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从85年开始投身教育, 教书育人已经二十多年, 也可以说是桃李满天下了。 可不知为什么, 越教越感到困惑!

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从月球到火星,中国太空计划没它可不行  

2017-04-17 14:12:20|  分类: 了不起的中国制造 |  标签: |举报 |字号 订阅

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从月球到火星,中国太空计划没它可不行

——长征五号运载火箭

网易新闻学院

张雪松


    长征五号火箭是中国最新最重型的运载火箭,《西游记》中孙悟空的金箍棒重一万三千五百斤,长征五号不光能将它举起来,还能送入远地点达36000千米的同步转移轨道,真可谓力拔山兮气盖世。

    放眼世界各国运载火箭,长征五号运力仅次于美国升级后的重型Delta IV火箭。长征五号现有近地轨道运载能力约25吨,同步转移轨道运载能力约14吨,未来还能进一步提高运力。它还是一个注重环保的“绿巨人”——不再使用旧型火箭的四氧化二氮/偏二甲肼推进剂,改用液氢液氧为动力,绿色环保无毒无污染。广东凉茶

    长征五号火箭主要的两大难点技术是发动机和箭体结构;作为世界第二强的火箭,科研主力以80后、90后为主,平均年龄不到33岁。


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长征五号运载火箭


    中国雄心勃勃的太空计划刚刚拉开序幕,从建设空间站到从月球取土,从降落火星再到探索木星,能全都背起来的,惟有长征五号。作为世界第二强的火箭,科研主力可不是头发花白的大爷大妈,几乎全是80后、90后,他们的平均年龄不到33岁,给长征五号火箭起的爱称是“胖五”。

  改变中国火箭落后的现状

  中国近年来航天成果丰硕,然而背后是中国现有的主力火箭与世界先进技术水准越拉越大,长征二号长征三号长征四号技术水平,与欧美日相比,已然落后。广东凉茶

  中国的老一代长征火箭,除了早已销声匿迹的长征一号,都脱胎于东风五号洲际导弹,其技术源远流长。老一代航天人的杰作值得称颂,但我们毕竟不能总是吃老本,在长征二号、三号和四号作为主力的年代里,美国、欧州和日本都启动了新一代运载火箭的研制,其代表作就是美国的Atlas V和Delta IV火箭,欧洲的阿里安5和日本的H-II系列火箭,它们作为新一代商用运载火箭,强调降低成本和提高可靠性。

  为空间站而生

  运载火箭并不是制空战斗机这样落后就要挨打的高对抗性武器,俄罗斯人爷爷辈的老火箭联盟号至今仍依靠成本和可靠性的优势活跃在发射市场上,同样的中国老长征火箭也不可能仅仅因为原始设计落后就被淘汰。

    立项研制新一代运载火箭,其实是新需求推动的结果,虽然早在20世纪80年代中国航天工作人员就在规划新一代运载火箭,但长征五号火箭的正式上马,主要源于921载人航天工程三期发射载人空间站舱段的要求。

  张贵田院士曾在采访中提到,高压补燃液氧煤油发动机研制之初并没有具体任务要求,因此为了适应3.35米火箭直径先研制推力100吨的发动机,后来国家决定发射大型近地轨道载荷,火箭近地轨道运载能力必须达到25吨,对发动机推力提出了更高的要求,最终决定研制120吨级的液氧煤油发动机。

    现在YF-100液氧煤油发动机的名字上,还是能看出当年100吨级推力的影子。毫不夸张地说,正是发射空间站核心舱和实验舱的需求,促成了大火箭也就是长征五号的诞生。


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处于转场过程中的长征五号运载火箭。新华社记者孙浩摄


    一个重点两种动力三种模块

  中国毕竟是一个发展中国家,即使航天工业取得了举世瞩目的成就,但技术短板仍然很多,而且航天并不仅仅是运载火箭,载人航天和应用性卫星同样要分配大量资源。这样的背景下,中国新一代运载火箭的研制必须在有限的投入下,不仅满足国内市场对航天发射的需求,也要提高航天发射技术的水平。

