“巨箭”長五B 向空間站進(jìn)發(fā)
——大型運(yùn)載火箭長征五號(hào)B 技術(shù)特點(diǎn)解析

2020-06-22 07:22:06高一鳴

太空探索 2020年6期

文/ 高一鳴

5 月5 日，由中國航天科技集團(tuán)有限公司所屬中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院（以下簡稱“一院”）抓總研制的大型運(yùn)載火箭長征五號(hào)B 在中國文昌航天發(fā)射場成功首飛，把重約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)系列火箭運(yùn)載能力在世界現(xiàn)役火箭第一梯隊(duì)中的地位。

那么，長五B 與長征五號(hào)運(yùn)載火箭有哪些不同？它是如何將這么重的飛船送上天的呢？

高一鳴攝

同一系列，不同使命“長五”主打高軌衛(wèi)星、探測器“長五B”主打近地載人空間站

從外觀上看，長五B 火箭“身高”近54 米，相當(dāng)于18 層樓高，近850噸重。與長五火箭相比，長五B 火箭芯級(jí)直徑也是5 米，但“身高”矮了約3 米，“體重”輕了約20 噸。這主要是因?yàn)殚L五B 火箭少了一個(gè)芯二級(jí)和一個(gè)級(jí)間段，只有一個(gè)芯級(jí)，也就是“腰”往上少了一部分。

長五B 火箭也有4 個(gè)直徑3.35 米的助推器（又稱為“半級(jí)”），是我國首型“一級(jí)半”火箭。

不過，長五B 火箭“頭部”——整流罩比長五火箭更大，高度超過20米，能夠把10 多米長、4 米多粗的空間站核心艙裝進(jìn)去。

多一級(jí)的長五火箭擅于跑長途，“乘客”包括運(yùn)行在3.6 萬公里的地球同步軌道大型衛(wèi)星、往返38 萬公里外月球取回月壤的嫦娥五號(hào)探測器，以及飛行數(shù)千萬公里乃至更遠(yuǎn)的火星探測器“天問一號(hào)”。

即便少了一級(jí)，長五B 火箭在專門向近地軌道送貨的長征火箭中，力氣仍然是最大的，一次能送超過22噸的東西，相當(dāng)于10 多輛小轎車的重量。它專注于地球附近約200 至400 公里的軌道，這里是我國空間站建設(shè)的主戰(zhàn)場。

在我國載人航天工程空間站建設(shè)階段的任務(wù)中，近地軌道運(yùn)載能力超過8 噸的長征二號(hào)F 運(yùn)載火箭負(fù)責(zé)發(fā)射神舟系列飛船；運(yùn)載能力14 噸級(jí)的長征七號(hào)運(yùn)載火箭負(fù)責(zé)發(fā)射天舟貨運(yùn)飛船；而運(yùn)載能力25 噸級(jí)的長五B 火箭則負(fù)責(zé)把空間站核心艙等主要艙段“搬”到天上。

長二F、長七、長五B 三型火箭共同構(gòu)成我國載人航天工程的“天地運(yùn)輸走廊”，而長五B 火箭的力量，決定了我國“天地運(yùn)輸走廊”有多“寬”。

“送上天”很重要，“請(qǐng)下車”也很關(guān)鍵。長五B 火箭與空間站艙段的連接接口直徑超過4 米，研制隊(duì)伍必須突破大直徑艙箭分離技術(shù)。他們通過綜合比較和試驗(yàn)，選取最優(yōu)方案，盡可能降低分離時(shí)的沖擊，讓重磅航天器安全、舒適地“下車”。

同一心臟，不同工況長五B 芯級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件更嚴(yán)酷，要求更高

長五B 火箭只用“一級(jí)半”就能把重磅航天器送上天，得益于采用氫氧推進(jìn)劑的芯一級(jí)和采用液氧煤油推進(jìn)劑的助推器的合理搭配。而芯一級(jí)的兩臺(tái)大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，從地面點(diǎn)火一直工作到把航天器送入軌道，要“打全場”，責(zé)任重大。

氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)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”）傲視群雄，但其研制難度也極高。長五B火箭所承擔(dān)任務(wù)的特殊性，對(duì)芯一級(jí)的大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)提出了更高的要求。

