「天問一號」發射為何非「胖五」莫屬?與上海又有怎樣的關係?

離開地球，奔向火星。

2020年7月23日12時41分，長徵五號遙四火箭在文昌航天發射場點火升空，成功將「天問一號」火星探測器順利送入預定軌道。這是長徵五號系列運載火箭首次應用性發射，也是我國運載火箭首次執行地球-火星轉移軌道發射任務。

探火為何非長五莫屬？

作為我國新一代最大推力火箭，長徵五號的橫空出世並不順利。

這型寄託著中國深空夢想的大火箭，立項於2006年10月。歷經十年，2016年11月3日，長徵五號遙一首飛成功，標誌著我國運載火箭實現了從中型到大型的跨越和升級換代。不過，長五的第二次飛行卻以失敗告終。經過兩年「歸零」攻關，中國火箭人治好了長五的「心病」，2019年12月27日長五遙三火箭，順利將我國實踐二十號衛星送入預定軌道，「胖五」王者歸來。

世界航天界有一句話：「火箭的運載能力有多大，航天的舞臺就有多大」。長徵五號火箭是目前我國研製的起飛重量和運載能力最大的大型運載火箭，高57米，相當於20層樓；箭體直徑達5米，打破了我國40餘年來3.35米箭體直徑結構的限制，而胖胖的身材也讓它得了一個「胖五」的稱呼。大塊頭的「胖五」起飛質量達到870噸，起飛最大推力超過1000噸，近地軌道的運載能力25噸、地球同步轉移軌道運載能力14噸，比現役長徵三號乙火箭運載能力提升2.5倍以上。

長徵五號的巨大推力，也拉近了與世界先進水平的差距。目前，俄羅斯現有的質子-M運載火箭最大起飛重量705噸，其近地軌道的運載能力是24噸。美國的獵鷹重型火箭最大起飛重量1420噸，近地軌道運載能力63.8噸。

超強的運載實力，讓「胖五」責無旁貸承擔起「探火」這個極其重要、難度極高的任務。「天問一號」將一次完成火星環繞、著陸和巡視三大目標，因此其由環繞器、著陸巡視器組成，重量達到5噸左右。5噸重的太空飛行器並不稀奇，但探火任務需要直接將這個5噸重的探測器送入地火轉移軌道。也就是說，需要讓探測器獲得超過11.2千米/秒的第二宇宙速度，讓它可以完全擺脫地球引力，去往太陽系內的其他行星或者小行星。

想要獲得這個初始速度，目前只有長徵五號能夠做到。長徵五號不但承擔探火任務，下一步的空間站建設、探月三期等都將由它當擔。

90%起飛推力源自「上海製造」

值得關注的是，在長五遙四火箭託舉「天問一號」升空時，其四周捆綁的4個助推器為火箭提供了90%以上的起飛推力，是長徵五號運載火箭起飛的主要動力源。而這四個「大塊頭」，出自上海航天技術研究院。

上海航天技術研究院院長張宏俊表示，長五是我國首個採用助推器支撐的捆綁火箭，4個直徑3.35米助推器迄今為止都是國內最大的低溫液體助推器。「助推器五臟俱全，相當於一枚單級運載火箭。」每個助推器安裝了2臺120噸液氧煤油發動機，並為全箭提供豎立狀態的支撐。

自2006年10月立項以來，上海航天長徵五號型號研製團隊先後突破了低溫POGO分析和抑制、氦加溫增壓、尾部防熱技術等14項重大關鍵技術攻關。長徵五號運載火箭副總指揮兼副總設計師鮑國苗介紹，當時最具挑戰的是國內首個前捆綁點主傳力艙體結構，因其能極大地改善芯級部分艙段的載荷環境，提高運載能力，上海航天便成了國內該領域首個「吃螃蟹」的。

長徵五號芯級直徑達5米，而助推模塊直徑只有3.35米，根據總體設計方案，火箭採用了助推主支撐的方式：在全箭豎立時，靠分布於4個助推上的12個支撐點停放在發射臺上。鮑國苗說，「要實現這種支撐，不僅需要承受住火箭800多噸的自身質量，經受住文昌航天發射場特有的大風等考驗。在火箭助推飛行中，還要將幾百噸的推力有效傳遞給芯級並經受發動機產生的複雜熱環境考驗。

為有效提供全箭儘可能大的起飛推力，長徵五號助推器特別採用斜頭錐和前捆綁主傳力結構。飛行中，助推發動機產生的推力通過頭錐上的前捆綁點傳遞給芯級，在頭錐不足0.1平方米前捆綁點處需要承受300多噸的偏置集中力載荷。 鮑國苗形容說，這就像一個人「單肩」扛重物，為了抗住勁，研製團隊為頭錐量身定製了一款專屬的「梁式」承載偏置集中力構型，用3000多個零件鉚接而成斜頭錐，而錐體與芯級的前捆綁點軸承支座則採用了一體化設計，有效保證了結構的強度。