揭秘:长征五号运载火箭有哪些关键技术?
2016-11-04 17:38:11 作者:陆琦 来源:《中国科学报》 分享至:

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    11月3日20时43分,我国首枚大型运载火箭长征五号在中国文昌航天发射场点火升空。约30分钟后,载荷组合体与火箭成功分离,进入预定轨道,火箭首飞任务圆满成功。此次发射成功,标志着中国运载火箭实现升级换代,运载能力进入国际先进行列,是中国由航天大国迈向航天强国的重要标志。


    据国家国防科工局、国家航天局介绍,长征五号运载火箭采用5米直径芯级,捆绑4枚3.35米直径助推器,全长约57米,起飞重量约870吨;具备近地轨道25吨级、地球同步转移轨道14吨级的运载能力,比现役火箭地球同步转移轨道运载能力提高了2.5倍以上;首次采用芯一级2台50吨级氢氧发动机与4枚助推器各2台120吨级液氧煤油发动机的组合起飞方案,10台发动机同时点火,起飞推力达1060吨,代表了中国运载火箭科技创新的最高水平。


   
大体格


    长五火箭的体重接近900吨,相当于15架波音737客机的重量总和,所以很多人都称它为“胖五”。


    记者从长五火箭的抓总研制单位——中国航天科技集团了解到,与现役火箭相比,长五火箭“腰身”更粗。其直径比现役火箭多出近一半,它的芯级直径达5米,助推器直径达3.35米,而我国现役火箭芯级直径为3.35米,助推器直径为2.25米。


    “腰围”史无前例,“身高”同样令人仰视。长五火箭高约57米,仅次于长征二号F运载火箭。此外,长五火箭的级数少,在执行同一高度的轨道任务时,如果现役火箭需要3级,那么长五火箭只用2级即可。


    长五火箭个头大,力气也大。“大体格”的长五火箭有12颗“大心脏”。充足的燃料,强劲的动力,让长五火箭的运载能力一跃达到国际一流水平。长五系列运载火箭低轨运载能力可达25吨级,高轨运载能力可达14吨级,越过了国际上大型运载火箭近地轨道运载能力20吨、高轨运载能力10吨的门槛,可与美国宇宙神5、德尔塔4,欧洲阿里安5等世界主力大型火箭比肩。


   
低体温


    “大体格”让长五火箭可容纳更多的推进剂。长五火箭推进剂总加注量远超我国现役火箭。其芯级全部采用低温推进剂,这在我国运载火箭的研制历史上还是头一次。这个“庞然大物”90%以上的重量为深低温液氢液氧燃料。它周身冰冷,由此得名“冰箭”。


    为何要把长五火箭打造成“冰箭”呢?一来绿色环保,二来运载能力大。现役火箭采用的多是偏二甲肼和四氧化二氮推进剂,有剧毒,而液氢液氧燃烧后产生的是水,无毒无污染。此外,液氢液氧燃烧产生的运载能力堪称巨大。也因此,长五火箭被称为“大力士”,它能“举”起的重量是现役火箭最大运载能力的2.5倍左右。


    为了使火箭在燃料加注以及飞行过程中,外表面温度保持在0℃以上,从而避免火箭仪器、电缆等受极低温影响产生功能异常,研究人员为“冰箭”度身定制了“防寒服”。“防寒服”有“里”有“面”,虽然一共只有十几毫米厚,却是让箭体保持体温的“利器”。


    “防寒服”里最主要的材料叫做“低密度全闭孔聚氨酯泡沫塑料”,由近10种原材料按照一定的配比高速撞击混合反应而成,这些液体材料分成两组,就像“哥俩好”胶水一样,一旦混合,就会在几秒钟之内发生发泡反应、并快速固化成型。


   
大心脏


    大火箭离不开大推力。长五火箭立起来有20层楼高,起飞质量约878吨,要托举这么重的大家伙,需要大推力的发动机。而目前,我国现役火箭发动机单台推力最大只有70吨左右,要想发射超大型航天器就远远不够。


    经过15年不懈攻关,8台全新研制的120吨液氧煤油发动机被装配在长五火箭的4个助推器上,4台全新研制的氢氧发动机在一级和二级火箭上各装配了两台。


    120吨液氧煤油发动机的威力到底有多大?专家打了个形象的比喻,120吨液氧煤油发动机产生的最高压强达500个大气压,相当于把上海黄浦江的水抽到5000米高度的青藏高原。


    发动机与分系统之间的匹配也是一个难题。长征二号F遥5火箭产生的8Hz振动(又名POGO振动),曾给首位航天员杨利伟带来极大的痛苦。这种共振就像人的心脏不停地抖动一样,严重威胁生命,同样在火箭上,共振会造成箭体结构损坏,后果不堪设想。


    由于“大火箭”体积比普通火箭更大,在飞行过程中,就可能产生比长征二号F遥5火箭更强烈的振动。要保证火箭可靠飞行,就必须抑制这一振动。经过多年的努力,研究人员成功突破了复杂动力学建模、大型管路动态特性试验、大型低温蓄压器设计研制等关键技术,最终攻克了长五火箭芯一级、芯二级和助推器的POGO 稳定性设计难关,有效抑制共振给大火箭带来的损害。


   
薄脸皮


    别看“胖五”身高数十米,体重几十吨,你一定想不到,它的火箭壳体“蒙皮”的厚度不足2毫米,而整流罩的“蒙皮”厚度仅有0.3毫米,真可谓“薄如蝉翼”。


    火箭的外壳专业术语称为“蒙皮”,“蒙皮”的主要材料为铝合金,这种材料强度高、耐腐蚀、重量轻、成本低。而且,最重要的一点,铝合金材料轻,可以为火箭减轻重量,人们形容火箭是“薄皮大馅”,“蒙皮”薄了,就可以装更多的燃料,“举”起更重的卫星。


    除了保证火箭外壳轻薄,更要保证它坚不可摧。为此,设计人员在设计时,会在“蒙皮”内部用一个个框环和桁条组成一个圆柱型的框架,把框架与蒙皮铆接在一起,这就组成了火箭的一个壳段。在发射过程中,无论受到哪个方向的外力,都不会影响火箭的飞行。


    在满足箭体刚度和强度的前提下,火箭壳体薄了,整个火箭的重量就减轻了,既能保证有效承载,也让火箭飞行地更完美。


    大眼睛


    “胖五”有颗大“眼睛”。长五火箭是国内第一型采用大型“全透波结构”整流罩的火箭。相对于传统火箭整流罩的“小天窗”,长五火箭的整流罩可谓是一个“全景式天窗”,可满足任何卫星的通信要求。


    火箭在发射的过程中,地面要随时与卫星“联络”,以确认卫星处于正常状态。整流罩虽能保护卫星不受冲击,但也“屏蔽”了通信信号。因此,要根据卫星的通信要求在整流罩上开个小口,用可透过电磁波(以下简称“透波”)的材料做一个“天窗”,并对其它部分进行加强。


    长五火箭的整流罩采用了一种新型的透波材料。研究人员用了几个月的时间,攻克了该透波材料成型模具的设计难题,确保材料精准成型。这不仅大大缩短了火箭的生产周期,更使我国成为国际上少数几个能研制出大型“全透波结构”整流罩的国家之一。

 

 

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责任编辑:刘洋

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