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                “數”說長五:5米腰身“靈活胖子”飛天的背後
                [ 發布時間:2019-12-30 ]   [ 信息來源: 人民網 ]  [ 字號: ]

                  運載火箭的能力有多大,航天事業的舞臺就有多大。今天,由航天科技集團第一研究院抓總研制的長征五號遙三運載火箭發射成功,為中國航天未來探月、探火、空間站等多個重大任務打下基礎。


                  長五火箭是我國首枚大型運載火箭,運載能力位居世界前列。長五啥樣?能力幾何?讓我們來看幾組數據吧——


                  “5”米腰身,變化多端


                  長征五號系列火箭按照組合化、模塊化設計思路,2.25米助推器模塊、3.35米助推器模塊以及5米芯級模塊個性化組合就能組成不同構型,滿足不同的發射需求。目前有長征五號、長征五號B兩個構型,後續根據任務不同,還可以自由組合成多種構型。


                  基本構型的長征五號為兩級半液體火箭,由5米芯級捆綁4個3.35米助推器。芯一級直徑5米、芯二級直徑5米、助推器直徑3.35米,整流罩直徑5.2米、長約12.2米;全箭長約57米,是我國現役火箭中尺寸最大的。


                  “1.2”毫米“鎧甲”,薄如蛋殼


                  5米直徑大型箭體結構為我國運載火箭首次采用,是火箭實現運載能力重大跨越的基礎,設計、制造、試驗難度大。長五火箭起飛重量約870噸,其自身的結構重量卻只占約10%。


                  火箭外殼的厚度甚至只有幾毫米。火箭的外殼專業術語稱為“蒙皮”,主要材料為鋁合金,火箭殼體“蒙皮”的厚度都在1.2毫米至2毫米之間,長五火箭整流罩的蒙皮厚度只有0.3毫米。在相同剛度下,火箭殼段的重量減少10%以上,可以為火箭減輕重量,裝更多的燃料,“舉”起更重的衛星。


                  “25噸”運力:遊刃太陽系


                  長征五號從增強進入空間的能力角度出發,瞄準中國航天發展的現實而迫切的需求,使我國運載火箭的運載能力提高了2倍多。


                  長征五號能將25噸級的航天器送到近地軌道、將14噸級的航天器送到地球同步轉移軌道、將8噸級的探測器送到地球-月球轉移軌道、將5噸級的探測器送到地球-火星轉移軌道。在搭配合適的上面級後,長五火箭還能把探測器送到木星等太陽系內行星。


                  長征五號使我國運載火箭的規模實現從中型到大型的跨越,運載能力達到或超過國外主流大型火箭。為我國實施探月工程、探火工程、載人航天空間站工程等重大航天工程項目提供高性能運載工具。


                  “12”顆“心臟”同跳,勇猛剛強


                  發動機是火箭的“心臟”,長征五號采用了3型12臺全新研制的大推力發動機,主發動機均采用無毒無汙染的推進技術,起飛重量約870噸,起飛推力超過1000噸。


                  4個助推器,每個配置2臺地面推力120噸的YF-100液氧煤油發動機。120噸液氧煤油發動機,推力大、比沖高,是我國目前推力最大的火箭發動機,已成為我國新一代運載火箭各個不同構型火箭共用的基礎動力裝置。


                  芯一級配置2臺地面推力50噸的YF-77氫氧發動機。50噸級氫氧發動機技術在國際同類發動機中處於先進水平。


                  芯二級配置真空推力8.83噸的YF-75D新型膨脹循環氫氧發動機。


                  這三型發動機在火箭發射過程中先後開機,各司其職,只為合力把“乘客們”運送至更加遙遠的深空。


                  體溫“-253℃”,冷若冰霜


                  長五貯箱內推進劑(液氫、液氧和煤油)量占火箭總體重的90%多,液氫溫度是-253攝氏度左右、液氧溫度是-173攝氏度左右。


                  熱力學中定義的最低溫度是-273.15攝氏度,這個溫度也叫絕對零度,人類已知的低溫極限,在此溫度下,物體分子沒有動能和勢能,絕對零度是實際狀況中不可能達到的最低溫度,自然界的溫度只能無限逼近絕對零度。家用電冰箱能達到的最低溫度是-20攝氏度左右,2010年科學家在南極測得的極端低溫為-93.2攝氏度。


