中國航天舞臺的擎天柱—中國新一代大型運(yùn)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(yùn)載火箭技術(shù)研究院)

中國航天舞臺的擎天柱—中國新一代大型運(yùn)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(yùn)載火箭技術(shù)研究院)

我國新一代大型運(yùn)載火箭長征-5即將于2016年11月初首飛。長征-5火箭實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，運(yùn)載能力比現(xiàn)役火箭提高2倍多，綜合性能處于國際先進(jìn)水平。

1　新一代大型運(yùn)載火箭的研制歷程

研制背景

中國航天經(jīng)過60年的發(fā)展，形成了具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的“長征”家族系列火箭，建立了完整的運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、組織體系、基礎(chǔ)設(shè)施。截至2016年10月18日，已經(jīng)完成了237次發(fā)射，特別是“十二五”期間，共進(jìn)行了86次發(fā)射，將138顆衛(wèi)星送入軌道，成功率達(dá)97.7%。中國航天技術(shù)含量較高，打破了歐美壟斷，進(jìn)入了國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)市場，實(shí)現(xiàn)整星出口、在軌交付，總體技術(shù)性能接近或達(dá)到國際一流水平。

面向21世紀(jì)，世界主要航天強(qiáng)國均推出了新一代大型運(yùn)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(yùn)載火箭在運(yùn)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(dǎo)航等重大航天工程任務(wù)需求，研制新一代大型運(yùn)載火箭已是迫在眉睫，以全面提升中國運(yùn)載火箭的整體技術(shù)水平，提高運(yùn)載能力、可靠性、安全性、適應(yīng)性、環(huán)境友好性，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

研制過程

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

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

在長征-5火箭研制過程中，攻克了大量技術(shù)難題，促進(jìn)了中國航天整體進(jìn)步，牽引了新一代中型、小型運(yùn)載火箭研制，推動了新一代運(yùn)載火箭產(chǎn)業(yè)化基地、新一代大推力發(fā)動機(jī)研制基地、海南文昌航天發(fā)射場等配套設(shè)施的建設(shè)，是我國由航天大國向航天強(qiáng)國邁進(jìn)的重要支撐和顯著標(biāo)志之一。長征-5火箭經(jīng)過10年研制，累計(jì)開展試驗(yàn)約2058項(xiàng)，總計(jì)超過7000余次各種地面試驗(yàn)，按計(jì)劃將于2016年11月進(jìn)行首次飛行試驗(yàn)。

長征-5火箭可為探月工程三期、空間站工程核心艙及實(shí)驗(yàn)艙、二代導(dǎo)航二期工程、火星探測等國家重大工程任務(wù)提供高性能、高可靠的運(yùn)載工具，主要適應(yīng)LEO、GTO、地月轉(zhuǎn)移軌道（LTO）、太陽同步軌道（SSO）等對運(yùn)載能力、衛(wèi)星整流罩包絡(luò)需求更大的工程任務(wù)，大力推動航天運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展，為載人登月等未來國家重大戰(zhàn)略發(fā)展項(xiàng)目提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)為中國航天的發(fā)展在多方面開創(chuàng)新的發(fā)展空間。其GTO和LEO運(yùn)載能力還有進(jìn)一步提升的潛力，適應(yīng)運(yùn)載能力更大的工程任務(wù)需求。

2　長征-5火箭的技術(shù)創(chuàng)新

長征-5火箭從增強(qiáng)進(jìn)入空間能力的角度出發(fā)，瞄準(zhǔn)中國航天發(fā)展現(xiàn)實(shí)而迫切的需求，采用兩級5m直徑芯級，捆綁4個(gè)3.35m直徑助推器，全箭總長約56.97m，起飛質(zhì)量約879t，起飛推力約1078t，使我國運(yùn)載火箭的規(guī)模實(shí)現(xiàn)從中型到大型的跨越，LEO、GTO運(yùn)載能力分別達(dá)到25噸級、14噸級，達(dá)到或超過國外主流大型火箭，火箭總體和分系統(tǒng)技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，可靠性、適應(yīng)性、安全性大幅提高。

助推器斜頭錐

為了實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)性能指標(biāo)的國際先進(jìn)性，長征-5火箭全面突破以12項(xiàng)重大關(guān)鍵技術(shù)為代表的247項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。這12項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)包括∶總體優(yōu)化設(shè)計(jì)及環(huán)境預(yù)示技術(shù)；5m大直徑箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造與試驗(yàn)技術(shù)；采用循環(huán)預(yù)冷技術(shù)的低溫增壓輸送系統(tǒng)及新型閥門技術(shù)；助推器發(fā)動機(jī)擺動及前支點(diǎn)傳力大型液體運(yùn)載火箭姿態(tài)控制技術(shù)；大型低溫火箭的蹺振（POGO）抑制技術(shù)；120噸級高壓補(bǔ)燃液氧/煤油發(fā)動機(jī)技術(shù)；50噸級大推力液氫/液氧發(fā)動機(jī)技術(shù)；9噸級推力液氫/液氧發(fā)動機(jī)技術(shù)；采用總線技術(shù)的系統(tǒng)級冗余控制技術(shù)；采用高壓煤油和氫氣為能源的高可靠伺服機(jī)構(gòu)技術(shù)；10Mbit/s高碼速率遙測數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)綜合技術(shù)；大型活動發(fā)射平臺設(shè)計(jì)、試驗(yàn)技術(shù)。

