长征五号:十年铸剑助力航天强国梦

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  2016年11月3日20时43分,我国最大推力新一代运载火箭长征五号,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,长征五号运载火箭首次发射任务取得圆满成功。长征五号运载火箭的首飞成功,标志着我国运载火箭实现升级换代,运载能力进入国际先进行列,是由航天大国迈向航天强国的关键一步,令人称奇的是,在长征五号首飞成功的背后,是一支平均年龄只有33岁的年轻团队。
  年轻团队
  突破诸多世界难题
  长征五号总指挥王珏、总设计师李东带着一支平均年龄不到33岁的年轻技术团队,在长征五号运载火箭研制过程中,先后突破了以12项重大关键技术为代表的247项关键技术。研制团队在长征五号运载火箭研制过程中首次引入先进的数字化设计手段,实现了数字化模装替代实物模装,完成了型号数字化设计、数字化分析、数字化试验的三大数字化工作,大大缩短了研制周期、节约了研制经费,
  在长征五号火箭的研制过程中,这群年轻人先后突破并掌握了一大批具有完全自主知识产权的全新技术,推动了我国运载火箭技术的进步,实现了我国运载火箭从3.35米直径向5米直径的跨越,为我国未来大规模开发利用空间资源、以及在深空探测中发出“更强中国音”提供了坚实基础。同时,长征五号运载火箭的研制也培养了一批技术人才,牵引了天津大运载火箭基地和海南文昌发射场的建设,也为后续重型运载火箭的研制打下了良好基础。
  十年攻关路中国火箭跻身世界一流
  近20层楼高的长征五号,起飞推力超过1000吨,这足够让10架波音747齐飞,而25吨级的运载能力几乎可将3个天宫二号同时送入太空,目前,长征五号的运载能力亚洲最大、世界一流的,直径由中国现役火箭最大的3.35米扩大到5米,在一系列的技术创新背后,是长征五号研制团队走过的整整10年艰辛历程。
  直径扩展到5米,对于火箭研制来说,是革命性的,正如总设计师李东所说,长五从设计、仿真、制造到地面各种试验都变了,全箭采用247项核心技术,新技术比例几乎达到100%,国际上研制新型火箭,包括卫星飞船,采用新技术比例一般不超过30%,所以长五是真正的跨代产品。
  “长五虽然个头大,但很智能。”研制团队的自信来自五项世界首创的控制技术:发动机联合摇摆、大型运载火箭实时卸载+主动导引+预测关机的复合控制、助推器多点支撑起飞主动抗漂移控制、大推力发动机精准关机控制和大型液体运载火箭飞行控制与燃料利用集成的数字化网络构架,长五箭体采用了运载能力更强的前捆绑主传力结构,即箭体芯级悬空,靠4个助推支撑整个箭体,像芭蕾舞踮脚的舞姿。
  李东介绍,以往长征火箭的零部件最多几万个,而长五达到了十几万个。设计量是以往火箭的3.5倍以上,为了应对这个新挑战,研制团队采用了全数字化三维设计方法,细到每一个螺钉的大小和位置都能一目了然。
  艰难起步艰苦攻关队伍在历练中走向成熟
  2008年,与长征五号研制并行推进的天津大火箭基地是在一片盐碱滩涂上开工的。长征五号使用了一整套全新的制造设备,2009年底,天津基地成功焊接第一个球形底,2010年打造第一个工艺短箱,2011年底交付第一个试验产品……图纸上的线条从厂房的一侧进入,从另一侧输出变为实物,组成长五的各种“器官”。
  进入2009年后,大量试验逐步开展起来,整个研制队伍也进入了挫折最多的阶段。这年3月,长五火箭转入初样阶段。
  使用零下252.5度的低温推进剂让长五的性能大幅提升,但难度也成正比例地提升。2012年6月的一天,5米直径贮箱低温静力试验正在北京进行,当载荷达到93%设计工况时,箱体突现出现裂痕。如果处在实际飞行中,这将导致箱体结构失稳,后果严重,
  推倒重来。听到这个消息,一些队员流下了眼泪。接下来的3年,团队从头开始,重新设计研制芯级的贮箱,
  “绑得牢、站得稳、点得着、分得开是对助推器的要求。”长五助推主任设计师李泯江介绍,“类似高铁车头的斜头锥设计,让气动性更好,也更美观。”
  “这是目前中国最大的助推器,20多米长,共需要5万多个标准件,而头锥是现役火箭里最复杂的结构件之一,研制历时六七年,”谈起技术,长五助推模塊总装工艺师张游打开了话匣,然而去年5月结婚的他,至今还没兑现跟妻子度蜜月的诺言,
  2005年,已经历过9次成功试车的50吨氢氧发动机在点火后,突然出现燃烧不稳定现象。经过反复研究“会诊”,燃烧室耦合振动问题被锁定,两年后,团队终于通过加挡板,分区燃烧,错开了频率,解决了问题,长五副总设计师王维彬1986年参加工作,曾参与我国第二型氢氧发动机的研制,“经过反思,大家吸取了教训,没有放之四海而皆准的理论,一定要亲自实践。”
  全新氢氧发动机推力近9倍于现役氢氧发动机,研制节奏很难一把就摸准。2013年,发动机临近验收,试车现场,发动机突然燃烧了起来,在场的研制人员惊呆了。王维彬说:“这相当于上了十几年学,参加高考,第一门就考砸了。”
  120吨液氧煤油发动机在西安同步推进。发动机曾连续4次试车失败,爆炸把团队的士气炸飞了。但没多久,他们咬咬牙,憋着劲儿继续点火试车,向前走。“这个发动机一度不被看好,我们从零开始,一直在摸索它的‘脾气’。”长五副总师陈建华1991年研究生一毕业就到当时的067基地研制这款发动机。
  2001年,没有任何相关经验的研制人员雕花般加工出第一台发动机。一路走来,到2013年,尝尽了数次归零的苦涩,当年6月,长五助推双机并联,成功进行了当时亚洲最大吨位的动力系统试车。2015年、2016年,长六、长七两型火箭分别用首飞展示了液氧煤油发动机的优异性能。
  攻坚克难长征五号研制实现新跨越
  2013年6月,长五火箭转入试样阶段。在研制路上不停拐弯的团队感到路況越来越好,加速的机会来了。
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