长征五号首发,中国跻身航天强国

2016-11-04  

2016年11月3日,长征五号大型运载火箭从文昌发射中心101工位发射升空。

长征五号火箭是中国新一代运载火箭中运载能力最大的型号,具备近地轨道约25吨,地球同步转移轨道约14吨的运载能力。首飞的长征五号火箭还搭载了中国目前最先进的上面级——远征二号,将实践十七号卫星直接送入地球静止轨道。

这是中国从航天大国走向航天强国的标志和里程碑。

长征五号火箭首飞箭,摄于向发射塔转运途中。图片来源:航空航天港 BH.Skywalker

长征五号大型火箭的出现,使中国运载火箭的运力比肩国际同类火箭——更具体地说,达到了“一人之下,万人之上”的地位。

中国老一代运载火箭的近地轨道运力之最是长征二号F火箭的8.6吨,同步转移轨道运力之最是长征三号乙增强型的5.5吨。由于火箭运载能力不足,天宫一号和天宫二号只能委屈地设计为8吨级的航天器,而苏联第一个空间站礼炮一号就是20吨级,美国更是使用土星五号火箭发射了80吨级的天空实验室。至于静止轨道通信卫星和深空探测器,中国同样深受火箭运力不足的困扰,发射嫦娥三号的长征三号乙火箭不得不专门精心减重,压榨每一分潜力。

长征五号大型运载火箭的出现,将彻底改变中国火箭运力不足的局面。具体地说,长征五号系列火箭目前包括两种不同的型号:长征五号火箭和长征五号B火箭,前者是一种“二级半”的火箭,后者是一种“一级半”的火箭。所谓“半”指的是火箭的助推器,它们燃烧时间比中间的芯级短得多,所以被形象地称为“半级”。

长征五号火箭起飞质量879吨,起飞推力1078吨,同步转移轨道运载能力可达14吨,这个运力不仅比现役的长征三号乙火箭高出两倍多,也远高于俄罗斯质子火箭的6.9吨、日本H-IIB火箭的8吨、美国宇宙神5火箭最大的8.9吨,以及欧空局阿里安5ECA火箭的10.5吨。美国太空探索技术公司的猎鹰九号火箭理论上同步转移轨道运力也仅有8.3吨,而设计运力更大的重型猎鹰火箭,恐怕要等到明年年中才能进行首次发射。目前,仅有美国重型德尔塔4火箭以14.22吨的同步转移轨道运力比长征五号火箭略胜一筹。

目前的公开资料显示,长征五号火箭直接奔月轨道的运载能力超过8.2吨,这个运力也仅次于重型德尔塔4火箭,可以发射8吨多的嫦娥五号探测器。至于火星转移轨道的运载能力,目前官方尚未公开相关数据,不过从2020年火星绕落巡一体的探测器任务的论文推测,长征五号火箭的火星运力超过5吨,比美国猎鹰九号火箭4吨的火星转移轨道运力高得多,也优于宇宙神5火箭和阿里安5火箭。

目前俄罗斯的质子号、美国的宇宙神5和德尔塔4火箭都有直接将卫星送入静止轨道的能力,其中质子号火箭静止轨道运力为3.25吨,宇宙神5火箭为3.9吨,重型德尔塔4火箭则高达6.75吨,欧空局的阿里安5火箭和日本的H-IIA/H-IIB火箭没有直送静止轨道的能力。长征五号火箭首飞中使用了远征二号上面级,构成“三级半”的构型将卫星直接送入静止轨道,直送静止轨道的运力超过5.1吨,仅次于美国的重型德尔塔4火箭。