這些關(guān)鍵技術(shù)均是我國運(yùn)載火箭研制史上首次遇到的重大、核心關(guān)鍵技術(shù)，在世界運(yùn)載火箭中也屬高難問題。在研制中，火箭人創(chuàng)造性地提出多項(xiàng)全新技術(shù)方案、刻苦攻關(guān)，全面掌握了這些全新技術(shù)，核心技術(shù)具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，不但確保了火箭運(yùn)載能力目標(biāo)和其他設(shè)計(jì)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，使我國運(yùn)載火箭的技術(shù)水平在現(xiàn)役“長征”火箭的基礎(chǔ)上有了多項(xiàng)重大突破，也使中國運(yùn)載火箭的整體技術(shù)水平向前邁進(jìn)了一大步。

提升運(yùn)載能力

（1）系列化、組合化設(shè)計(jì)思想

新一代大型運(yùn)載火箭為了兼顧多種構(gòu)型，按照系列化、組合化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，首次實(shí)現(xiàn)了6種構(gòu)型同時(shí)開展總體設(shè)計(jì)，在我國運(yùn)載火箭研制史上首次將先進(jìn)的產(chǎn)品化思想成功應(yīng)用到技術(shù)設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)建設(shè)、工裝制備等各個(gè)方面，成功解決了6種構(gòu)型同時(shí)優(yōu)化與設(shè)計(jì)的難題，突破了大量新型運(yùn)載火箭的核心關(guān)鍵技術(shù)，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(shù)為基礎(chǔ)的我國新一代中型、小型運(yùn)載火箭的若干構(gòu)型，目前這些構(gòu)型火箭已經(jīng)研制成功，同時(shí)為我國未來重型火箭奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

（2）采用大直徑薄殼箭體結(jié)構(gòu)

全箭大量采用精細(xì)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，運(yùn)載能力系數(shù)大大提高。長征-5火箭首次采用5m直徑大型箭體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)難度大，是實(shí)現(xiàn)運(yùn)載能力重大跨越的基礎(chǔ)。通過研制攻關(guān)，成功生產(chǎn)了我國最大的5m直徑貯箱高精度全自動大型焊接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了攪拌磨擦焊技術(shù)在火箭貯箱生產(chǎn)中首次應(yīng)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(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，工藝性、可制造性大大提高。采用液氮進(jìn)行低溫貯箱的地面內(nèi)壓試驗(yàn)，改進(jìn)貯箱液壓試驗(yàn)技術(shù)，大幅減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。采用助推器斜頭錐薄殼結(jié)構(gòu)，解決了400t偏置大集中力載荷擴(kuò)散以及局部大彎矩載荷下捆綁點(diǎn)變形控制等難題，突破前捆綁傳力的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，使我國掌握了捆綁火箭有效提高運(yùn)載能力的技術(shù)手段，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

（3）采用液氫/液氧、液氧/煤油兩種動力組合

動力系統(tǒng)優(yōu)化組合是提高運(yùn)載能力的重要手段。在新一代大型運(yùn)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(shí)間相對較短，適宜采用推力大、推進(jìn)劑密度大的液氧/煤油動力系統(tǒng)，使發(fā)動機(jī)的密度比沖增加；芯一級、芯二級工作時(shí)間長，分別是一級半構(gòu)型和二級半構(gòu)型的入軌級，適宜采用高比沖的氫氧動力系統(tǒng)。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(guī)模最小，使用的發(fā)動機(jī)臺數(shù)最少，從而可以有效提高運(yùn)載能力與運(yùn)載效率，是最合理的方案。

大尺寸柔性整流罩分離試驗(yàn)

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

提高可靠性

（1）模塊化設(shè)計(jì)思想

長征-5火箭采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，通過5m、3.35m、2.25m直徑的3個(gè)模塊和芯二級的不同組合，構(gòu)成芯級5m直徑的新一代大型運(yùn)載火箭系列6個(gè)構(gòu)型，在新一代大型運(yùn)載火箭基礎(chǔ)上衍生出新一代中型、小型運(yùn)載火箭。采用模塊化的設(shè)計(jì)思想可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)共用，提高可靠性，節(jié)省成本，縮短研制周期。

