(zhǎng)征五號(hào)火箭時(shí)，設(shè)計(jì)師努力實(shí)現(xiàn)了液氫加注時(shí)不需要人值守。他們通過(guò)應(yīng)用大量新技術(shù)，減輕了人的工作強(qiáng)度，使得發(fā)射前準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)化。否則，如此大體量的低溫火箭，射前準(zhǔn)備工作會(huì)讓人忙碌得難以想象。

大火箭之美

被昵稱(chēng)為“胖五”的長(zhǎng)征五號(hào)火箭，身材健壯但比例勻稱(chēng)。

“很多人感覺(jué)看起來(lái)很舒服、很漂亮，整流罩和斜頭錐都很漂亮。”但設(shè)計(jì)之初其實(shí)并沒(méi)有考慮到這種美感，李東說(shuō)，“設(shè)計(jì)師們只是在尋找一種最合理的設(shè)計(jì)?！?/p>

整流罩采取了馮·卡門(mén)曲線設(shè)計(jì)，這一由“ 導(dǎo)彈之父”發(fā)現(xiàn)的曲線，可以有效地減小空氣阻力，減輕載荷影響;助推器采取斜頭錐設(shè)計(jì)，與芯級(jí)優(yōu)美銜接。長(zhǎng)征五號(hào)火箭的外形因而圓潤(rùn)飽滿(mǎn)。

“合理、協(xié)調(diào)的東西都是美的，人長(zhǎng)得漂亮肯定也是比例勻稱(chēng)的。通過(guò)設(shè)計(jì)獲得了最合理的外形、最小的氣動(dòng)阻力、最有效的傳力方式，各分系統(tǒng)互相協(xié)調(diào)也是最和諧的，自然就美了?！崩顤|說(shuō)。

大火箭之美，其實(shí)并非完全由它的曲線和比例判斷，與它的色彩、噴繪關(guān)系也不大。

當(dāng)高達(dá)20層樓、壯如小山的長(zhǎng)征五號(hào)真正矗立在面前時(shí)，你會(huì)感到：大即是美。在發(fā)射一瞬間，地動(dòng)山搖的時(shí)候，這種感覺(jué)更加強(qiáng)烈?？吹剿娜饲椴蛔越潎@它“ 漂亮”的時(shí)候，其實(shí)是在說(shuō)它的“大”。

因?yàn)榇蠡鸺谋澈螅菄?guó)家科技能力、制造水平的全面體現(xiàn)，是我國(guó)向航天強(qiáng)國(guó)、科技強(qiáng)國(guó)、制造強(qiáng)國(guó)目標(biāo)前進(jìn)的實(shí)實(shí)在在的一步。所以，火箭越大，就越是航天科研實(shí)力的壯大，就越是國(guó)家實(shí)力的強(qiáng)大，就越能在探索宇宙的道路上再躍進(jìn)一大步。

榮耀的起點(diǎn)，歸于長(zhǎng)征五號(hào)火箭的設(shè)計(jì)師。他們?nèi)藬?shù)多達(dá)上萬(wàn)，其中核心人員也多達(dá)上千，正值壯齡。副總設(shè)計(jì)師楊虎軍、婁路亮等一批航天青年干將，伴隨了長(zhǎng)征五號(hào)火箭10年，至今也才40歲左右。

一位全程參與長(zhǎng)征五號(hào)火箭組織工作的人見(jiàn)證了他們的付出，說(shuō)：“他們把最好的10年獻(xiàn)給了這枚火箭?！?/p>

摘自2016年11月4日

《中國(guó)航天報(bào)》

責(zé)任編輯：劉靖鑫