揭秘“長五B”的黑科技

毅飛

2020年5月5日18時(shí)00分，為我國載人空間站工程研制的長征五號B運(yùn)載火箭，搭載新一代載人飛船試驗(yàn)船和柔性充氣式貨物返回艙試驗(yàn)艙，從中國文昌航天發(fā)射場點(diǎn)火升空。約488秒后，載荷組合體與火箭成功分離，進(jìn)入預(yù)定軌道。

這是長征五號B火箭的首次飛行任務(wù)。任務(wù)圓滿成功，實(shí)現(xiàn)空間站階段飛行任務(wù)首戰(zhàn)告捷，拉開了我國載人航天工程“第三步”任務(wù)序幕。

長征五號B火箭由中國航天科技集團(tuán)一院抓總研制，是以長征五號為基礎(chǔ)改進(jìn)研制而成，主要用于我國空間站艙段等重大航天發(fā)射任務(wù)。記者從一院了解到，此次任務(wù)中，長征五號B火箭運(yùn)送的載荷質(zhì)量達(dá)到22噸，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系列火箭在世界現(xiàn)役火箭運(yùn)載能力第一梯隊(duì)中的地位。

那么長征五號B火箭是怎樣將這么重的飛船送上天的？

“長五”哥倆使命不同

從外觀上看，長征五號B火箭“身高”近54米，相當(dāng)于18層樓高，芯級直徑5米，近850噸重。與長征五號相比，它的“腰圍”一樣，輕20噸，個子矮了大約3米。這是因?yàn)樗乳L征五號少了芯二級和級間段，只有一個芯級配備4個助推器，是我國首型“一級半”箭。

不過長征五號B火箭的整流罩比長征五號大多了，長度超過20米，足以把十多米長、4米多粗的空間站核心艙裝進(jìn)去。

除了外觀和構(gòu)型，這哥倆還各有所長。長征五號火箭擅于跑長途，運(yùn)送目的地包括大約三萬六千公里外的地球同步軌道、38萬公里外的月球，以及最近距離也有5000萬公里的火星。長征五號B則專注于高度200至400公里的近地軌道，這是我國空間站建設(shè)的主戰(zhàn)場，后續(xù)空間站核心艙等主要艙段都要由長五B火箭送上天。

長征五號B火箭能憑借一級半構(gòu)型把重磅航天器送入太空，得益于采用氫氧發(fā)動機(jī)的芯一級，與使用液氧煤油發(fā)動機(jī)的助推器合理搭配。其中芯一級的2臺大推力氫氧發(fā)動機(jī)，憑借傲視群雄的比沖（用于衡量發(fā)動機(jī)性能，可以理解為汽車的“百公里油耗”），直接影響著航天器的最終入軌。

由于長征五號B火箭所承擔(dān)任務(wù)的特殊性，對氫氧發(fā)動機(jī)提出了極高要求。載人空間站工程的交會對接等任務(wù)，好比在太空“穿針引線”，時(shí)間有絲毫誤差，都可能讓對接雙方失之交臂，不得不耗費(fèi)很大代價(jià)調(diào)整軌道。這要求運(yùn)載火箭的發(fā)射時(shí)間“分秒不差”，也就是所謂的“零窗口”發(fā)射。長征五號B所用的氫氧發(fā)動機(jī)，必須確保發(fā)射前工作環(huán)環(huán)相扣、步步流暢，才能不耽誤發(fā)射窗口。

另外，長征五號B火箭的加速度比長征五號更快，但在助推器分離后，火箭加速度又會瞬間達(dá)到最低。航天科技集團(tuán)六院長征五號火箭副總設(shè)計(jì)師王維彬表示，發(fā)動機(jī)入口面對大起大落的壓力，會給發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定、可靠工作帶來巨大挑戰(zhàn)。氫氧發(fā)動機(jī)研制隊(duì)伍開展了大量研究改進(jìn)與試驗(yàn)驗(yàn)證，逐一攻克難點(diǎn)，進(jìn)一步提高了發(fā)動機(jī)工作可靠性和穩(wěn)定性。

