我國新一代大型運載火箭長征－5首飛大捷

李東 王玨 李平岐 牟宇 李國愛 (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首飛大捷

New Generation of Large Launch Vehicle CZ-5 Launched Successfully

李東 王玨 李平岐 牟宇 李國愛 (中國運載火箭技術研究院)

2016年11月3日晚，“5、4、3、2、1，點火！”伴隨著指揮員喊出的起飛、助推分離、整流罩分離、一二級分離、二級一次關機、二級二次啟動、二級二次關機、上面級組合體分離，以及測控大廳響起的陣陣掌聲，我國全新研制的新一代大型運載火箭長征－5在海南文昌航天發(fā)射場托舉著遠征－2上面級和實踐－17衛(wèi)星，經(jīng)過約1783s的飛行，成功進入預定軌道。長征－5的首飛成功標志著我國歷時10年研制的大型低溫運載火箭的工程研制成功，也標志著我國從此步入了擁有大型火箭國家的行列，還標志著我國由航天大國向航天強國邁出了最為堅實的一步。

1 引言

早在20世紀90年代，在國家“863”計劃的支持下，我國先后開展了長達20年的新一代運載火箭論證工作。2006年，長征－5運載火箭正式獲得國防科技工業(yè)局和財政部聯(lián)合立項，進入工程研制階段。經(jīng)過10年的艱苦研制，研制隊伍克服重重困難、突破大量技術難關，完成了方案、初樣和試樣階段的各項設計和試驗工作，將新一代大型運載火箭的藍圖變成現(xiàn)實。

作為我國新一代運載火箭中第一個立項研制的火箭型號，“首秀”成功的長征－5是為了滿足航天發(fā)展對大運載能力日益迫切需求而研制的新一代大型液體運載火箭，它大幅提升了我國進入空間的能力。未來將承擔探月工程三期、載人空間站工程空間站艙段的發(fā)射，以及火星探測等重大專項工程的發(fā)射任務。

長征－5按照“通用化、系列化、組合化”的設計思想，以“一個系列、兩種發(fā)動機、三個模塊”為基礎，是瞄準中國航天發(fā)展的現(xiàn)實和迫切需求而規(guī)劃的一個系列化運載火箭，而不是為單一特定載荷而設計的。基于5m直徑、3.35m直徑和2.25m直徑模塊，分別構建形成了我國新一代大型、中型和小型運載火箭長征－5、7和6系列。

基于5m直徑模塊構建的長征－5系列火箭總計有6個構型：

構型1：兩級半構型，其芯級5m直徑，芯一級采用2臺YF－77液氧/液氫發(fā)動機，芯二級采用2臺YF－75D液氧/液氫發(fā)動機，捆綁2個2.25m直徑助推器，每個助推器采用1臺YF－100液氧/煤油發(fā)動機和2個3.35m直徑助推器，每個助推器采用2臺YF－100液氧/煤油發(fā)動機。

構型2：兩級半構型，其芯級5m直徑，芯一級采用2臺YF－77液氧/液氫發(fā)動機，芯二級采用2臺YF－75D液氧/液氫發(fā)動機，捆綁4個3.35m直徑助推器，每個助推器采用2臺YF－100液氧/煤油發(fā)動機。首次發(fā)射的長征-5就是采用這種構型，并載有遠征-2上面級。

我國“長征”系列運載火箭型譜

構型3：兩級半構型，其芯級5m直徑，芯一級采用2臺YF－77液氧/液氫發(fā)動機，芯二級采用2臺YF－75D液氧/液氫發(fā)動機，捆綁4個2.25m直徑助推器，每個助推器采用1臺YF－100液氧/煤油發(fā)動機。

構型4：一級半構型，其芯級5m直徑，芯一級采用2臺YF－77液氧/液氫發(fā)動機，捆綁2個2.25m直徑助推器、每個助推器采用1臺YF－100液氧/煤油發(fā)動機和2個3.35m直徑助推器，每個助推器采用2臺YF－100液氧/煤油發(fā)動機。

構型5：一級半構型，其芯級5m直徑，芯一級采用2臺YF－77液氧/液氫發(fā)動機，捆綁4個3.35m直徑助推器，每個助推器采用2臺YF－100液氧/煤油發(fā)動機。

構型6：一級半構型，其芯級5m直徑，芯一級采用2臺YF－77液氧/液氫發(fā)動機，捆綁4個2.25m直徑助推器，每個助推器采用1臺YF－100液氧/煤油發(fā)動機。