載人空間站工程的交會(huì)對(duì)接等任務(wù)，好比在數(shù)百公里高的太空“穿針引線”，時(shí)間不能有絲毫誤差，否則可能失之交臂，導(dǎo)致耗費(fèi)更大的代價(jià)調(diào)整軌道。這要求運(yùn)載火箭必須嚴(yán)格按照精準(zhǔn)的時(shí)間發(fā)射，達(dá)到分秒不差，也就是所謂的“零窗口”發(fā)射。

對(duì)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)來說，要實(shí)現(xiàn)“零窗口”發(fā)射，必須確保發(fā)射前各項(xiàng)工作環(huán)環(huán)相扣、步步流暢，一點(diǎn)時(shí)間都不能耽誤。如發(fā)射前要預(yù)先把發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度降得很低，即“預(yù)冷”，以防止零下250 多攝氏度的液氫和零下180 多攝氏度的液氧推進(jìn)劑進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后發(fā)生意外。在長五火箭首飛時(shí)，就曾因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷不順利而推遲發(fā)射時(shí)間。

同時(shí)，長五B 火箭比“長五”更輕，但起飛推力與“長五”相同。用同樣的勁向上提更輕的東西，加速度自然更快。而在助推器分離后，火箭加速度又瞬間達(dá)到最低。

“就像深海魚突然跳到喜馬拉雅山上，巨大的壓力變化會(huì)使魚瞬間爆裂”，航天科技集團(tuán)所屬航天推進(jìn)技術(shù)研究院長五火箭副總設(shè)計(jì)師王維彬說，發(fā)動(dòng)機(jī)的入口面對(duì)過山車一樣大起大落的壓力，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)伍通過大量的研究改進(jìn)與試驗(yàn)驗(yàn)證，將這些難點(diǎn)逐一攻克，進(jìn)一步提高了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性與穩(wěn)定性，確保發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)射前不會(huì)“發(fā)燒”、按時(shí)完成預(yù)冷等工作，飛行時(shí)扛住巨大壓力，平穩(wěn)運(yùn)行。

▲ 科研人員在緊張地工作史嘯攝

“在地面設(shè)備方面，我們通過采用遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)的方式，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷等發(fā)射前環(huán)節(jié)的安全、順利推進(jìn)。”一院長五火箭副總設(shè)計(jì)師賀建華介紹。

同一大腦，不同思路優(yōu)化彈道設(shè)計(jì)與控制方案“氫龍偃月刀”也能做“微雕”

除了“零窗口”和過山車一樣的壓力，一級(jí)大推力精準(zhǔn)入軌也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。以往末級(jí)火箭的推力都很小，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。

而這次，兩臺(tái)大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)直接送載荷入軌，就像用大刀做“微雕”，力道極難掌握。

此外，大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)后，還有“后效”，類似燃?xì)庠铋]火后的“余火”，這同樣會(huì)對(duì)航天器入軌精度造成影響。

為了解決大推力精準(zhǔn)入軌的問題，一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)研制隊(duì)伍要確保發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定，并盡可能給出“后效”的預(yù)測值，更重要的則是控制系統(tǒng)必須把所有可能的誤差考慮進(jìn)去。

據(jù)長五火箭副總設(shè)計(jì)師李學(xué)鋒介紹，早在長五系列火箭研制之初，控制系統(tǒng)研制隊(duì)伍就已統(tǒng)籌考慮長五和長五B 火箭的任務(wù)特點(diǎn)。長五和長五B 火箭控制系統(tǒng)的硬件是通用的，已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化；軟件也無需大改，就能適應(yīng)長五B 火箭飛行任務(wù)。

李學(xué)鋒說，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)“后效”等不確定因素，他們用數(shù)學(xué)仿真“打靶”的方法模擬出上萬種情況，以驗(yàn)證制導(dǎo)控制率設(shè)計(jì)的正確性。試驗(yàn)證明，即便預(yù)測的“后效”與實(shí)際情況有出入，控制系統(tǒng)也能確保火箭精確入軌。

而在火箭總體彈道設(shè)計(jì)上，除了考慮火箭動(dòng)力系統(tǒng)的偏差，還要考慮結(jié)構(gòu)、控制等方面的偏差，以完善彈道設(shè)計(jì)，即便多種偏差“組團(tuán)”出現(xiàn)，也能保證高精度入軌。

▲ 長五B 火箭發(fā)動(dòng)機(jī) 宿東攝

同一模塊，不同重量芯級(jí)、助推巧妙減重進(jìn)一步提升運(yùn)載能力

對(duì)于多級(jí)火箭，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”入軌的長五B 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。因此，減重對(duì)于長五B 火箭的收益是相當(dāng)可觀的。

