長征五號運載火箭總體方案及關鍵技術

李 東，王 玨，何 巍，李平岐，牟 宇

（1. 中國運載火箭技術研究院，北京，100076；2. 北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

長征五號運載火箭總體方案及關鍵技術

李 東1，王 玨1，何 巍2，李平岐2，牟 宇2

（1. 中國運載火箭技術研究院，北京，100076；2. 北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

長征五號運載火箭是中國全新研制的新一代大型運載火箭，2006年獲得國家立項，正式開始工程研制，2016年11月3日在海南文昌發射場實施首次發射，并取得圓滿成功，工程研制歷時10年。在研制過程中，研發團隊攻克了大量的工程技術難題，積累了豐富的大型低溫運載火箭研制經驗，長征五號運載火箭大幅提高了中國運載火箭的運載能力，其首飛成功在邁向航天強國的征程中踏出了最為堅實的一步，中國也由此進入了擁有大型運載火箭的國家行列。

運載火箭；長征五號；運載能力

0 引 言

2016年11月3日，全新研制的新一代大型運載火箭長征五號（CZ-5）在中國海南文昌航天發射場托舉著遠征二號上面級和實踐十七號衛星（SJ-17），經過約

1 821 s的飛行成功進入預定軌道，首飛取得圓滿成功。長征五號運載火箭的首飛成功標志著中國運載火箭從此進入了擁有大型運載火箭的國家行列[1]。

1 研制背景及總體方案

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。21世紀，世界主要航天強國均推出了新一代運載火箭，如美國的宇宙神5、德爾他4，歐洲的阿里安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存在一定差距。為全面提升中國運載火箭的技術水平，提高運載能力、可靠性、安全性、適應性和環境友好性，2006年，長征五號運載火箭正式獲得國家航天局立項，進入工程研制階段。作為中國新一代運載火箭中第1個立項研制的火箭型號，是為滿足航天發展對大運載能力日益迫切的需求而研制的新一代大型運載火箭，它以大幅提升中國進入空間的能力為目標，是中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。

長征五號運載火箭按照“通用化、系列化、組合化”設計思想，以“一個系列、兩種發動機、三個模塊”為基礎，瞄準中國航天發展的現實和迫切的需求而規劃的一個系列化運載火箭，而不為單一特定載荷設計。基于5 m直徑模塊構建形成了中國新一代大型運載火箭長征五號系列，共有6種構型（見圖1），首飛構型為二級半最大構型，即長征五號運載火箭，地球同步轉移軌道（Geosynchronous Transfer Orbit，GTO）能力達到14噸級；用于載人空間站工程空間站艙段發射任務的長征五號乙運載火箭，為一級半最大構型，其近地軌道（Low Earth Orbit，LEO）最大運載能力達到25噸級。基于3.35 m直徑和2.25 m直徑模塊構建形成了中國新一代中型和小型運載火箭。

長征五號運載火箭總長約57 m，捆綁4個助推器，起飛質量約878 t，采用二級半構型，由結構系統、動力系統、電氣系統和地面發射支持系統等組成，主要方案如下：

a）芯一級采用5 m直徑模塊，2臺地面推力50噸級的YF-77氫氧發動機雙向擺動；

b）助推器采用4個3.35 m直徑模塊，每個模塊配置2臺地面推力120噸級的YF-100液氧煤油發動機，每個助推器擺動靠近芯級內側的1臺發動機；

c）芯二級采用2臺真空推力9噸級改進的新型膨脹循環氫氧發動機YF-75D作為主動力，雙向擺動、兩次啟動；

d）二級采用輔助動力完成滑行段姿態控制、推進劑管理和有效載荷分離前末修、調姿，整流罩頭錐采用馮?卡門外形，直徑5.2 m，高12.267 m，助推器采用斜頭錐外形等。