新一代中型運載火箭為兩級半構型，芯級3.35m直徑，芯一級采用2臺YF－100液氫/煤油發(fā)動機，芯二級采用4臺YF－115液氧/煤油發(fā)動機，捆綁4個2.25m直徑助推器、每個助推器采用1臺YF－100液氧/煤油發(fā)動機。

新一代小型運載火箭為兩級半構型，芯一級3.35m直徑，采用1臺YF－100液氧/煤油發(fā)動機，芯二級2.25m直徑，采用1臺YF－115液氧/煤油發(fā)動機。

2 火箭特點

首射成功的長征－5由中國航天科技集團公司所屬中國運載火箭技術研究院抓總研制，并且首次采用聯(lián)合研制模式，其中5m直徑的芯級由中國運載火箭技術研究院負責研制，3.35m直徑助推模塊由上海航天技術研究院負責研制，三型主發(fā)動機由中國航天推進技術研究院負責研制。長征－5將是我國未來航天發(fā)射任務的主力軍，在未來大載荷地球同步轉移軌道、中高軌道等發(fā)射任務中，也將擔當主要角色。

采用二級半構型的長征－5火箭總長約57m，捆綁4個助推器，起飛質(zhì)量約878t，由箭體結構、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、總控系統(tǒng)和地面發(fā)射支持系統(tǒng)等六大系統(tǒng)組成。地球同步轉移軌道運載能力位居世界前三。

芯一級采用5m直徑模塊，2臺地面推力510kN的YF－77液氧/液氫發(fā)動機雙向擺動。助推器采用4個3.35m直徑模塊，每個模塊配置2臺地面推力1200kN的YF－100液氧/煤油發(fā)動機，每個助推器擺動靠近芯級內(nèi)側的1臺發(fā)動機。芯二級采用改進的新型膨脹循環(huán)液氧/液氫發(fā)動機YF－75D作為主動力，真空推力89.267kN，2次啟動，發(fā)動機雙機雙向擺動。二級采用輔助動力系統(tǒng)完成末修、分離前調(diào)姿和滑行段姿態(tài)控制、推進劑管理。整流罩直徑5.2m，長12.267m，有效凈空間直徑4.5m；長征－5火箭頭錐采用馮·卡門外形，有效減小了脈動壓力等氣動力干擾；整流罩分離方案采用旋轉式分離；整流罩分離能源采用分離彈簧。橫向解鎖裝置采用了膨脹管＋削弱槽的線性解鎖裝置，縱向解鎖裝置采用膨脹管＋凹口螺栓＋爆炸螺栓解鎖裝置。助推器與芯級之間的傳力路線采用前捆綁傳力、助推器支撐的傳力方案；助推器分離采用橫向分離方案；助推器分離能源采用側推火箭。芯二級氧箱采用了懸掛貯箱的方案；為了減少一二級分離過程中的干擾，級間分離采用了冷分離方案；分離能源采用反推火箭。長征－5火箭質(zhì)量、轉動慣量、干擾力矩較大，采用助推器發(fā)動機和芯級發(fā)動機擺動進行姿態(tài)控制的方案。為了解決大型低溫運載火箭的蹺振（POGO）問題，長征－5采用蓄壓器進行POGO抑制。

長征－5的研制成功，創(chuàng)造了我國和亞洲多項第一，包括：

1）將我國大型運載火箭低地球軌道、地球同步轉移軌道運載能力分別提升至25噸級和14噸級，是我國目前運載能力最大的火箭，其運載能力是現(xiàn)役運載火箭的2.5倍以上，火箭整體性能和總體技術達到國際先進水平，為我國航天進入更大的舞臺提供了堅實基礎。

3）采用了三型大推力無毒、無污染發(fā)動機，其中YF－100液氧/煤油發(fā)動機是我國推力最大的火箭發(fā)動機，我國也成為繼俄羅斯之后，第二個掌握高壓補燃循環(huán)液氧/煤油發(fā)動機全部核心技術的國家；YF－77液氫/液氧發(fā)動機是我國推力最大的液氫/液氧發(fā)動機，其推力是現(xiàn)役液氫/液氧發(fā)動機的9倍；YF－75D發(fā)動機是我國首個采用閉式膨脹循環(huán)方式的液氫/液氧發(fā)動機，也是我國目前比沖最高的火箭發(fā)動機，相比現(xiàn)役液氫/液氧發(fā)動機，其性能更高，系統(tǒng)更加簡化，可靠性更高；同時全箭各模塊均采用綠色推進劑，更加環(huán)保。