    中国不能盲目的和发达国家拼技术先进性,发展新一代运载火箭的原则是瞄准世界先进水平,努力缩小技术差距,技术发展上既有继承又有创新,力图通过整体优化满足需求,而不追求过高的单项技术性能,通过通用化、系列化和组合化设计,形成高可靠低成本和无污染的新一代运载火箭家族。

  早期论证规划中,新一代运载火箭的基本技术可以归纳为:一个重点、两种动力系统和三种模块。具体地说,就是以发展5米直径大型运载火箭为重点,使用50吨级推力的液氧液氢发动机和120吨级推力的液氧煤油发动机,通过5米直径、3.35米自己、2.25直径三种基本模块组合为新一代运载火箭系列,满足不同发射任务对运载能力的需求。5米直径火箭最终被正式命名为长征五号,它也是新一代运载火箭中技术最复杂、研制难度最大的型号。广东凉茶


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工作人员在火箭总装现场。新华社记者孙浩摄


    8090后造重型火箭

  2006年长征五号运载火箭正式立项,同年火箭总师李东发表了《中国新一代运载火箭发展展望》的论文,详细介绍了长征五号的具体信息。

    新一代运载火箭研制中首先启动芯级直径5米的大型火箭的研制,提高中国运载火箭的能力和技术水平,并为未来3.35米直径中型火箭和2.25米直径小型火箭的系列化发展奠定基础,实现中国运载火箭的升级换代。广东凉茶

    5米直径芯级的大型火箭构型中,芯级为液氧液氢模块,使用2台50吨级推力的YF-77液氧液氢发动机,3.35米直径和2.25米直径助推器分别配备2台和1台120吨级推力的YF-100液氧煤油发动机,5米直径的芯二级使用YF-75D改进型液氧液氢发动机作为主动力,这也就是我们熟悉的长征五号火箭,它的综合性能指标将达到国际主流运载火箭的水平,尤其是运载能力将跃居世界第一。


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    图为在航天科技集团一院天津大运载基地长征五号运载火箭总装车间拍摄的长征五号运载火箭的助推器。 新华社记者陈晔华摄


    长征五号运载火箭性能超群,技术也达到国际主流水平,它使用5米直径的液氧液氢芯级和全新的大推力液氧液氢发动机,助推器和芯二级的液体火箭发动机也是全新研制的;此外箭体还要使用新的147铝合金材料和搅拌摩擦焊等新工艺,火箭还要使用一体化和冗余设计的全新高可靠的电气系统,以及新三垂为代表的全新测试发射模式。

    长征五号火箭在研制中突破了以12项重大关键技术为代表的247项关键技术,这些技术都是中国运载火箭研制史上首次遇到的核心关键技术,另外老一辈参与东风五号/长征二号研制的航天人已经退休,长征五号火箭的研制队伍可以说是黄青不接,火箭研制是典型的第二次创业,这都增加了火箭研制的难度。

    长征五号火箭的研制过程中,功课了大量的技术难题,不仅推动了中国航天技术水品的整体进步,也磨练出一支有经验的年轻的研制队伍,为未来优化长征五号火箭的技术工艺,提高运载能力提供了保证,也为研制运载能力更强大的长征九号重型运载火箭奠定了基础。广东凉茶


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图表:解构长征五号重型运载火箭


  山穷水尽疑无路的工程

    长征五号火箭的研制绝非一帆风顺,作为中国第一种按照系列化、组合化思想设计的运载火箭,虽然它首次实现了6种构型同时进行总体设计,并解决了6种构型同时设计和优化的难题,但最终只有发射地球同步轨道载荷的长征五号基本型和发射近地轨道载荷的长征五号B露面。

    长征五号火箭更大的难度在于发动机和箭体结构,它使用的YF-77和YF-100发动机早在2001年和2000年就正式立项进行工程研制,2006年YF-77发动机已经进行了首次200秒长程试车,而YF-100发动机更是首次完成了600秒长程试车,但中国毕竟是首次研制这样高难度的液体火箭发动机,长征五号正式立项后发动机的研制和测试仍不时出现各种大大小小的问题,甚至2013年YF-77液氧液氢发动机还在试车中被直接烧毁,给发动机研制人员以当头一棒。广东凉茶