2 主要技術特點

長征五號運載火箭是中國首個起飛推力超過千噸的大型運載火箭，相比現役長征系列運載火箭，運載能力提高2.5倍以上，運載能力和運載效率位居世界前列。

長征五號運載火箭的研制工作歷時10年，研制過程中突破了以12項重大關鍵技術為代表的247項關鍵技術，在關鍵技術攻關過程中，開展了各類地面試驗2 100余項，試驗次數7 000余次，火箭整體技術達到國際先進水平，建立和完善了中國大型低溫運載火箭的研制體系和規范，提升了中國運載火箭的研制技術水平和能力。

2.1 總體優化及環境預示技術

為了滿足長征五號運載火箭系列化構型設計要求，按照火箭總體性能需求完成了大型運載火箭構型優化、級間比優化、傳力路線方案優化，確定了液氧煤油助推與氫氧芯級的組合，以及助推支撐、前捆綁傳力，二級懸掛氧箱和助推器斜頭錐等火箭總體方案。分離設計方面，完成了中國最大的3.35 m直徑助推器分離（見封二圖2）的方案設計、仿真及試驗驗證；完成了8 m超長分離距離級間分離仿真分析、5.2 m直徑整流罩分離設計、仿真及試驗驗證；采用全箭精細化模型完成全箭氣動仿真分析、發動機工作羽流分析等。

長征五號運載火箭采用全新研制的大推力發動機，為了提高箭上儀器設備工作可靠性及鑒定余量，開展了火箭力學環境、熱環境預示分析及試驗驗證工作：完成了高、低頻振動預示、噪聲環境預示等力學環境預示；完成了氣動加熱、多噴管底部噴流、側推火箭噴流等熱環境預示；完成了地面試車、其他型號飛行等多種工況下的環境測量等；開展整艙級振動以及聲振聯合試驗，解決力、熱環境預示難度大以及精細化設計的難題。

2.2 大直徑箭體結構設計制造與試驗技術

長征五號運載火箭首次采用5 m直徑結構（見封二圖3），突破了傳統火箭3.35 m直徑限制，是實現運載能力大跨越的基礎。采用全新貯箱和殼體新材料——2219鋁合金，全新攪拌摩擦焊焊接工藝，全新低溫貯箱絕熱方案，開展了大直徑結構設計、制造、試驗技術攻關，完成了大型助推捆綁傳力設計、大直徑貯箱設計、大直徑殼段設計，以及新型貯箱焊接技術、整體鍛環制造技術、大型低溫貯箱靜力及蒸發量試驗技術、大直徑殼段部段聯合試驗技術等。

5.2m直徑大型馮·卡門透波整流罩結構，創新使用了碳纖維輕質蒙皮+預成型泡沫夾芯結構技術方案；大尺寸蒙皮桁條結構級間段承載能力近千噸，是目前中國最大尺寸單一部段半硬殼結構；偏心集中載荷超過300 t的大型偏置斜頭錐結構技術、大直徑及大集中載荷薄殼結構技術均實現跨越式發展。成功研制了中國規模最大的低溫輕質貯箱，解決了大直徑鍛環過渡結構變形協調和剛度匹配性難題。大型結構研制同時帶動了機械加工、熱處理、焊接、檢測等裝備的發展。2.3 低溫增壓輸送系統及新型閥門技術

長征五號運載火箭動力系統采用全低溫新型發動機。助推煤油系統采用常溫氦閉式增壓方案，氧系統采用氦氣引射循環預冷和氦氣加溫閉式增壓方案；芯一級氫系統采用循環泵強迫循環預冷方案和閉式自生增壓方案，氧系統采用氦氣引射循環預冷和開式自生增壓方案；芯二級氫系統采用排放預冷和開式自生增壓方案，氧系統采用排放預冷和閉式氦加溫增壓方案。為滿足全箭“可靠性高、適應性強、安全性好”的研制要求，動力系統解決了循環預冷、大口徑高精度閥門、高可靠冗余增補壓、統一供配氣、配氣臺冗余控制等技術難題。

