長征五號“兩兄弟”——“胖五”與“五弟”_風聞

來源：微信公眾號“中國探月工程”

2020年5月，長征五號B運載火箭在中國文昌航天發射場成功首飛，把重約22噸重的新一代載人飛船試驗船送入太空。這是中國乃至亞洲火箭首次發射超過20噸的航天器，進一步奠定了長征五號系列火箭運載能力在世界現役火箭第一梯隊的地位。

早在上世紀80年代末，在國家863計劃的支持下開展了長達20年的新一代運載火箭論證工作。2006年長征五號運載火箭正式獲得批覆立項。確定了“一個系列、兩種發動機、三個模塊”的總體發展思路以及”通用化、系列化、組合化”的設計思想。

2016年11月3日，長征五號遙一火箭在海南文昌航天發射場發射升空，首飛任務取得圓滿成功。現役的主要有長征五號和長征五號B"兩兄弟"。

從外觀上看，長五B火箭“身高”近54米，相當於18層樓高，近850噸重。與長五火箭相比，長五B芯級直徑也是5米，但“身高”矮了約3米，“體重”輕了約20噸。這主要是因為長五B火箭少了一個芯二級和一個級間段，因此相對於長征五號被稱作“胖五”，長征五號B可以稱為“五弟”。

**長征五號運載火箭（代號：CZ-5）**是長征五號系列的基本型號，為帶助推器的兩級半火箭。助推器採用4個3.35米直徑模塊，每個助推器配置2台120噸級液氧煤油發動機。一子級採用5米直徑模塊，安裝2台50噸級氫氧發動機。二子級採用改進自長征三號甲運載火箭三子級的氫氧發動機作為主動力。整流罩與有效載荷一起垂直整體運輸、吊裝。

**長征五號B運載火箭（代號：CZ-5B）**為帶助推器的一級半火箭。其芯一級以及助推器與長征五號基本相同，但是取消了基本型的芯二級，並使用更大的整流罩。長五B火箭也有4個直徑3.35米的助推器，是我國首型一級半火箭。

兩個**“兄弟”，同本同源，各有專長，各司其職。**

同一系列，不同使命

長五主打高軌衞星、探測器

長五B主打近地載人空間站

二級半的長五火箭擅於“跑長途”，“乘客”包括運行在3.6萬公里的地球同步軌道大型衞星、往返38萬公里月球取樣返回的嫦娥五號探測器，以及飛行數億公里的火星探測器“天問一號”。

雖然長五B沒有長五高，但長五B火箭“頭部”——整流罩比長五火箭更大，高度超過20米，能裝下10多米長、4米多粗的空間站核心艙。

即便少了一級，長五B火箭在專門向近地軌道送貨的長征火箭中，力氣仍然最大，一次能運送超過25噸級的載荷，相當於10多輛小轎車的重量。它專注於地球附近約200至400公里的軌道，這裏是我國空間站建設的主戰場。

在我國載人航天工程空間站建設階段的任務中，近地軌道運載能力超過8噸的長征二號F運載火箭負責發射神舟系列飛船；運載能力14噸級的長征七號運載火箭負責發射天舟貨運飛船；而運載能力25噸級的長五B火箭則負責把空間站核心艙等主要艙段“搬”到天上。

長二F、長七、長五B三型火箭共同構成我國載人航天工程的“天地運輸走廊”，而長五B的力量，決定了我國“天地運輸走廊”有多“寬”。

“送上天”很重要，“請下車”也很關鍵。長五B火箭與空間站艙段的連接接口直徑超過4米，研製隊伍必須突破大直徑艙箭分離技術。他們通過綜合比較和試驗，選取最優方案，儘可能降低分離時的衝擊，讓重磅航天器安全、舒適地“下車”。

同一心臟，不同軌跡

芯級採用氫氧發動機

一個是接力入軌，一個是一次入軌

長五B火箭只用“一級半”就能把重磅航天器送上天，得益於採用氫氧推進劑的芯一級和採用液氧煤油推進劑的助推器的合理搭配。而芯一級的兩台大推力氫氧發動機，從地面點火一直工作到把航天器送入軌道，要“打全場”，責任重大。