  长征五号箭体结构的麻烦更大,大型5米直径液氧液氢储箱对中国航天来说是空前的挑战,尤其是1994年后中国再没有做过液氢储箱的低温静力试验,而1994年前的经验不过是长征三号甲系列火箭上的3米直径液氢储箱。2012年6月长征五号芯二级的5米直径液氢储箱的低温静力试验失败,载荷达到93%工况时焊缝出现长达约30厘米的裂痕,研制人员不得不精心设计改进箭体结构和工艺,经过约3年的卧薪尝胆,最终2015年4月芯二级液氢储箱总算通过低温静力试验,为储箱技术状态固化和产品定型奠定了坚实的基础。芯一级的大型液氢储箱长度21米直径5米,使中国运载火箭研制中最大的结构件,设计和制造难度极大,好在有了芯二级氢箱改进的经验,2015年10月芯一级液氢储箱也通过低温静力试验,为长征五号火箭的首次发射扫清了障碍。


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处于转场过程中的长征五号运载火箭。新华社记者孙浩摄


    简约就是美

  当年苏联与美国争霸,为此展开载人登月计划,苏联的N1火箭庞大强劲,然而极度复杂,屡射屡炸,可靠性无法与美国的土星五号相比,最终苏联被迫放弃载人登月。N1火箭成为航天工程中由于复杂导致的可靠性低下的经典案例。

  长征五号火箭简约而不简单,研制中着力提高可靠性,各个分系统使用了冗余和预度设计,火箭控制系统使用基于1553B总线的系统级冗余,也是中国运载火箭首次全面使用系统级冗余技术,加上故障检测和隔离等技术的应用,使火箭控制系统在技术和可靠性方面达到了国际先进水平。长征五号系列火箭比传统火箭普遍少一级,一级半和二级半的构型也提高了火箭的固有可靠性。

    长征火箭研制中还首次全面推动数字化设计手段,成为中国第一个全三维的数字化火箭,开中国运载火箭数字化研制的先河,尤其是以数字化模装代替实物模装,大大缩短了研制周期,加快研制进度并节约了研制经费。广东凉茶

    经过广大航天工作人员历经十年的攻坚克难,2015年9月长征五号运往文昌航天发射场进行合练,2016年底长征五号首次发射获得圆满成功,十年磨一箭终于一试锋芒。


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    2016年11月3日20时43分,中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。中新社记者骆云飞摄


  胖五的征途远远不止于月球

  长征五号火箭以近地轨道25吨、同步轨道14吨的运载能力,长征五号火箭的首飞成功,使中国运载火箭实现了从中型到大型火箭的跨越,运载能力提升了两倍多。跻身美国和俄罗斯在内的世界主流火箭阵营,是中国航天从大国走向强国的标志和基础。

    2016年11月3日,长征五号运载火箭从文昌航天发射场成功发射升空,并将远征二号上面级和实践十七号卫星送往预定轨道,至此长征五号运载火箭的首次飞行任务圆满成功。广东凉茶

    长征五号运载火箭的首飞成功只是一个开始,根据计划2017年它还将发射实践十八号卫星,这是新一代东方红五号大型通信卫星的试验星,未来实用的东方红五号卫星也将由长征五号火箭发射。2017年年底长征五号火箭将发射嫦娥五号月球探测器,执行激动人心的探月工程三期的取样返回任务。

    2018-2019年,长征五号B火箭也将进行首飞,随后发射载人空间站的核心舱,拉开建造中国载人空间站的序幕。2020年长征五号火箭还要执行史上空前复杂的火星绕落巡探测器,吹响中国火星探测的号角。

    长征五号火箭还将用于发射更多的大型卫星,以及木星探测器在内的深空探测器,让中国航天在新的征程上走得更远。

    (作者张雪松,笔名Nemo,知名航空航天研究学者,长期专注跟踪国内外弹道导弹、载人航天和深空探测的发展,作为资深撰稿人曾为《中国航天报》、《太空探索》等专业学术刊物和《舰船知识》等公众刊物撰写大量稿件。




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