長(zhǎng)征五號(hào)系列運(yùn)載火箭研制應(yīng)用分析及未來(lái)展望

李平岐 ，李 東 ，楊虎軍 ，黃 兵 ，黃 輝

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

0 引 言

長(zhǎng)征五號(hào)系列運(yùn)載火箭（后簡(jiǎn)稱 CZ-5），是中國(guó)新一代運(yùn)載火箭中第1個(gè)立項(xiàng)研制的火箭型號(hào)，它是為了滿足中國(guó)航天發(fā)展對(duì)大運(yùn)載能力日益迫切的需求而研制的新一代大型液體運(yùn)載火箭，以大幅提升中國(guó)進(jìn)入空間的能力為目標(biāo)，是中國(guó)由航天大國(guó)邁向航天強(qiáng)國(guó)的顯著標(biāo)志和重要支撐[1,2]。

2016年11月3日，CZ-5火箭首飛取得圓滿成功；2020年 5月 5日，CZ-5B火箭首飛取得圓滿成功； 2020年7月23日、11月24日，CZ-5火箭先后圓滿完成了天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器、嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器發(fā)射任務(wù)，為中國(guó)首次火星探測(cè)、月球取樣返回和載人空間站工程等國(guó)家重大航天工程任務(wù)實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 研制回顧

CZ-5系列運(yùn)載火箭按照“立足長(zhǎng)遠(yuǎn)、統(tǒng)籌規(guī)劃、優(yōu)先發(fā)展、分步實(shí)施”的發(fā)展原則，遵循“一個(gè)系列、兩種發(fā)動(dòng)機(jī)、三個(gè)模塊”的總體思路，貫徹“通用化、組合化、系列化”設(shè)計(jì)思想，以“高可靠、低成本、無(wú)毒、無(wú)污染、適應(yīng)性強(qiáng)、安全性好”為發(fā)展目標(biāo)開(kāi)展論證和研制。

CZ-5系列運(yùn)載火箭的研制并不是以單一任務(wù)為目標(biāo)，而是瞄準(zhǔn)中國(guó)航天發(fā)展的現(xiàn)實(shí)和迫切需求而規(guī)劃的一個(gè)系列化運(yùn)載火箭，基于5 m直徑模塊，共規(guī)劃了6個(gè)構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種典型任務(wù)需求的覆蓋，其中地球同步轉(zhuǎn)移軌道（Geosynchronous Transfer Orbit，GTO）覆蓋 6～14 t，近地軌道（Low Earth Orbit，LEO）覆蓋 10～25 t；基于 3.35 m 直徑和 2.25 m 直徑模塊，構(gòu)建了新一代中、小型運(yùn)載火箭[3]。

目前已經(jīng)首飛并工程應(yīng)用的 CZ-5火箭是兩級(jí)半最大構(gòu)型，采用5 m直徑氫氧芯級(jí)、捆綁4個(gè)3.35 m直徑液氧煤油助推器方案，主要用于中高軌及深空探測(cè)發(fā)射任務(wù)；已經(jīng)首飛的CZ-5B火箭是一級(jí)半最大構(gòu)型，相比CZ-5火箭，減少了二子級(jí)、并采用了更大規(guī)模的整流罩，以滿足載人空間站工程艙段發(fā)射任務(wù)的使用需求。CZ-5火箭和CZ-5B火箭實(shí)現(xiàn)了助推器和芯一級(jí)模塊完全共用，在中國(guó)首次實(shí)現(xiàn)了兩型大型火箭的并行研制，大幅縮短了研制周期、節(jié)約了研制經(jīng)費(fèi)，為中國(guó)運(yùn)載火箭的模塊化、系列化發(fā)展積累了豐富的研制經(jīng)驗(yàn)。

CZ-5火箭新技術(shù)比例超過(guò)90%，包括：全新5 m箭體結(jié)構(gòu)，2219鋁合金新材料，三型全新高性能、無(wú)毒無(wú)污染發(fā)動(dòng)機(jī)，全新控制系統(tǒng)級(jí)冗余和總線技術(shù)，高碼率雙點(diǎn)頻冗余傳輸技術(shù)，“新三垂”測(cè)發(fā)模式為代表的12大類200余項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)[4]。研制過(guò)程中累計(jì)投產(chǎn)各類單機(jī)產(chǎn)品18 000余臺(tái)（套），開(kāi)展各類地面試驗(yàn)20 000余次。2016年，CZ-5火箭首飛成功，全面驗(yàn)證了火箭總體方案以及各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的正確性、協(xié)調(diào)性。