氫氧發動機的比衝傲視羣雄，但其研製難度極高。載人空間站工程的交會對接等任務，好比在數百公里高的太空“穿針引線”。長五B火箭所承擔任務的特殊性，對芯一級的大推力氫氧發動機提出了更高的要求。

對氫氧發動機來説，要實現“零窗口”發射，必須確保發射前各項工作環環相扣、步步流暢。如發射前要預先把發動機的温度降得很低，即“預冷”，以防止零下250多攝氏度的液氫和零下180多攝氏度的液氧推進劑進入發動機後發生意外。在長五火箭首飛時，就曾因為發動機預冷不順利而推遲發射時間。

同時，長五B火箭比長五更輕，但起飛推力與長五相同。用同樣的勁向上提更輕的東西，加速度自然更快。而在助推器分離後，火箭加速度又瞬間達到最低。

長五火箭主要用於月球與深空探測的發射任務，對發射“零窗口”及精確入軌的要求同樣很高。性能強大的發動機保證了長五B和長五火箭在精確入軌的前提下，一個“帶的更重”，一個“飛得更遠”。

同一大腦，不同思路

優化彈道設計與控制方案

“氫龍偃月刀”也能做“微雕”

除了“零窗口”和過山車一樣的壓力，一級大推力精準入軌也是一個巨大的挑戰。以往末級火箭的推力都很小，再輔以推力更小的姿態控制發動機，更容易在航天器入軌前對位置與姿態進行微調，從而確保精確入軌。

而這次，兩台大推力氫氧發動機直接送載荷入軌，就像用大刀做“微雕”，力道極難掌握。

此外，大推力氫氧發動機關機後，還有“後效”，類似燃氣灶閉火後的“餘火”，這同樣會對航天器入軌精度造成影響。

為了解決大推力精準入軌的問題，一方面，發動機研製隊伍要確保發動機燃燒穩定，並儘可能給出“後效”的預測值，更重要的則是控制系統必須把所有可能的誤差考慮進去。

在長五系列火箭研製之初，控制系統研製隊伍就已統籌考慮長五和長五B火箭的任務特點。長五和長五B火箭控制系統的硬件是通用的，已實現產品化；軟件也無需大改，就能適應長五B火箭飛行任務。

針對發動機“後效”等不確定因素，用數學仿真“打靶”的方法模擬出上萬種情況，以驗證制導控制率設計的正確性。試驗證明，即便預測的“後效”與實際情況有出入，控制系統也能確保火箭精確入軌。

而在火箭總體彈道設計上，除了考慮火箭動力系統的偏差，還要考慮結構、控制等方面的偏差，以完善彈道設計，即便多種偏差“組團”出現，也能保證高精度入軌。

同一試驗，不同對象

統籌開展地面試驗

確保飛天萬無一失

無論是火箭減重還是增加更大的整流罩，都需要通過嚴格的地面試驗來驗證是否可靠。在長五系列火箭研製過程中，會統籌安排長五和長五B火箭的地面試驗，重點對兩者的不同之處進行試驗。比如，長五B火箭少了二級，全箭模態發生了變化，必須重新做全箭模態試驗。模態試驗的主要目的是獲得產品動特性，即產品運動起來的共振特性。

共振對火箭的影響：一是可能干擾火箭的“眼睛”——速率陀螺正常工作，二是容易振壞局部結構。天津新一代運載火箭產業化基地全封閉式全箭模態試驗振動塔，支撐長五/長五B火箭懸掛其中開展全箭模態試驗。

此外，試驗團隊還要在發射場完成火箭“坐”在發射平台上的模態試驗。以往新火箭的發射場全箭模態試驗都用合練箭，而長五B任務比較特殊，直接用首飛箭合練、試驗，這就要求試驗隊員在操作時確保火箭的絕對安全。長五B火箭超大整流罩分離試驗、儀器艙聲振聯合試驗等，都以高效率完成，保障了整體研製工作順利推進。

“駕龍輈兮乘雷，載雲旗兮委蛇。”兩千多年前，屈原在《九歌》中用詩句描繪乘雷御風，遨遊九天的場景。在航天科技迅猛發展的當代，運載工具的能力對於一個國家航天事業的發展至關重要。長征五號和長征五號B全面提升了我國空間投送和到達能力，將支撐後續我國航天重大專項工程的高效實施，我們期待“胖五”和“五弟”帶我們邁向更遠的深空，取得更大的成就！