中国大火箭炼成记

作者:上海市宇航学会 来源:网络 2015-08-07 00:00

       3月12日,中国新一代火箭最受瞩目的大力士长征五号首次登台亮相,开启全箭模态试验阶段。3月23日,长征五号芯一级动力系统第二次点火试车成功。这意味着,长征五号又克服了一个拦路虎,正向明年首次发射进发。小编带你见识一下这个大力神。
有力气的大胖子
       在“长征家族”中,长征五号的突出特点是身材高、腰粗、运力大。
       长征五号身高可达63.2米,有20层楼那么高。腰围(芯级直径)由家族的3.5米扩大到5米,腰边还捆绑4枚3.35米走私的液氧煤油助推器,起飞质量约869吨。长征五号将会大大提升长征家族的能力,近地轨道运载能力将由9吨增至25吨,地球同步轨道运载能力由5.5吨提高到14吨,堪与欧空局“阿里安”5、日本H-IIA∕B、俄罗斯安加拉火箭比肩。
       长征五号堪称“国之重器”。有了它,今后中国发射20吨左右长期驻入空间站、大型空间望远镜、返回式月球探测器、深空探测器、超重型应用卫星等,将不在话下。除了推力提升,长征五号还可以一箭发多星。一次发射干几回的话,每次的发射费用可以降低20%~30%。
这是一枚“冰箭”
       作为新一代的长征火箭,长征五号有个形象的称谓,叫“冰箭”。这源于其芯级火箭采用绿色环保的液氢液氧作为推进剂,身体里90%是零下252℃的液氢和零下183℃的液氧,因为液氢燃烧产生的是水,实现了无毒无污染。
       我国在上世纪六七十年代就开始了液氢液氧发动机的研制工作,长征三号的第三级首次实现了液氢液氧发动机的应用,经过几十年的科技攻关,中国航天人终于把长征五号打造成两级“冰箭”。中国大推力火箭的认证起始于1986年。当时主要考虑是发展大直径、高可靠、无污染的新一代运载火箭,以适应国际商业卫星发射市场和中国未来卫星发射、深空探测的更高需求。然而,正式批准研制却要到21年后。2006年,经国家批准,大推力火箭作为16个重大科技专项之一投入研制。
       “冰箭”研制翻过了无数的小山峰。在近10年间,全面突破了12个大项、200多个关键核心技术,如氢氧燃料的研制、氢氧气发动机的研制、燃料储箱的研制、储箱液氢状态低温静力试验、贮箱发射技术试验、数字样机模装试验、整流罩分离试验等等。
       “冰箭”在“保持身材”上也做到了锱铢必较。因为火箭每减少3千克的自重,就能增加1千克的运载能力。“冰箭”的然储箱成了“减肥”的大户:由于2219铝合金材料,其风壁最薄的地方只有3毫米。如果等比例缩放我们生活中常见的鸡蛋话,这个鸡蛋壳的内壁厚度只有正常鸡蛋壳的十万分之四。同时,“消漩防塌装置”的运用,使得“冰箭”推进剂剩余量减少了50%。
“冰箭”历经千锤百炼
       要造成这样一枚“冰箭”,在上天前要经过很多测试。航天领域有一句老话:一次测试顶得上一千个专家的意见。以3月23日这次发动机试车为例,要过发动机起动、摆动和关机三大关。
       第一关是发动机启动。与汽车发动机启动时需要预热一样,使用低温燃料的氢氧发动机在开始工作之前,要进行“预冷”。按下点火开关后,火箭会先用零下252℃的液氢给发动机降温,直到具备运行条件。不过,这些为发动机降温的液氢排出来,会飘散在空中,达到一定浓度就有可能发生爆炸。要消除危险,最好的办法就是提前把这些氢气烧掉。但是,即便是很少的量,也可能让火箭的试验台转眼间变成一片火海。
       第二关是发动机摆动。“冰箭”芯一级的两台氢氧发动机,不仅能产生最高140吨的推力,而且能通过发动机的一起摆动或各自摆动,改变火箭的飞行轨迹。但要跳好这样的太空舞步,并不容易。
       第三关是发动机关机。不像我们驾驶汽车踩个刹车这么简单,火箭关机对于时机有着极端精确的要求,因为这将直接影响入轨的精度。长征五号发动机设计提供不同的关机方式,可以按照预先设定的时间定时关机,也可以根据燃料的剩余量采取推进剂耗尽的关机模式,让火箭飞得更精准,也飞得更安全。
       在电视中公布的“冰箭”芯一级动力系统第二次点火试车视频中,整个试验区被发动机强劲的轰鸣声笼罩着。点火后,火箭芯一级各系统工作稳定,发动机按照预定程序正常关机,两台地面推力50吨级的液氢液氧发动机还按照飞行要求进行了全程摇摆试验。实验达到了预期目的。
生产发射地选择藏奥妙
       长征五号研制获批5个月之后,长征五号火箭产业化基地也已在天津滨海新区落户。按照年生产12发大推力火箭当量建设。该项目总投资45亿元,规划建筑面积55平方米。
       选择在天津建设的一个突出优点就是便于运输。“冰箭”直径为5米,很难通过铁路或公路运到西昌、酒泉或太原卫星发射中心,将通过特制的运输船经海路运到海南文昌卫星发射中心。海南文昌卫星发射中心已在2014年投入使用,除了运输的考量外,火箭残骸落区安全性也很好。