2017年7月，CZ-5火箭進(jìn)行第2次飛行試驗(yàn)時(shí)，由于飛行過(guò)程中芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力異常下降導(dǎo)致飛行失利。在隨后的兩年多時(shí)間里，完成故障歸零，采取的改進(jìn)措施經(jīng)過(guò)多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)多次地面熱試車考核驗(yàn)證，確認(rèn)措施有效。2019年12月27日，CZ-5遙三火箭復(fù)飛取得圓滿成功，進(jìn)一步驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性。2020年7月23日、11月24日，CZ-5遙四、遙五火箭先后圓滿完成了中國(guó)首次火星探測(cè)（見(jiàn)圖1）和探月三期嫦娥五號(hào)探測(cè)器月球取樣返回發(fā)射任務(wù)。

故障歸零工作的同時(shí)，累計(jì)開(kāi)展 400余項(xiàng)“再分析、再設(shè)計(jì)和再驗(yàn)證”項(xiàng)目，進(jìn)行了 200余項(xiàng)設(shè)計(jì)改進(jìn)，提高了設(shè)計(jì)裕度，火箭的可靠性得到全面提升。為提高產(chǎn)品質(zhì)量的管控水平，研制隊(duì)伍提出了設(shè)計(jì)特性全集的思路和全新工作方法，全箭各類產(chǎn)品共識(shí)別設(shè)計(jì)特性30 000余項(xiàng)，并按照設(shè)計(jì)特性屬性及重要性進(jìn)行了分類分級(jí)管控，通過(guò)設(shè)計(jì)特性全集管控工作，有效確保了火箭產(chǎn)品的質(zhì)量[5]。

現(xiàn)役大型火箭GTO軌道運(yùn)載能力對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 現(xiàn)役大型火箭GTO軌道運(yùn)載能力對(duì)比 Fig.2 Comparison of Orbit Carrying Capabilities of GTO of Large Rocket in Service

CZ-5火箭大幅提升了中國(guó)運(yùn)載火箭的整體技術(shù)水平，運(yùn)載能力相比中國(guó)現(xiàn)役運(yùn)載火箭提高了2.5倍，綜合技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際同類大型運(yùn)載火箭先進(jìn)水平。

在CZ-5火箭成功研制的基礎(chǔ)上，為滿足中國(guó)載人航天工程第 3步——空間站工程的任務(wù)要求，開(kāi)展了CZ-5B火箭的研制，主要用于空間站艙段發(fā)射任務(wù)，其近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到了25 t。CZ-5B火箭遵循與CZ-5火箭進(jìn)行產(chǎn)品化設(shè)計(jì)的原則，充分繼承了 CZ-5火箭研制基礎(chǔ)，助推器、芯一級(jí)狀態(tài)與CZ-5火箭狀態(tài)完全相同。為滿足空間站艙段發(fā)射任務(wù)要求，CZ-5B火箭突破了20.5 m長(zhǎng)整流罩分離技術(shù)、大直徑艙箭連接分離技術(shù)、大推力直接入軌精度控制和分離安全控制技術(shù)等重大關(guān)鍵技術(shù)。2020年5月5日，CZ-5B火箭首飛取得圓滿成功（見(jiàn)圖3），它也是目前國(guó)際上唯一一級(jí)半直接入軌火箭[6]，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、研制成本低、可靠性高等特點(diǎn)。

圖3 CZ-5B火箭首飛Fig.3 LM-5B Maiden Flight

2 任務(wù)能力分析

CZ-5系列運(yùn)載火箭任務(wù)適應(yīng)能力強(qiáng)，具備各種典型軌道任務(wù)的發(fā)射能力，其中兩級(jí)半構(gòu)型CZ-5火箭可以用于中高軌道、深空探測(cè)任務(wù)，一級(jí)半構(gòu)型 CZ-5B火箭可用于近地軌道發(fā)射任務(wù)。此外，CZ-5火箭、CZ-5B火箭與遠(yuǎn)征系列上面級(jí)、固體上面級(jí)組合還可執(zhí)行地球靜止軌道（The Geostationary Orbit，GEO）直接入軌、中高軌圓軌道、太陽(yáng)邊際行星際探測(cè)等多種發(fā)射任務(wù)。