位于火箭箭體底部的尾段是火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)艙，對(duì)豎立在發(fā)射臺(tái)上的火箭還起到一定的支撐作用。這次任務(wù)中，一院703 所把大直徑大厚度碳纖維復(fù)合材料“三加二”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，通過采用輕質(zhì)化碳纖維復(fù)合材料結(jié)合鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)方案替代原方案，實(shí)現(xiàn)減重約400 千克。

助推器的減重也很有特色。從外觀上看，長五系列火箭助推器與以往長征火箭的區(qū)別：一個(gè)是大，塊頭與長征二、三、四號(hào)系列火箭的芯一級(jí)相當(dāng)；另一個(gè)就是采用了斜頭錐。“長五系列火箭采用‘前捆綁點(diǎn)主傳力’構(gòu)型，助推器提供了近千噸起飛推力，因此，每個(gè)助推器斜頭錐與芯級(jí)捆綁連接的地方要承受數(shù)百噸壓力。”航天科技集團(tuán)所屬上海航天技術(shù)研究院長五系列火箭項(xiàng)目辦主任張修科介紹，“長五”的4 個(gè)助推器就像是4位壯漢，分別用單側(cè)“肩膀”（即捆綁點(diǎn)及周邊）扛著芯級(jí)，這就要求“肩膀”的結(jié)構(gòu)必須扛得住勁，難免重一些。

在長五B 火箭的研制過程中，研制隊(duì)伍創(chuàng)新采用杠桿等原理，在助推器頭錐內(nèi)部、捆綁連接點(diǎn)處延伸出一根“扁擔(dān)”，橫穿頭錐，變“單肩”扛為“雙肩”挑，分散了受力，同時(shí)使用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和制造手段，全面優(yōu)化頭錐結(jié)構(gòu)。助推器頭錐、氣瓶等的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了減重700 千克。

同一試驗(yàn)，不同對(duì)象統(tǒng)籌開展地面試驗(yàn)確保飛天萬無一失

無論是火箭減重還是增加更大的整流罩，都需要通過嚴(yán)格的地面試驗(yàn)來驗(yàn)證是否可靠。

據(jù)長五火箭副總設(shè)計(jì)師朱曦全介紹，在長五系列火箭研制過程中，會(huì)統(tǒng)籌安排長五和長五B 火箭的地面試驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)兩者的不同之處進(jìn)行試驗(yàn)。比如，長五B 火箭少了二級(jí)，全箭模態(tài)發(fā)生了變化，必須重新做全箭模態(tài)試驗(yàn)。模態(tài)試驗(yàn)的主要目的是獲得產(chǎn)品動(dòng)特性，即產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)起來的共振特性。

▲ 長五B 火箭在塔架上高一鳴攝

許多人聽過一個(gè)故事：一隊(duì)士兵齊步走過大橋，步伐的頻率和大橋的共振頻率重合，振動(dòng)幅度累加，導(dǎo)致大橋垮塌。火箭同樣怕共振：一是可能干擾火箭的“眼睛”——速率陀螺正常工作，二是容易振壞局部結(jié)構(gòu)。

一院天津新一代運(yùn)載火箭產(chǎn)業(yè)化基地有亞洲最大、世界第二的全封閉式全箭模態(tài)試驗(yàn)振動(dòng)塔，足以把長五/長五B 火箭懸掛其中開展全箭模態(tài)試驗(yàn)。

一院702 所長五B 火箭全箭模態(tài)試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)以最短的時(shí)間，在“亞洲第一塔”使用模態(tài)試驗(yàn)箭完成了主要的全箭模態(tài)試驗(yàn)工作。此外，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)還要在發(fā)射場完成火箭“坐”在發(fā)射平臺(tái)上的模態(tài)試驗(yàn)。

以往新火箭的發(fā)射場全箭模態(tài)試驗(yàn)都用合練箭，而“長五B”任務(wù)比較特殊，直接用首飛箭合練、試驗(yàn)，這就要求試驗(yàn)隊(duì)員在操作時(shí)確保火箭的絕對(duì)安全。

朱曦全介紹，除了全箭模態(tài)試驗(yàn)，他們還對(duì)長五B 火箭進(jìn)行了超大整流罩分離試驗(yàn)、儀器艙聲振聯(lián)合試驗(yàn)等。這些試驗(yàn)都以高效率完成，保障了整體研制工作順利推進(jìn)。