4）建成了亞洲最大的運載火箭產(chǎn)業(yè)基地。如今在天津濱海新區(qū)，一個大型的運載火箭產(chǎn)業(yè)化基地已然誕生，正逐步將中國新一代運載火箭從藍圖變成現(xiàn)實。

5）大直徑箭體結構靜力加載技術及性能評價能力獲得跨越式發(fā)展，首次實現(xiàn)了5m直徑結構千噸級靜力試驗，突破了大集中力、千噸級高軸壓、大彎矩和高內(nèi)壓載荷的多點協(xié)調(diào)平衡加載技術。

6）并行建成了大型運載火箭工程研制的技術體系與工程研制的基礎設施，培養(yǎng)了一大批技術人才，大型運載火箭的研發(fā)能力和技術水平大幅提升，為后續(xù)重型運載火箭研制提供了堅實基礎。

7）首次在型號研制中全面推進先進的數(shù)字化設計手段，引進三維數(shù)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(shù)字火箭，開創(chuàng)了火箭型號數(shù)字化研制的先河。

8）帶動了裝備制造業(yè)的發(fā)展，尤其是其大型結構帶動了材料、機械加工、熱處理、焊接和檢測等裝備的發(fā)展，設計建成了我國最大的5m直徑貯箱高精度全自動大型攪拌摩擦焊和熔焊焊接設備。

長征－5的首飛成功，代表了我國運載火箭研制領域經(jīng)過60年發(fā)展的又一大跨越，運載火箭總體構型與優(yōu)化設計水平大幅提升，全面突破了大直徑箭體結構設計制造技術、大推力液氧/煤油發(fā)動機和液氫/液氧發(fā)動機設計制造技術、大型低溫動力系統(tǒng)循環(huán)預冷技術、高可靠控制系統(tǒng)設計與大容量遙測數(shù)據(jù)綜合與傳輸技術、全新的測試發(fā)射模式和發(fā)射支持技術等，并帶動了材料、機械加工、焊接等裝備制造業(yè)的跨越式發(fā)展。

圓圈圖適用于描述物質(zhì)、化學現(xiàn)象和概念 初中化學教師講解某種物質(zhì)、化學現(xiàn)象、概念的時候，需要對其相關細節(jié)或特征進行介紹，這些細節(jié)或特征并不都是物質(zhì)固有的屬性，或經(jīng)過反應所得，或需要在某些條件下才成立，涉及的知識比較零散。如果學生對其僅進行機械記憶學習，很容易遺忘，這時教師可用上圓圈圖配合講解。圓圈圖有兩個圈，小圈里可填寫主題，大圈里可填寫與這個主題相關的細節(jié)特征。如描述金屬鐵在氧氣中燃燒的化學現(xiàn)象，小圈內(nèi)寫鐵在氧氣中燃燒作為主題，大圈內(nèi)可寫在空氣中很難燃燒、在氧氣中劇烈燃燒且火星四射、放出大量熱、生成黑色固體。

長征－5作為我國新一代運載火箭中最早立項的型號，研制工作歷時10年，瞄準新需求、踐行新理念、采用新技術、實現(xiàn)新跨越，火箭整體技術達到國際先進水平，主要特點表現(xiàn)為12項全新的發(fā)展思路、全新的總體設計、全新的運載能力、全新的總體構型、全新的環(huán)境防護、全新的箭體結構、全新的動力系統(tǒng)、全新的電氣系統(tǒng)、全新的發(fā)射模式、全新的設計手段、全新的生產(chǎn)發(fā)射基地、全新的運輸方式。

長征－5的研制是以大幅提升我國進入空間能力為目標，按照模塊化思路全新規(guī)劃的一個系列化運載火箭，研制初期共規(guī)劃了6種構型，首飛構型為兩級半最大構型，即長征－5，地球同步轉移軌道運載能力達到14噸級；用于載人空間站工程空間站艙段發(fā)射任務的長征－5B為一級半最大構型，其低地球軌道運載能力達到25噸級。長征－5采用全新的5m直徑箭體結構，動力系統(tǒng)采用無毒、無污染推進劑，全箭廣泛采用冗余、冗錯設計，火箭的可靠性和安全性大幅提高。