2.1 CZ-5火箭典型任務(wù)分析

CZ-5火箭為兩級(jí)半構(gòu)型，可適應(yīng)的任務(wù)類型包括：

a）直接用于GTO、地月轉(zhuǎn)移軌道（Lunar Transfer Orbit，LTO）、地火轉(zhuǎn)移軌道（Mars Transfer Orbit，MTO）以及太陽(yáng)同步軌道（Sun-synchronous Orbit，SSO）發(fā)射任務(wù)；

b）與遠(yuǎn)征二號(hào)上面級(jí)組合，可以直接發(fā)射 GEO任務(wù)；

c）執(zhí)行發(fā)射能量要求更高的深空探測(cè)任務(wù)時(shí)，由于CZ-5火箭二子級(jí)規(guī)模較大，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)載能力最優(yōu)，當(dāng)逃逸能量C3超過(guò)20 km2/s2時(shí)，建議采用“CZ-5火箭+遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)”或“CZ-5火箭+小固體上面級(jí)”的方案。

2.2 CZ-5B火箭典型任務(wù)分析

CZ-5B火箭為一級(jí)半構(gòu)型，可適應(yīng)的任務(wù)類型包括：

a）直接用于LEO發(fā)射任務(wù)；

b）可以與遠(yuǎn)征系列上面級(jí)組合，發(fā)射高度1000 km左右的圓軌道、SSO等任務(wù)。

2.3 整流罩可用包絡(luò)

CZ-5火箭、CZ-5B火箭整流罩采用整體吊裝方案，整流罩頭錐采用馮·卡門外形、全透波方案，整流罩柱段采用模塊化組合方案，整流罩直徑5.2 m。整流罩可用包絡(luò)示意如圖4所示。

圖4 整流罩可用包絡(luò)Fig.4 Available Envelope of Fairing

CZ-5火箭整流罩長(zhǎng)約12 m、CZ-5B火箭整流罩長(zhǎng)約21 m，整流罩柱段可用包絡(luò)直徑4.5 m，對(duì)于CZ-5B火箭用長(zhǎng)整流罩，由于整流罩以及有效載荷彈性變形影響，在距離整流罩下端面10 600 mm以上部分，整流罩柱段可用包絡(luò)逐漸減小，整流罩內(nèi)部可用空間見(jiàn)圖4陰影部分，整流罩操作口和透波口可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行定制。

2.4 星箭接口方案

目前，CZ-5、CZ-5B火箭支持2種類型的星箭連接解鎖方案：點(diǎn)式連接解鎖裝置和線形連接解鎖裝置。

a）點(diǎn)式分離方案采用10個(gè)或12個(gè)低沖擊分離裝置進(jìn)行連接和解鎖分離，目前可以支持 Φ1900 mm、Φ3100 mm、Φ3500 mm、Φ3800 mm等多種接口方案，建議采用尺寸接口較大的方案，便于星箭對(duì)接操作以及可以適應(yīng)更大的衛(wèi)星質(zhì)量。點(diǎn)式分離裝置具有有分離沖擊小、碎片及多余物可控、承載能力范圍廣、同步性較好、安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

b）線形分離方案采用“膨脹管+雙凹槽板”的線形分離裝置進(jìn)行連接和解鎖分離，目前可以支持Φ4100 mm接口。線性分離裝置具有可靠性高、結(jié)構(gòu)剛度連續(xù)、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

3 發(fā)展展望

3.1 研制更大整流罩，提升任務(wù)適應(yīng)性

隨著CZ-5系列運(yùn)載火箭成功研制及應(yīng)用，中國(guó)多個(gè)有效載荷提出了發(fā)射使用需求，但現(xiàn)有CZ-5火箭采用的12 m長(zhǎng)整流罩柱段長(zhǎng)度較小、使用空間不滿足大質(zhì)量載荷的包絡(luò)使用需求。為此，結(jié)合運(yùn)載能力情況，開(kāi)展了更大整流罩的論證，最終確定采用約19 m整流罩方案，柱段高度有效增加，該整流罩可適應(yīng)一箭一星以及一箭雙星串聯(lián)發(fā)射任務(wù)，其中雙星串聯(lián)任務(wù)一次可發(fā)射2顆DFH-4平臺(tái)的衛(wèi)星，也可一次發(fā)射DFH-5和DFH-3平臺(tái)衛(wèi)星各一顆，進(jìn)一步拓展了CZ-5火箭的發(fā)射任務(wù)適應(yīng)性，如圖5所示。

