长征号运载火箭“长五B”火箭首飞成功，创下运载纪录！一文读懂它身上的黑科技
◎ 科技日报采访人员 付毅飞
2020年5月5日18时00分 ， 为我国载人空间站工程研制的长征五号B运载火箭 ， 搭载新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱 ， 从中国文昌航天发射场点火升空 。 约488秒后 ， 载荷组合体与火箭成功分离 ， 进入预定轨道 。
这是长征五号B火箭的首次飞行任务 。 任务圆满成功 ， 实现空间站阶段飞行任务首战告捷 ， 拉开了我国载人航天工程“第三步”任务序幕 。
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▲ 长征五号B运载火箭一飞冲天 。 高一鸣 摄
那么这哥俩有何不同？长征五号B火箭是怎样将这么重的飞船送上天的？航天科技集团向科技日报给出了答案 。
“长五”哥俩使命不同
从外观上看 ， 长征五号B火箭“身高”近54米 ， 相当于18层楼高 ， 芯级直径5米 ， 近850吨重 。 与长征五号相比 ， 它的“腰围”一样 ， 轻20吨 ， 个子矮了大约3米 。 这是因为它比长征五号少了芯二级和级间段 ， 只有一个芯级配备4个助推器 ， 是我国首型“一级半”火箭 。
不过长征五号B火箭的整流罩比长征五号大多了 ， 长度超过20米 ， 足以把十多米长、4米多粗的空间站核心舱装进去 。
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大刀刻微雕 ，
精度怎么保证？
采用多级火箭执行发射任务时 ， 都是用推力很小的末级火箭将卫星送到预定轨道 ， 再辅以推力更小的姿态控制发动机 ， 更容易在航天器入轨前对位置与姿态进行微调 ， 从而确保精确入轨 。
而只有一级半的长征五号B火箭 ， 要用2台大推力氢氧发动机直接运送载荷入轨 ， 就像用大刀刻“微雕” ， 力道极难掌握 ， 给精准入轨带来了巨大挑战 。
同时 ， 大推力氢氧发动机关机后 ， 还会产生“后效” ， 就如同燃气灶关闭后的“余火” ， 也会对入轨精度造成影响 。 这需要确保发动机燃烧稳定 ， 并在发动机研制时就尽可能算出“后效”的预测值 ， 控制系统也必须将所有可能产生的误差考虑进去 。
航天科技集团一院长征五号火箭副总设计师李学锋介绍 ， 针对发动机后效等不确定因素 ， 研制团队用随机“打靶”的方法 ， 模拟出上万种情况 ， 以验证控制系统设计的可靠性 。 “打靶”实验证明 ， 即便预测的“后效”与实际情况有所出入 ， 控制系统也能确保火箭精确入轨 。
而控制系统研制队伍早在长征五号系列火箭研制之初 ， 就统筹考虑了长征五号和长征五号B的任务特点 。 控制系统的硬件可以通用 ， 已实现产品化；软件也无需大改 ， 就能适应两者不同的飞行任务 。
在火箭总体弹道设计上 ， 科技人员也充分考虑了发动机“后效”的影响 ， 基于发动机校准试车的实际数据进行计算 ， 进一步优化了设计方案 。
多项瘦身举措收益可观
对于多级火箭来说 ， 芯一级、助推器减重 ， 对提高运载能力的影响并不明显 。 而对于一级半入轨的长征五号B火箭来说 ， 芯一级减重多少 ， 运载能力几乎就可以提高多少；助推器减重与运载能力提高的比例也高达1.25:1 。 减重收益相当可观 。
长征五号B火箭的芯一级尾段位于箭体最后 ， 不仅是发动机舱 ， 当火箭竖立在发射台上时还能起到支撑作用 。 此前长征五号火箭的尾段 ， 采用的是组合梁结合分瓣玻璃钢底板的结构方案 。 而在长征五号B火箭研制中 ， 航天科技集团一院703所把大直径大厚度碳纤维复合材料“3+2”蜂窝夹层结构整体成型技术 ， 用在了一级尾段的壁板和防热板结构成型中 ， 实现减重约400公斤 。
该火箭助推器的减重也颇具特色 。 据航天科技集团八院长五系列项目办主任张修科介绍 ， 长征五号火箭的助推器如同4位壮汉 ， 分别用“单肩”扛着芯级 ， 这对“肩膀”的结构提出了很高要求 。 而在长征五号B火箭身上 ， 研制团队创新运用杠杆原理等 ， 在捆绑点、助推器头锥中装上了4根“扁担” ， 变“单肩扛”为“双肩挑” ， 分散了受力 。 同时辅以先进的结构计算方式 ， 综合改进头锥的结构 ， 减重效果明显 。 助推器头锥、气瓶等方面的改进 ， 共减重约600公斤 。
