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经过908天的漫长等待,被中国网民昵称为“胖五”的长征五号(遥三)大型低温液体捆绑式运载火箭,终于在2019年12月27日20时45分10.526秒,带着明亮的黄色尾焰刺入茫茫苍穹。约2220秒后,“胖五”搭载的实践20号卫星,与火箭成功分离,进入既定轨道。
这次成功发射不但让海南文昌发射基地变成欢乐的海洋,也让整个国家的航天人和航天爱好者舒出了胸中的一口长气。
负重前行
中国发展现代运载火箭的源头,可追溯到1958年。1957年10月苏联发射了世界第一颗人造卫星“伴侣”号。1958年1月,《喷气与火箭技术十年发展规划纲要》在钱学森等科学家的倡议及中央领导的指示下,由中国国防部制订发布。同年4月,中国第一个运载火箭发射基地于甘肃酒泉兴建。中国航天事业迈出了它的第一步。
专职担负卫星发射任务的运载火箭—长征家族,自搭载中国第一枚人造卫星“东方红一号”的长征一号运载火箭伊始,至今已有包括长征一号、长征二号的5个型号退役;包括长征五号、长征六号、长征十一号的12个型号在役;另有7个型号在研究或论证—它们是一个四代同堂的繁荣大家族。截至2020年1月7日,长征系列运载火箭已累计执行了324次发射任务。
“胖五”是长征家族中的新成员,也是长征家族中运载能力最大的成员,最大运力可达25吨。“胖五”于2006年立项,由中国运载火箭技术研究院研制,经过十年磨砺,它的全箭新研产品比例超过90%,是不折不扣的新一代火箭。
長征五号第一发实验箭(遥一)于2016年11月3日于中国海南文昌首飞成功。首飞的发射过程并非一帆风顺,但还是旗开得胜。
“胖五”的第二次发射在2017年7月3日。19时23分,长征五号(遥二)成功点火,随即起飞,助推器正常分离,整流罩正常分离,飞行轨迹也毫无问题,但就在起飞后的346秒时,文昌发射基地指挥中心大屏幕上急剧变化的数据显示,工作中的两台液氢液氧发动机(YF-77)中的一台突然停机,导致火箭的飞行角度从上升变为下降,并于排除故障失败后坠入太平洋。
沉重的气氛笼罩着所有关心“胖五”项目的人。长征五号的核心研发团队,进行了长达两年多的归零和验证工作。
所谓技术归零,就是彻底找到事故成因并提出解决方案。从设计理念开始,研发团队对包括发动机在内的整套系统建立了“故障树”分析模式,逐一排查了50多项可能造成发动机失去推力的事项。
经过100多天的故障定位排查及180多天的实验验证后,团队最终确认故障的成因为液氢液氧发动机(YF-77)在复杂热力环境下的局部结构异常而失去推力,随后对YF-77进行了严格的技术改造。
研发团队在长征五号(遥二)的基础上,进行了200余项技术优化改进,使得长征五号(遥三)火箭在技术先进性和可靠性上都得到了提高。
竞争对手
目前,长征五号代表了中国航天运载火箭技术的最高水准。它采用模块化设计,一共有4种基础模块,包括5米直径芯级模块(芯一级)、5米直径上面级模块(芯二级)、3.35米直径助推级模块(3.35米直径助推器)、2.35米直径助推级模块(2.35米直径助推器)。
通过这四种基础模块,结合整流罩等配件,就可以构建出6种构型的火箭。其中,二级半构型的长征五号基本型由全部4种基础模块组成,是集长征五号系列火箭关键技术于大成的型号。
长征五号的起飞重量达到870吨,负载重量25吨,要将如此大只的“胖五”送入太空,需要强劲的动力。若把“胖五”比做一个强壮的篮球运动员,那么驱动他身体不断跳跃的双腿就是发动机。“胖五”的箭身上装载了30台发动机:包括8台推力120吨的液氧煤油发动机(YF-100),2台推力50吨的液氢液氧发动机(YF-77),2台推力9吨的燃气循环液氢液氧发动机(YF-75D)和18台起修正微调作用的姿控发动机。