圖5 新整流罩方案 Fig.5 New Fairing Scheme

3.2 發(fā)射場(chǎng)流程優(yōu)化，提升年均發(fā)射能力

CZ-5系列火箭是中國(guó)全新研制的大型低溫液體運(yùn)載火箭，系統(tǒng)復(fù)雜，型號(hào)初期按照“發(fā)射場(chǎng)測(cè)試全面覆蓋”的原則，開(kāi)展了發(fā)射場(chǎng)測(cè)試發(fā)射流程設(shè)計(jì)，制訂了為期約 2個(gè)月的發(fā)射場(chǎng)測(cè)試發(fā)射工作流程。隨著火箭技術(shù)狀態(tài)的不斷固化以及發(fā)射次數(shù)的增加，CZ-5系列運(yùn)載火箭將逐漸完成技術(shù)方案不斷細(xì)化和完善、數(shù)據(jù)獲取等“成長(zhǎng)和積累期”，具備開(kāi)展后續(xù)流程優(yōu)化、縮短發(fā)射周期等工作的條件。

截至2020年11月，CZ-5系列運(yùn)載火箭共完成了6次飛行，結(jié)合歷次任務(wù)發(fā)射場(chǎng)工作開(kāi)展情況，后續(xù)可從以下幾方面開(kāi)展流程優(yōu)化工作：

a）優(yōu)化發(fā)射場(chǎng)測(cè)試項(xiàng)目；

b）優(yōu)化產(chǎn)品卸船、轉(zhuǎn)載、箭體恢復(fù)等箭體吊裝前準(zhǔn)備工作；

c）優(yōu)化星箭對(duì)接及合罩流程；

d）優(yōu)化推進(jìn)劑加注流程，采用異種推進(jìn)劑并行加注方案；

e）芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)大噴管裝箭運(yùn)輸，減少發(fā)射場(chǎng)保留工序。

通過(guò)上述改進(jìn)，發(fā)射場(chǎng)測(cè)發(fā)流程至少可縮短15天。

3.3 故障容錯(cuò)及重構(gòu)設(shè)計(jì)，提升飛行可靠性和安全性

運(yùn)載火箭的故障診斷、容錯(cuò)及重構(gòu)設(shè)計(jì)是提升飛行可靠性和安全性的有效手段。通過(guò)診斷系統(tǒng)將故障準(zhǔn)確診斷出來(lái)，根據(jù)故障情況規(guī)劃后續(xù)飛行任務(wù)，并重構(gòu)制導(dǎo)控制律保證后續(xù)任務(wù)的繼續(xù)實(shí)施，實(shí)現(xiàn)對(duì)典型故障的適應(yīng)。中國(guó)近期的幾次飛行失利表明，若運(yùn)載火箭進(jìn)行故障容錯(cuò)和重構(gòu)設(shè)計(jì)，具備故障吸收能力，可大幅提升運(yùn)載火箭的可靠性和飛行成功率。目前，隨著迭代制導(dǎo)技術(shù)的成熟、基于總線架構(gòu)的箭上硬件水平的提升，開(kāi)展故障容錯(cuò)和重構(gòu)設(shè)計(jì)已成為可能[7]。

CZ-5火箭主要用于國(guó)家重大專項(xiàng)任務(wù)和大質(zhì)量、高價(jià)值載荷發(fā)射任務(wù)，任務(wù)的意義及影響較大，對(duì)發(fā)射可靠性及安全性要求更高。CZ-5火箭GTO運(yùn)載能力達(dá)到了14 t，在其執(zhí)行的發(fā)射任務(wù)中，大部分有效載荷質(zhì)量要小于運(yùn)載能力，因此每次飛行任務(wù)中均具有一定的運(yùn)載余量，具備開(kāi)展故障診斷、容錯(cuò)及重構(gòu)設(shè)計(jì)的條件。

為進(jìn)一步提升CZ-5火箭的飛行可靠性，重點(diǎn)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障、伺服機(jī)構(gòu)故障等開(kāi)展了故障適應(yīng)性及容錯(cuò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，在后續(xù)飛行任務(wù)中，將逐步推進(jìn)相關(guān)改進(jìn)技術(shù)的飛行搭載驗(yàn)證及工程應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

CZ-5火箭是中國(guó)新一代運(yùn)載火箭的標(biāo)志性重大工程，大幅提升了中國(guó)自主進(jìn)入空間的能力，直接支撐了中國(guó)探月工程三期、火星探測(cè)等國(guó)家重大工程任務(wù)的實(shí)施，同時(shí)為中國(guó)載人空間站工程建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。CZ-5系列運(yùn)載火箭具有運(yùn)載能力大、任務(wù)適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以滿足低軌、中高軌以及深空探測(cè)等各種任務(wù)需求，同時(shí)將結(jié)合運(yùn)載火箭領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展，持續(xù)地開(kāi)展改進(jìn)優(yōu)化，不斷提升火箭的任務(wù)適應(yīng)性、飛行可靠性和安全性，將其打造成中國(guó)新一代運(yùn)載火箭家族中的“金牌火箭”。