       “冰箭”原本预计2014发射,但研制过程中遇到了很多困难和矛盾,目前这些问题基本解决。在发射前,“冰箭”要完成以全箭模态试验,芯一级动力系统试车,直径5.2米、长度20.5米整流罩分离试验为代表的大型地面试验,开展火箭的生产、总装和测试。其中,全箭模态试验是中国运载火箭有史以来最为复杂的试验项目之一,无论是产品配套、状态设计,还是数据采集通道,规模均为亚洲之最。
       “冰箭”尚属于实验性飞行物,需要试验总体方案和各个系统间的可靠性、准确性、协调性、匹配性,首次发射很可能只会搭载试验用的卫星。原则上一个火箭的成熟可靠需要发射10次以上。

夯实重型火箭根基

       “冰箭”“满弓射苍穹”的时间定在明年择机首飞。在我国载人航天工程计划中,“冰箭”将用于完成空间站核心舱部分的发射。另外,“冰箭”还将承担中国探月工程“绕、落、回”三步走当中最后一步“回”的发射任务。       此外,对中国航天技术发展而言,以“冰箭”为跳板,未来研制重型火箭无疑是我国航天的战略之一。

       重型运载火箭是指火箭起飞推力在3000吨上下、近地轨道运载能力在100吨左右的火箭。美国和俄罗斯在上世纪六七十年代在太空争霸中分别研制了土星五号和N1两型重型火箭,两国在沉寂40年后,又都再次启动了重型运载火箭研制工作。       我国未来重型运载火箭构想的箭体直径达到9米、全长近100米、起飞质量达到3000吨、近地轨道运载能力达到100吨。航天专家对此表示,以现有技术,如果要实现登月,重型运载火箭直径就要比“冰箭”更大,达到10米这样的量级。此外,在火箭的焊接技术、原材料、大推力发动机等领域,都需要进一步提升。
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       对于我国重型火箭出炉的时间节点,航天科技集团董事长雷凡培曾透露,中国将用15年左右的单单完成推力3000吨级的重型运载火箭研制,2030年左右实现首次飞行,可用于载人登月和大规模深空探测。
相关链接:中国还在研制哪些新型火箭
       在今年的全国两会上,全国政协委员、中国航天科技集团中国运载火箭技术研究院党委书记梁小虹表示,我国火箭家庭中的新一代小型运载火箭——长征十一号运载火箭,将在年内首飞,长征七号火箭进入首飞前最后冲刺阶段,而被喻为“太空摆渡车”的远征一号已经实现首次“太空之旅”,未来将会成为我国新一代火箭的上面级。
       梁小虹介绍,长征十一号运载火箭是我国研制的首枚固体运载火箭,与现役以液体推进剂为动力的长征系列火箭相比,它的发射准备时间由“月”缩短为“小时”,将大大提升我国快速进入空间的能力。它最大的优势是“快速、便捷、灵活”,可实现卫星快速组网和补网,能很好地满足自然灾害、突发事件等应急发射需求。
       同时,新一代中型运载火箭长征七号计划今年年底完成遥一火箭总装,目前已进入首飞前最后“冲刺”阶段。长征七号火箭掌握了一系列具有自主知识产权的核心技术,是我国首枚“数字化”火箭,从设计到生产,均采用全三维数字平台,这就好比从“连环画”过渡到了“3D电影”时代。
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