采访人员了解到 ， 长征五号B火箭上采取的许多减重措施 ， 未来也将应用在长征五号火箭上 。
据中国载人航天工程办公室消息 ， 长征五号B火箭首飞成功 ， 验证了火箭总体方案、各分系统方案的正确性、协调性 ， 突破了大尺寸整流罩分离技术、大直径舱箭连接分离技术、大推力直接入轨偏差精确控制技术等一批新技术 ， 为我国空间站在轨建造任务奠定了重要基础 。
整流罩不止于大
长征五号B火箭身上还有多项国内首创的黑科技 ， 比如整流罩 。
整流罩是运载火箭的重要组成部分 ， 用于保护卫星或其他有效载荷免受气动力、气动加热及声振等有害环境的影响 。 长征五号B火箭拥有目前我国最长最大的整流罩 ， 整流罩长达20.5米 ， 相当于6层楼高 ， 直径达到5.2米 。 如此宽敞的空间 ， 是为发射空间站核心舱和实验舱而量身打造 。
为了改善气动特性 ， 该整流罩采用了冯·卡门曲线外形 。 冯·卡门曲线是一种非线性曲线 ， 可以更好地减小空气阻力 ， 减轻载荷所受影响 。 但如此外形的整流罩 ， 展开之后并不是一个平面 ， 而是立体的 ， 制造难度高于传统的锥形整流罩 。
作为我国长度最长、重量最重的整流罩 ， 另一个技术难点在于如何保证分离时的安全可靠 。 经过多方案对比 ， 科技人员确定采用旋转式分离方案 ， 并为此开展了大量仿真分析 ， 以及多次整流罩分离试验 ， 有效验证了设计正确性和各系统接口协调性 。
开创”冰箭“零窗口发射先河
火箭发射窗口指允许火箭发射的时间范围 ， 一般根据卫星或飞船入轨要求 ， 以及多种限制条件综合权衡后确定 ， 比如卫星的轨道精度要求、地球与行星的相对位置要求等 。 “零窗口”是指发射时间范围为零的发射窗口 ， 也就是要求火箭必须分秒不差地点火升空 。 我国在实施天宫一号、北斗导航卫星等发射任务时 ， 都曾经进行过零窗口发射 。
未来的空间站交会对接任务 ， 对长征五号B火箭也提出了零窗口发射需求 ， 发射时间精度误差要控制在1秒以内 。 作为采用液氢、液氧等低温推进剂的“冰箭” ， 长征五号B火箭的零窗口发射有着更高技术含量和更大难度 。 此次发射成功 ， 也开创了新一代运载火箭零窗口发射的先河 。
为了实现零窗口发射 ， 火箭各系统要确保在点火前一段时间 ， 就完成各项准备 。 但低温推进剂加注后会不停地蒸发消耗 ， 因此长征五号B火箭的准备状态并不是越早越好 ， 而要严格按照时间要求精准完成 ， 并且为应对各种情况充分做好预案 。
作为我国最复杂的运载火箭 ， 长征五号火箭发射前非常繁忙 ， 任何一处细微差错都可能造成发射流程延误 ， 进而影响零窗口的实现 。 研制团队通过开展大量分析和试验 ， 实现了关键系统可靠性提升；通过射前流程优化 ， 进一步提高了各系统对于零窗口发射的适应性 ， 最终保证了任务成功实施 。
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目前我国长征系列火箭主要构型：
两级火箭：长征二号、长征二号丙、长征二号丁
两级半火箭：长征二号捆、长征二号F、长征五号、长征七号
三级火箭：长征一号、长征三号、长征三号甲、长征四号系列、长征六号
三级半火箭：长征三号乙/丙
四级火箭：长征十一号（固体）
一级半火箭：长征五号B
长征五号B火箭小档案：芯级直径5米 ， 捆绑4个3.35米直径助推器 ， 整流罩直径5.2米 ， 全箭总长约53.66米 ， 起飞质量约849吨 ， 起飞推力约1078吨， 近地轨道运载能力不低于22吨 。
【长征号运载火箭“长五B”火箭首飞成功，创下运载纪录！一文读懂它身上的黑科技】长征五号发射预报：2020年 ， 长征五号系列火箭将执行3次发射任务 。 继长征五号B火箭首飞后 ， 长征五号遥四火箭将于下半年发射我国首个火星探测器；年底前 ， 长征五号火箭还将迎来第五次发射 ， 将嫦娥五号月球探测器送上月球 ， 实现对月球表面的采样返回 。 长征五号B火箭首飞任务完成技术方案验证后 ， 长征五号B遥二至遥四任务将先后完成空间站3个舱段的发射任务 。
来源：科技日报文中图片和视频除注明外均由中国航天科技集团一院供图
编辑：张爽
审核：朱丽
终审：冷文生
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