長徵五號:中國運載能力最大的火箭
2020-12-06 網易新聞
2016年11月3日，中國新一代大型運載火箭長徵5號首次發射獲得成功，在國內外產生重要影響。它是中國目前推力最大的運載火箭。其地球同步轉移軌道運載能力達13噸，近地軌道運載能力達25噸，這比中國現役火箭的運載能力提升了2.5倍以上，火箭整體性能和總體技術達到國際先進水平。
長徵5號在國內運載火箭中首次採用了5米直徑箭體結構，首次使用了無毒無汙染的液氫/液氧與液氧/煤油發動機組合起飛方案，因而力大無比。此前，中國火箭芯級直徑都是3.35米。由於體格粗壯，所以長徵5號的綽號叫「胖五」。其體格之所以粗壯是為了容納更多的推進劑，產生更大推力。這樣也可以減少火箭的級數，從而減少火箭的分離次數，提高火箭的可靠性。
該火箭的芯一級、芯二級火箭發動機都採用液氫/液氧燃料，而助推器採用液氧/煤油燃料。這種同時採用兩種無毒無汙染的低溫燃料發動機組合起飛方案在中國是首次。為什麼採用這種複雜的組合起飛方案，這是因為芯一級、芯二級工作時間長，所以適宜採用高比衝的液氫/液氧動力系統；助推器工作時間相對較短，因此適宜採用推力大、推進劑密度大的液氧/煤油動力系統，使發動機的密度比衝增加。採用這種方案，運載火箭規模最小，使用的發動機臺數最少，從而可以有效提高運載能力與運載效率。
其芯級全部採用低溫推進劑，這在中國運載火箭的研製歷史上也是頭一次。由於液氫溫度為—253℃，液氧為—183℃，所以長徵5號內部是遠遠低於冰點的超低溫，是名副其實的「冰箭」。由於其燃燒產生的是水，所以實現了無毒、無汙染，這也標誌著中國在運載火箭的可靠性、安全性、適應性及環境友好性方面又上了一個新臺階。
長徵5號系列火箭採用「一個系列、兩種發動機、三個模塊」的總體思路，貫徹了「通用化、組合化、系列化」的設計思想。「兩種發動機」是指研製50噸液氫/液氧發動機和120噸液氧/煤油發動機；「三個模塊」是指裝有2臺50噸液氧/液氫發動機的5米直徑模塊、裝有2臺120噸液氧/煤油發動機的3.35米直徑模塊、裝有1臺120噸液氧/煤油發動機的2.25米直徑模塊。採用模塊化的設計思想可以實現技術共用，提高可靠性，節省成本，縮短研製周期。
該火箭在執行地球同步轉移軌道發射任務時採用兩級半構型火箭直接入軌，在執行近地軌道發射任務時採用一級半構型火箭直接入軌。這不僅能大幅度提高運載能力，而且可以降低了成本。其中所謂的半級是指捆綁的助推器。
此系列火箭有6種構型，其中兩級半構型的和一級半構型的各3種，它們分別捆綁了2個2.25米直徑助推器（每個助推器採用1臺120噸液氧/煤油發動機）和2個3.35米直徑助推器（每個助推器採用2臺120噸液氧/煤油發動機），捆綁了4個3.35米直徑助推器（每個助推器採用2臺120噸液氧/煤油發動機），捆綁了4個2.25米直徑助推器（每個助推器採用1臺120噸液氧/煤油發動機）。在兩類構型中推力最大的是以下兩種：
一種是捆綁了4個3.35米助推器的兩級半構型。其芯一級、二級直徑均為5米。芯一級採用5米直徑模塊；芯二級採用2臺9噸級推力液氫/液氧發動捆綁；芯一級還捆綁了4個3.35米直徑模塊。其地球同步轉移軌道運載能力為14噸。它主要執行地球同步轉移軌道太空飛行器的發射任務，2016年首射的長徵5號採用的就是這種， 2017年發射嫦娥5號月球採樣返回器的長徵5火箭也採用的是這種。
另有一種是在上述方案的基礎上去掉第二級。其近地軌道運載能力為25噸。它主要執行近地軌道太空飛行器的發射任務，將在2019年發射20噸級空間站艙段的長徵5號B就是這種。
首次發射的長徵5號火箭上裝有3種12臺全新大推力發動機，它們均採用無毒無汙染的推進技術，且分別是中國最大推力的液氧/煤油發動機、最大推力的液氫/液氧發動機和比衝性能最高的火箭發動機。
芯一級上的2臺50噸液氫/液氧發動機在國際同類發動機中處於先進水平，使中國液體火箭推進技術的整體水平跨上一個大的臺階。該發動機有以下特點。
一是運載效率高。它是火箭化學推進劑中能量最高的燃料，比衝最高能夠達到465秒，比現有常規燃料發動機性能提高約50%。
二是推力十分大。與現役上面級液氫/液氧發動機相比，50噸液氫/液氧發動機真空推力是其9倍，推力室室壓是其2.7倍，氫渦輪泵功率是其15倍，氧渦輪泵功率是其20倍，是中國目前運載火箭家族中的「龍頭老大」。
三是綠色很環保。其燃燒產物為潔淨度達99.99%的純淨水，具有綠色環保、零碳排放等優點，是世界上排放種類最少、最綠色環保的發動機，因此長徵5號運載火箭也被成為「綠色火箭」。
芯二級上的2臺9噸級液氫/液氧發動機是中國首個採用先進的閉式膨脹循環方式的氫氧發動機，也是中國目前比衝最高的火箭發動機，能大大提高發動機的自身可靠性，可以通過多次啟動，助推火箭進入地球轉移軌道。
4個助推器上的8臺120噸液氧/煤油發動機是中國單臺推力最大、技術最先進、應用前途最廣泛的新型動力裝置，填補了中國補燃循環發動機技術空白，使中國成為世界第二個掌握高壓補燃循環液氧煤油發動機技術的國家。
按照系列化、組合化思想，長徵5號系列運載火箭首次實現了6種構型同時開展總體設計，成功解決了6種構型同時優化與設計的難題。
長徵5號火箭首次採用了5米直徑大型箭體結構。5米直徑大型箭體結構不僅僅是結構外形尺寸的簡單放大，而且是從結構形式、材料選擇、製造工藝、製造工裝、試驗驗證體系的徹底革新。通過長徵5號火箭研製，不僅使中國掌握了5米直徑結構的設計、製造能力，也突破了千噸級靜力試驗技術等，同時大型結構製造也帶動了材料、機械加工、熱處理、焊接、檢測等裝備製造業的大發展。
2017年，中國將用長徵5號火箭分別發射採用東方紅5號新一代大型衛星平臺的實踐18號通信衛星和嫦娥5號月球採樣返回器，2019年起將用長徵5號B火箭開始陸續發射3個20噸級的空間站艙段，2020年將用長徵5號火箭發射中國首個火星探測器。它也可用於發射不同地球軌道大型載荷及其它深空探測任務載荷，同時為中國未來載人登月用的重型火箭研製奠定了良好的基礎。
長徵5號將實現中國火箭運載能力的大幅度跨越，為中國後續國家重大航天工程任務提供高可靠、低成本、無毒無汙染、適應性強、安全性好、運載能力大的先進運載工具。（杭添仁）
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