2.4 助推器與芯級發動機聯合搖擺技術

長征五號運載火箭采用5 m芯級直徑、助推前捆綁傳力結構形式，全箭動力學特性異常復雜，控制系統設計難度極大，并且首次論證采用了助推與芯級發動機聯合搖擺控制技術。在姿態動力學方面，基于牛頓-歐拉矢量力學體系、拉格朗日分析力學體系推導建立基于空間模態的新一代運載火箭姿態動力學模型；攻克了助推局部模態進入控制回路、發動機-伺服小回路低頻諧振、POGO-姿態控制回路耦合等多個動力學與控制深度耦合的技術難題，箭體模態如圖2所示。通過大型儀器艙角振動試驗、帶箭體邊界的伺服機構特性測試試驗、速率陀螺與加速度計箭上選位試驗，有效抑制了箭體彈性邊界對控制回路的質量影響。

2.5 大型低溫火箭POGO抑制技術

長征五號運載火箭POGO設計面臨發動機新、箭體結構低頻模態密集、安全頻率窗口較窄等難題，為此開展了全新的頻率特性分析，解決了密集窄窗口問題；引入了高壓補燃和膨脹循環發動機的動力學模型，創新性地將模擬打靶、參數辨識、小波分析等應用于POGO設計及數據分析中，有效地解決了大型復雜模態、結構-控制-動力強耦合的低溫液體運載火箭POGO抑制設計技術難題。通過開展YF-100和YF-77發動機氧泵動態水試、助推和一級氧管路動態特性試驗、YF-100氧泵間管兩相流原理性驗證試驗等地面試驗，保證了POGO抑制設計的可靠性。

2.6 120噸級液氧煤油發動機技術

120噸級液氧煤油發動機是中國首臺自主研制的采用高壓補燃循環方式的大推力液體火箭發動機，發動機自身啟動、化學點火為單推力室、泵壓式結構。發動機技術創新性強、研制難度大，攻克的關鍵技術包括：補燃循環系統自身啟動技術，大推力發動機總體結構及布局設計技術，高壓大流量推力室穩定燃燒及冷卻技術，高壓大流量富氧發生器技術，高壓大流量高功率渦輪泵技術，高精度調節與控制組件技術，新材料應用工藝和試驗技術等。120噸級液氧煤油發動機的研制突破了73項設計、制造、試驗技術，新研制了50余種材料。截至長征五號運載火箭首飛，發動機試車超過57 000 s，單機實現5次啟動、試車時間

2 000 s；該發動機的研制成功，使中國成為繼俄羅斯之后，第2個掌握高壓補燃液氧煤油發動機全部核心技術的國家。

2.7 50噸級大推力氫氧發動機技術

50噸級氫氧發動機YF-77是中國自主研制的首臺大推力、地面點火啟動的氫氧火箭發動機，代表了中國氫氧發動機技術的最高水平，填補了中國大推力氫氧發動機的空白。發動機采用化學推進劑中能量最高、燃燒產物零排放的液氫作為燃料，與現役氫氧發動機相比，YF-77發動機真空推力是其9倍，推力室室壓是其2.7倍，氫渦輪泵功率是其15倍，氧渦輪泵功率是其20倍，外廓尺寸是其5倍，且工作過程中承受嚴酷的飛行熱環境以及泵前高過載環境條件。發動機在研制過程中，解決了高壓大尺寸氫氧燃燒室高頻不穩定燃燒和冷卻技術及高性能、高功率密度多級氫渦輪泵技術等關鍵技術，使中國氫氧發動機技術能力跨上了新的臺階。截至長征五號運載火箭首飛，發動機試車超過38 000 s，單臺發動機啟動15次、試車5 346 s。