長征－5運載火箭垂直轉運

在長征－5的研制過程中，突破了以12項重大關鍵技術為代表的247項關鍵技術，包括長征－5的總體優(yōu)化與設計技術，首次采用助推器支撐、前支點傳力的總體布局優(yōu)化設計技術，突破了大型低溫運載火箭力熱環(huán)境預示技術；首次采用5m直徑箭體結構，突破了大型低溫貯箱和多集中力殼段結構設計與驗證技術，突破了千噸級集中力載荷加載試驗技術等；采用了三型全新的液氧/煤油和液氫/液氧發(fā)動機，其推力和比沖等性能均是我國最高水平；采用了全新的循環(huán)預冷技術，大幅提升了火箭的應急處置適應能力，突破了大型低溫運載火箭的蹺振抑制技術；首次提出并采用了基于總線技術系統(tǒng)級冗余的運載火箭控制系統(tǒng)技術，突破了助推器和芯級發(fā)動機聯(lián)合搖擺控制技術；首次采用10Mbit/s+5Mbit/s高碼率遙測數(shù)據(jù)傳輸與綜合技術，把我國運載火箭遙測技術大幅提升到國際先進水平；采用“新三垂”測發(fā)模式，突破了2000噸級的活動發(fā)射平臺配備臍帶塔方案設計制造技術，大幅縮短了火箭在發(fā)射區(qū)的測試操作時間等。

長征－5在研制過程中引入先進的數(shù)字化設計手段，實現(xiàn)了數(shù)字化模裝替代實物模裝，完成了型號數(shù)字化設計、數(shù)字化分析、數(shù)字化試驗的三大數(shù)字化工作，大大縮短了研制周期，節(jié)約了研制經(jīng)費。

5m直徑箭體結構的制造、運輸和發(fā)射，也帶動了天津濱海新區(qū)大型運載火箭生產(chǎn)制造基地、海南文昌發(fā)射場的建設，采用全新的公路-海路-公路運輸方式，由兩艘專用運輸船將長征－5從天津運至海南。

3 搭載載荷

為充分發(fā)揮長征－5首飛的綜合效益，綜合統(tǒng)籌有關需求，其上搭載的有效載荷有遠征－2上面級和實踐－17衛(wèi)星2個主要載荷。

（1）遠征－2：太空“擺渡車”

遠征－2本身也是一種航天器，具有獨立自主飛行、多次啟動、長時間在軌等特點，由長征－5發(fā)射進入地球同步軌道后，能將其他有效載荷從某一軌道送入其他軌道或空間位置。

長征－5駛離技術區(qū)

遠征－2的主要任務是驗證多次啟動、長時間在軌飛行等技術，并作為其他載荷的搭載平臺，將實踐－17直接送入超地球同步軌道，開展相關在軌試驗。

（2）實踐－17：新技術驗證

實踐－17共配置了20余個搭載項目，驗證了30余項新技術，包括東方紅－5衛(wèi)星平臺關鍵技術、新型電源、新型測量、新型測控、新型電推、新型熱控等技術。

4 重要意義

長征－5的研制使我國突破并掌握了一大批具有完全自主知識產(chǎn)權的全新技術，推動了我國運載火箭技術的進步，實現(xiàn)了我國運載火箭從3.35m直徑向5m直徑的跨越，為我國未來大規(guī)模開發(fā)利用空間資源，以及在深空探測中發(fā)出“更強中國音”提供了堅實基礎。同時，長征－5的研制也培養(yǎng)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(fā)射場的建設，也為后續(xù)重型運載火箭的研制打下了良好基礎。

長征－5首飛任務的圓滿成功，翻啟了中國運載火箭發(fā)展的新篇章，標志著我國進入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。同時，長征－5的成功研制，對于構建我國未來空間運輸體系、加快我國現(xiàn)役運載火箭的更新?lián)Q代，都具有重要的意義。

5 結束語

作為我國新一代大型運載火箭，長征－5具有高可靠、低成本、無毒、無污染、適應性強、安全性好的顯著優(yōu)勢，應用前景十分廣闊。在未來探月工程三期、載人空間站工程、火星探測等重大專項工程任務中均將承擔重要角色。同時，在未來大載荷地球同步轉移軌道、中高軌道等發(fā)射任務中也將擔當主要角色。借助運載能力大、適應性強的優(yōu)勢，長征－5將是未來更廣泛深空探測任務的主力火箭。