                  長征五號火箭中液氫的溫度已經接近了絕對零度,但火箭外表面溫度依然可以一直保持在0℃以上,只因為火箭的貯箱外都穿著一層一共不到30毫米厚的“防寒服”,讓火箭內的儀器、設備、電纜等正常工作。


                  燃料在火箭發動機燃燒時的最高溫度超過3300攝氏度,如此巨大的溫差在瞬間切換,這種工況也是地球上絕無僅有的奇觀。


                  這種極限條件要求火箭發動機在焊接時,一個焊點的寬度僅0.16毫米,焊接時間誤差僅限0.1秒,焊槍多停留0.1秒就可能把管件燒穿或者焊漏。


                  閉關“908”天,王者歸來


                  科學探索的道路從來不是坦途,難免經歷挫折。


                  從長五遙二失利到遙三發射成功歷時908天,累計進行了40余次15000余秒關鍵技術試驗。908個日夜無數次跌倒後又重新爬起。


                  2017年7月2日,長征五號遙二運載火箭發射失利。2017年10月12日,基本確認了飛行失利的故障模式,2018年4月完成了全部歸零工作。


                  2018年11月30日,一臺改進驗證的氫氧發動機在試車中發生故障。2019年3月29日,發動機試車故障的歸零工作及改進驗證全部完成。


                  2019年4月4日,一臺用於後續任務的氫氧發動機在試驗後的數據分析中,發現了“異常振動頻率”。本著“不帶一絲疑慮上天”的原則,研制人員持續對發動機進行改進。2019年7月,研制人員完成了對發動機的結構改進。並在短時間內完成了十幾次大型地面試驗,最終困擾長征五號兩年的發動機問題得到解決。


                  長五火箭從1986年論證工作開始到2016年首飛歷時30多年。長五火箭從2017年7月2日遙二失利到2019年12月27日遙三發射成功,歷時908天。


                  “7+7”工作法,反復雕琢


                  為確保發射任務萬無一失,長五遙三試驗隊開展了發射場“7+7”質量工作。


                  7個重點:交底充分透徹、操作規範精準、數據判讀精細、預案適用完備、流程精細規範、雙想深入全面、舉一反三徹底。


                  7個再確認:技術狀態更改情況再確認、關鍵操作項目分階段再確認、技術狀態變化的測試覆蓋情況再確認、軟件質量再確認、極性正確性再確認、全箭“防水、防熱、防松”結果再確認、進入發射流程的地面設備質量再確認。


                  “2萬+”次淬煉,寶劍出鞘


                  在研制中,型號團隊創造性地提出多項全新技術方案。當然,與之配套的產品也基本為全新產品,全箭新研結構部段26個,新研3型主發動機,電氣系統箭上新研單機數量達到1700余臺套,軟件190余個。


                  長征五號火箭研制過程中,生產各類單機超過18000臺,累計開展試驗約近1300項,總計超過20000余次各種地面試驗。


                  經過刻苦攻關,長征五號火箭突破了以12項重大關鍵技術為代表的247余項關鍵技術。包括總體優化設計及環境預示技術,大直徑箭體結構設計、制造與試驗技術,助推器發動機擺動及前支點傳力大型液體運載火箭姿態控制技術,采用總線技術的系統級冗余控制技術,大型活動發射平臺設計、試驗技術等。這些都是我國運載火箭研制史上首次遇到的重大的核心關鍵技術,在世界運載火箭中也屬高、難問題。

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