目前世界各国的现役火箭中,运力超过长征五号火箭的,可以说只有美国的德尔塔4重型火箭。图片来源:spacevids.tv

长征五号B作为一种“一级半”火箭,和长征五号的主要区别是,去掉了使用液氧液氢推进剂的第二级。长征五号B火箭的整流罩长度为20.5米,比长征五号的12.3米长得多。它将用于发射中国未来空间站的天和号核心舱、梦天号和问天号实验舱。这些舱段长度都有18米左右,只能使用长整流罩发射。长征五号B火箭的近地轨道运载能力可达25吨,是现役长征二号F火箭的两倍半还多,这也为空间站舱段的设计和优化提供了充分的空间。

对比国外主流大型运载火箭,长征五号B火箭的近地轨道运力同样表现出色,目前国外只有重型德尔塔4火箭以28.8吨的近地轨道运力明显高过长征五号B火箭一头,其他的无论是21吨的欧空局阿里安5火箭还是23吨的俄罗斯质子火箭,以及商业航天公司理论运力22吨的猎鹰九号火箭,运力上都比长征五号B火箭略逊一筹。至于日本的H-IIA和H-IIB火箭,前者最大运力只有15吨,后者也不过是19吨,如果严格按照近地轨道运力高于20吨的定义,甚至不能被称为大型运载火箭。美国的宇宙神5火箭同样如此,性能最强的的宇宙神5-551火箭也只有18.8吨近地轨道运力。

长征五号系列火箭并非仅仅是规模大运力大,它的技术跨度同样是空前的。中国老一代火箭使用偏二甲肼/四氧化二氮组合的推进剂,这种剧毒组合具有常温存储和自燃的特点,对于液体洲际导弹来说是相当合适的,但对运载火箭来说就有使用费用高和危险污染大的弊端了。美苏欧早期的运载火箭也都使用类似的肼类推进剂,但新一代火箭普遍改用无毒无污染同时性能更好的液氧煤油或是液氧液氢组合。

长征五号使用5米直径的液氧液氢芯级捆绑4个3.35米直径的液氧煤油助推器,分别使用两台50吨级液氧液氢发动机和两台120吨级高压补燃液氧煤油发动机,第二级还使用两台9吨级膨胀循环液氧液氢发动机,在动力系统上赶上了国际先进水平。发动机技术尤其是比冲的提高,还带来了火箭运载系数的提高。目前长征五号火箭虽然不如美国猎鹰九号、德尔塔4等火箭,但要比俄罗斯质子号、欧空局阿里安5号和日本H-IIB火箭高得多。

未来,长征五号将担负起发射嫦娥五号月球探测器的重任。2020年的火星探测任务,也将由长征五号发射。图片来源:POCKN

长征五号火箭首次使用了全三维数字化研制手段,在研制技术和能力方面赶上了世界先进水平。长征五号火箭还使用了5米直径、21米长度的大型低温液氢储箱,这在技术上是一个巨大的跨越,目前国外仅有5米直径的美国德尔塔4、5.2米直径的日本H-IIB和5.4米直径的欧空局阿里安5火箭可以与之相比。

长征五号芯级的结构设计、制造和试验技术,包括全自动的搅拌摩擦焊和数字化自动总装对接技术,也都达到了世界先进水平。长征五号火箭还使用了基于总线技术的系统级冗余技术,提高了火箭控制系统的可靠性和水平,它还使用了高速遥测数据传输技术,实现了基于陆基测控和天基测控的可视图像传输,在测控技术上处于国际先进水平。

通过远征二号上面级的使用,长征五号系列火箭形成了更灵活和更强大的发射能力,足以媲美俄罗斯使用微风M上面级的质子号火箭,中国还计划研制多用途的多次启动液氧液氢上面级,有望在将来和美国的德尔塔4以及宇宙神5平分秋色,也就是一种液氧液氢上面级兼顾近地轨道、太阳同步轨道、中高轨道、地球同步转移轨道和直送静止轨道的能力。

总而言之,长征五号火箭以其空前的运载能力和先进的技术水平,提高了中国进入太空的能力,使中国运载火箭性能和水平跻身世界第一阵营,成为中国从航天大国迈向航天强国的基础和标志。


来源:果壳网