點(diǎn)火到入軌一氣呵成

長征五號B是我國首個一級半構(gòu)型火箭。

按照構(gòu)型，火箭分為單級火箭和多級火箭兩類，火箭助推器通常被算作半級。

其中，多級火箭又分串聯(lián)、并聯(lián)、混合式三種聯(lián)結(jié)方式。所謂串聯(lián)，指火箭各子級像竹竿一樣串在一起，這樣空氣阻力往往比較小。并聯(lián)指多級火箭并排捆綁在一起，這在助推器中較為常見?；旌鲜絼t是既有串聯(lián)、又有并聯(lián)。例如用于發(fā)射神舟飛船的長征二號F火箭、發(fā)射天舟貨運(yùn)飛船的長征七號火箭，以及長征五號火箭等，都是采用助推器與一子級并聯(lián)捆綁，一子級又和二級串聯(lián)的方式，構(gòu)成二級半構(gòu)型。

目前我國航天任務(wù)采用較多的是多級火箭。其工作特點(diǎn)是，火箭點(diǎn)火后一級發(fā)動機(jī)開始工作，燃料用完，一級發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，并和燃料儲箱一起從箭體上分離。其余各級發(fā)動機(jī)也是如此，通過這種“卸包袱”的形式，讓火箭輕裝前行，持續(xù)獲得良好的加速性能。在此基礎(chǔ)上，各級火箭分別承擔(dān)“起跑、加速跑、沖刺”的任務(wù)。

不過火箭級數(shù)越多，控制起來越復(fù)雜，因此一般不會超過四級。長征火箭家族中，只有長征十一號固體運(yùn)載火箭達(dá)到了四級。

長征五號B火箭是在一級上捆綁了4個助推器，屬于一級半火箭。相比多級火箭的“接力”，它更加“簡單粗暴”，從點(diǎn)火到入軌一氣呵成，是我國現(xiàn)役運(yùn)載火箭中唯一一款直接入軌的火箭。

這樣的構(gòu)型不僅豐富和完善了我國新一代運(yùn)載火箭型譜，也提升了系統(tǒng)可靠性。要知道，級間分離是火箭飛行中最容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)之一。火箭級間分離時(shí)，下級發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，級間分離火工品工作使兩級分開。為避免分開的兩級發(fā)生“追尾”和“碰撞”，要用側(cè)推小火箭或反推小火箭點(diǎn)火，讓分離開的兩級隔出一段安全距離，上級火箭發(fā)動機(jī)再點(diǎn)火繼續(xù)飛行。這一系列動作十分復(fù)雜，對控制的要求極高。長征五號B火箭系統(tǒng)簡單，無級間分離，可靠性自然就高。

大刀刻微雕，精度怎么保證？

采用多級火箭執(zhí)行發(fā)射任務(wù)時(shí)，都是用推力很小的末級火箭將衛(wèi)星送到預(yù)定軌道，再輔以推力更小的姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)，更容易在航天器入軌前對位置與姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)，從而確保精確入軌。

而只有一級半的長征五號B火箭，要用2臺大推力氫氧發(fā)動機(jī)直接運(yùn)送載荷入軌，就像用大刀刻“微雕”，力道極難掌握，給精準(zhǔn)入軌帶來了巨大挑戰(zhàn)。

同時(shí)，大推力氫氧發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)后，還會產(chǎn)生“后效”，就如同燃?xì)庠铌P(guān)閉后的“余火”，也會對入軌精度造成影響。這需要確保發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定，并在發(fā)動機(jī)研制時(shí)就盡可能算出“后效”的預(yù)測值，控制系統(tǒng)也必須將所有可能產(chǎn)生的誤差考慮進(jìn)去。

航天科技集團(tuán)一院長征五號火箭副總設(shè)計(jì)師李學(xué)鋒介紹，針對發(fā)動機(jī)后效等不確定因素，研制團(tuán)隊(duì)用隨機(jī)“打靶”的方法，模擬出上萬種情況，以驗(yàn)證控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性?！按虬小睂?shí)驗(yàn)證明，即便預(yù)測的“后效”與實(shí)際情況有所出入，控制系統(tǒng)也能確保火箭精確入軌。