2.8 9噸級膨脹循環氫氧發動機技術

芯二級YF-75D發動機是中國首次采用閉式膨脹循環的氫氧發動機，取消了燃氣副系統，系統構成極大減化，固有可靠性大幅提高，具有推進劑混合比調節功能和二次啟動能力。研制過程中解決了以受真空環境影響的發動機高空二次啟動技術；高轉速下長壽命、高可靠氫渦輪泵技術；高強換熱、高可靠推力室身部換熱技術；小溫差冷氦換熱器技術；小通徑葉輪粉末冶金成型技術為代表的設計、工藝、試驗等關鍵技術。截至長征五號運載火箭首飛，YF-75D發動機試車超過45 000 s，無故障試車超過30 000 s，創造了中國運載火箭發動機研制的新紀錄。YF-75D發動機實現了氫氧發動機由開式循環到閉式循環的跨越，成為目前中國比沖性能最高的火箭發動機。推力室再生冷卻通道單位壓降下的換熱功率等指標達到國際先進水平。

2.9 采用總線技術的系統級冗余控制技術

長征五號運載火箭控制系統在中國運載領域首次全面采用基于1553B總線的系統級冗余技術，箭上核心控制設備均采用三取二冗余設計，成功解決了控制系統動態重構分配策略、慣組系統級冗余信息管理、速率陀螺與慣組角速度信息系統級故障診斷和重構控制等冗余技術。采用先進的攝動+迭代+天基組合制導技術，助推和芯級兩類發動機三通道聯合搖擺控制技術，大風區實時卸載、主動導引和預測關機復合控制，助推器多點支撐起飛主動抗漂移控制方法，大推力助推器、芯級制導關機和落點安全控制技術，飛行控制與推進劑利用集成的數字化動態重構系統，遠距離測試發控方案，提供了完整的新一代運載火箭控制系統解決方案，使長征五號控制系統的技術水平、可靠性處于國際先進行列，實現了運載火箭控制系統的更新換代。

2.10 采用高壓煤油和氫氣為能源的高可靠伺服技術

長征五號運載火箭助推器伺服系統為中國首次采用高壓煤油直接引流驅動伺服系統，功率大、負載特性復雜。研制中攻克了冗余設計及管理技術、恒壓恒流控制技術、三冗余大流量伺服閥技術、煤油密封技術、動特性優化技術、液壓鎖定設計技術等關鍵技術。其中恒壓、恒流控制技術設計了多種高可靠閥門，攻克壓力波動、諧振、流量不穩等技術難題；動態特性優化解決了低剛度、大慣量負載的動特性控制問題；液壓鎖定技術通過研制多種零泄漏組件實現了偏心負載的任意位置可靠鎖定。

長征五號運載火箭芯級伺服系統首次采用以超高速氫氣渦輪為動力、集成高效毛細管氫/液冷卻器的伺服動力新方案和基于數據總線/數字信號處理器的三余度數控伺服方案，解決了高壓氫氣引流利用和轉換為長時工作大功率液壓動力等技術難題，其中氫氣渦輪泵累計完成約70 000 s氫吹試驗，實現了大型運載火箭液氫/液氧發動機的高動態、高可靠伺服控制。

2.11 10 Mbit/s高碼速率遙測數據綜合與傳輸技術

長征五號運載火箭全箭遙測參數總數2 200個（其中速變參數約500個），總線數據2 400個，總計達4 600個，與現役火箭相比，遙測參數數量和容量有較大程度增加。在中國首次采用“10M+5M”雙點頻遙測傳輸方案和10 Mbit/s高碼率遙測傳輸與數據綜合方案。通過技術攻關實現了高碼率下基帶信號傳輸的完整性與可靠性，高碼率下基帶數據綜合與時序調度，確定10 Mbit/s碼遙測的幀同步碼組，解決高碼率下天地通信模式。遙測單點頻碼速率達到國際領先水平。