发动机燃料也是长征五号的重大技术革新之一。之前的长征系列火箭,如发射“嫦娥三号”“嫦娥四号”的长征三号乙火箭,发射时会飘散出鲜艳的棕红色烟雾,这是因为它采用的燃料是四氧化二氮和偏二甲肼,棕红色烟雾是化学反应之后产生的二氧化氮—不但相对昂贵,也有一定毒性。
而“胖五”的发动机主要以液氢液氧及煤油作为燃料,不但没有毒性,而且也会以更少的燃料把更多的重量带入太空。由于液氢液氧沸点极低,长征五号也被称为“冰箭”。
“胖五”的箭身上装载了30台发动机。
由于液氢液氧沸点极低,长征五号也被称为“冰箭”。
作为中国目前最先进的火箭,长征五号的竞争对手只有寥寥几位,主要是美俄欧的“看家把式”,其中就包括了德尔塔4型、宇宙神5型、阿丽亚娜5型、安加拉5型以及猎鹰9型火箭。 衡量运载火箭最重要的硬性指标,就是它的LEO(近地球轨道运载能力)和GTO(地球同步转移轨道运载能力),二者直观代表了运载火箭的系统设计能力以及发动机研制能力。
长征五号的芯级直径为5米,LEO为25吨,GTO为14吨。
逐一比较的话,阿丽亚娜5型ECA火箭由欧洲航天局出资建造,2002年首飞。它的芯级直径5.4米,LEO为20吨,GTO为10.7吨。
安加拉A5型火箭由俄罗斯赫鲁尼切夫国家航天研究和生产中心研制,2014年首飞。它的芯级直径2.9米,搭载微风-M轨道加速器时LEO为24.5吨,GTO为6.6吨。
德尔塔4型由美国波音公司研制,2004年首飞。它的芯级直径5.1米,LEO为28.79吨,GTO为14.22吨。
宇宙神5号511由美国洛克希德﹣马丁公司研制,2006年首飞。它的芯级直径3.81米,LEO为18.85吨,GTO为8.9吨。
猎鹰9号可回收式火箭由私人企业太空探索公司(Space X)研制,2010年首飞,2015年完成首次成功回收。它的芯级直径3.7米,LEO为22.8吨,GTO为8.3吨。该公司研发的2018年首飞的重型猎鹰运载火箭的LEO为63.8吨,GTO为26.7吨。
从LEO和GTO的指标参数来说,长征五号居世界大型运载火箭的前列,但在相关技术领域,“胖五”的先进性算不上顶级。
美国在进行登月计划时使用的“土星5号”运载火箭(现已退役),其LEO已达惊人的120吨左右,50年后仍保持着最大运载能力的纪录。目前美国国家航空航天局开发、尚未首飞的SLS重型运载火箭,据传LEO达140吨左右。在高手如林的航天界,“胖五”的前路依然充满挑战。
最新任务
身为中国航天事业的重器,长征五号在现在和未来都肩负着极其重要的任务。
火箭的运力决定空间站的规模,作为中国最大运力的运载火箭,“胖五”要肩负空间站的建设任务,为中国和平开发宇宙空间尽一份力量。
同时,有了大力士“胖五”,大质量通信卫星甚至大型空间望远镜的发射也可以提上日程。火星探测器、月球探测器的发射任务,“胖五”也是责无旁贷。甚至在不远的将来,载人登月任务中,很有可能也是由“胖五”或基于长征五号平台的改型火箭担纲主将。
在更遥远的未来,“胖五”会完成它的历史使命,挂着军功章静静地肃立在航空博物馆。那时,执行探索和开发任务的火箭和飞船们,已经是“胖五”的兄弟姐妹了。
长征五号(遥三)在文昌发射基地成功发射之后,基地指挥大厅的大屏幕上闪烁着源自著名科幻小說《银河英雄传说》的一句名言:“我们的征途是星辰大海”—这也是属于长征五号的荣誉和浪漫。