長征-5火箭LEO任務(wù)采用一級半構(gòu)型火箭直接入軌，GTO任務(wù)采用兩級半構(gòu)型火箭直接入軌。與現(xiàn)役火箭相比，減少火箭級數(shù)，減少發(fā)動機(jī)臺數(shù)，減少分離次數(shù)，提高了火箭飛行可靠性。

（2）提高系統(tǒng)與單機(jī)的設(shè)計(jì)可靠性

長征-5火箭設(shè)計(jì)可靠性按照0.98（置信度0.7）給各系統(tǒng)進(jìn)行分配，各系統(tǒng)大量采用了冗余、裕度等設(shè)計(jì)手段，提高設(shè)計(jì)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(xiàng)重大技術(shù)突破。

增壓輸送系統(tǒng)采用循環(huán)預(yù)冷技術(shù)及新型閥門技術(shù)，使我國運(yùn)載火箭的動力輸送系統(tǒng)的技術(shù)水平、可靠性、冗余度等均大大提高，達(dá)到國際先進(jìn)水平；采用大型低溫火箭的蹺振抑制技術(shù)，解決了我國運(yùn)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(wěn)定性準(zhǔn)則，采用全新的蓄壓器技術(shù)，技術(shù)水平全面提升。

控制系統(tǒng)采用基于總線技術(shù)的系統(tǒng)級冗余技術(shù)，是我國運(yùn)載火箭研制史上第一次全面采用系統(tǒng)級冗余技術(shù)，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(shù)，使長征-5控制系統(tǒng)的技術(shù)水平、可靠性處于國際先進(jìn)水平。

測量系統(tǒng)采用10Mbit/s高碼速率遙測數(shù)據(jù)傳輸與綜合技術(shù)，成功解決了我國首次在沿海發(fā)射場無法實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)磁記錄器陸上回收后大容量數(shù)據(jù)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(shù)，使我國運(yùn)載火箭遙測技術(shù)水平大幅提升，處于國際先進(jìn)水平。

伺服系統(tǒng)采用高壓煤油和氫氣為動力的高可靠伺服技術(shù)，功率大、質(zhì)量輕、可靠性高，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。

（3）加強(qiáng)可靠性設(shè)計(jì)管理

在研制初期，型號隊(duì)伍進(jìn)行了我國運(yùn)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(shù)、經(jīng)濟(jì)、進(jìn)度、風(fēng)險(xiǎn)管控、保障條件等全要素進(jìn)行全面的綜合分析和評價(jià)，形成完整的研制策劃，為新型運(yùn)載火箭研制這類復(fù)雜系統(tǒng)工程的管理開創(chuàng)了新的工作模式。

完成了全箭故障模式及影響分析（FMEA）、單點(diǎn)失效分析、飛行事件鏈分析和可靠性預(yù)示、可靠性定量評估等工作，從設(shè)計(jì)源頭抓好可靠性工作，形成并完善了一系列可靠性設(shè)計(jì)與管理、項(xiàng)目組織與管理的新方法、新標(biāo)準(zhǔn)?；鸺兄七^程中開展了多輪風(fēng)險(xiǎn)識別、分析與控制工作，充分辨識出了火箭研制中的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目，并通過地面試驗(yàn)進(jìn)行消除和控制。

首次在型號研制中全面推進(jìn)先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計(jì)手段，引進(jìn)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)工具，構(gòu)建了我國運(yùn)載火箭研制歷史上第一個(gè)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。實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化模裝替代實(shí)物模裝，完成了型號數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化分析、數(shù)字化試驗(yàn)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(fèi)。

3　結(jié)束語

航天運(yùn)載工具是一個(gè)國家進(jìn)入空間的主要手段，是和平利用空間及軍事爭奪占領(lǐng)空間的基本條件和前題。目前長征-5火箭已經(jīng)在海南發(fā)射場完成火箭垂直總裝和測試，火箭狀態(tài)正常，預(yù)計(jì)于2016年11月?lián)駲C(jī)發(fā)射。

“中國火箭的運(yùn)載能力有多大，中國航天的舞臺就有多大”，長征-5火箭將擔(dān)負(fù)起歷史的使命，運(yùn)載能力比現(xiàn)役火箭提高2倍多，實(shí)現(xiàn)我國火箭運(yùn)載能力的大幅度跨越，綜合性能處于國際先進(jìn)水平，為我國后續(xù)開展載人空間站、探月工程三期、火星探測、二代導(dǎo)航等國家重大航天工程任務(wù)提供高可靠、低成本、無毒無污染、適應(yīng)性強(qiáng)、安全性好、運(yùn)載能力大的先進(jìn)運(yùn)載工具。

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