2.12 大型活動發射平臺技術

長征五號運載火箭活動發射平臺是復雜的機、電、液、氣一體化的大型產品，是中國規模最大的發射平臺。活動發射平臺首次集成了地面發射支持系統氣液連接器、供氣系統、發動機排氫燃燒系統、地面瞄準系統等多個子系統。通過開展結構強度、燃氣流場排導、噴水降溫等仿真計算、擺桿結構靜載及加載擺動試驗、平臺行走試驗、臺體總裝及加載試驗，驗證了發射平臺總體設計的正確性；通過開展DN100液氧加泄連接器低溫液氮密封試驗，一級液氫加排連接器液氮、液氫密封試驗、常溫和低溫對接鎖緊解鎖脫落試驗，驗證了低溫大口徑連接器密封設計和脫落設計方案的正確性。

發射平臺的研制攻克了臺體大載荷承載設計技術、高熱流燃氣排導設計技術、表面結構防熱技術、大流量噴水降溫降噪防護技術、助推12點支撐垂直度調整技術、適應“新三垂”發射模式的臍帶塔和擺桿設計技術等關鍵技術。長征五號運載火箭垂直轉運情況見封二圖5。

長征五號運載火箭的成功研制，代表了中國運載火箭研制領域經60年發展的又一大跨越，運載火箭總體構型與優化設計水平大幅提升，全面突破大直徑箭體結構設計制造技術、大推力液氧煤油發動機和液氫液氧發動機設計制造技術、大型低溫動力系統循環預冷技術、高可靠控制系統設計與大容量遙測數據綜合與傳輸技術、全新的測試發射模式和發射支持技術等。

3 結束語

長征五號運載火箭的研制突破掌握了一大批具有完全自主知識產權的全新技術，推動了中國運載火箭技術的進步，實現了中國運載火箭從3.35 m直徑向5 m直徑的跨越，為中國未來大規模開發利用空間資源、在深空探測中發出“更強中國音”提供了堅實基礎。長征五號運載火箭的研制也培養了一批技術人才，牽引了天津大運載火箭基地和海南文昌發射場的建設，為后續重型運載火箭的研制打下了良好基礎。

長征五號運載火箭作為中國新一代大型運載火箭，具有高可靠、低成本、無毒無污染、適應性強、安全性好的優勢，應用前景廣闊。長征五號運載火箭將是中國未來航天發射任務的主力軍，在未來的探月工程三期、載人空間站工程空間站艙段發射、火星探測等重大專項工程任務中都將承擔重要角色。同時在未來大載荷地球同步轉移軌道、中高軌道等發射任務中也將擔當主要角色，對于構建中國未來空間運輸體系、加快現役運載火箭的更新換代，都具有重要的意義，標志著中國進入太空空間的能力大幅提升，由航天大國向航天強國邁出了堅實的一步。

[1] 李東, 等. 我國新一代大型運載火箭長征-5首飛大捷[J]. 國際太空, 2016(11): 1-7.

The General Scheme and Key Technologies of CZ-5 Launch Vehicle

Li Dong1, Wang Jue1, He Wei2, Li Ping-qi2, Mou Yu2
(1. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076; 2. Beijing Institute of Astronautical System Engineering, Beijing, 100076)

The CZ-5 launch vehicle, approved and started at 2006, is the new generation large launch vehicle of China. Its maiden flight is in November 3rd , 2016 and overall successful. The CZ-5 launch vehicle has been designed for 10 years. During this period, the design term has solved a lot of difficult technical problems and learns abundant experience in designing cryogenic launch vehicle. The design ability and foundation of the term has also upgraded. The CZ-5 increases the capability of Chinese launch vehicles. The successful maiden flight of CZ-5 makes China become the country that has the large cryogenic launch vehicle.

Launch Vehicle; CZ-5; Launch capability

V421

A

1004-7182(2017)03-0001-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170301

2017-05-05；

2017-05-08

李 東（1967-），男，研究員，現任長征五號運載火箭總設計師，主要研究方向為運載火箭總體設計