长征五号绰号“胖五”,运载能力提升2.5倍以上

头条推送科普中国头条创作与推送项目头条创作与推送2016-11-02 09:17
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我国新一代运载火箭长征5号计划于11月初择机首飞。它是我国目前推力最大的运载火箭。其地球同步转移轨道运载能力达13吨,近地轨道运载能力达25吨,这比我国现役火箭的运载能力提升了2.5倍以上,火箭整体性能和总体技术达到国际先进水平。

长征五号绰号“胖五”,运载能力提升2.5倍以上

垂直总装中的长征5号火箭

昵称“胖五”

长征5号首次采用5米直径箭体结构,首次使用无毒无污染的液氢/液氧与液氧/煤油发动机组合起飞方案,因而力大无比。此前,我国火箭芯级直径都是3.35米。由于体格粗壮,所以长征5号的绰号叫“胖五”。其体格之所以粗壮是为了容纳更多的推进剂,产生更大推力。这样也可以减少火箭的级数,从而减少火箭的分离次数,提高火箭的可靠性。

该火箭的芯一级、二级级发动机都采用液氢/液氧燃料,而助推器采用液氧/煤油燃料。这种同时采用两种无毒无污染的低温燃料发动机组合起飞方案在我国是首次。为什么采用这种复杂的组合起飞方案,这是因为芯一级、芯二级工作时间长,所以适宜采用高比冲的液氢/液氧动力系统;助推器工作时间相对较短,因此适宜采用推力大、推进剂密度大的液氧/煤油动力系统,使发动机的密度比冲增加。采用这种方案,火箭规模最小,使用的发动机台数最少,从而可以有效提高运载能力与运载效率。

其芯级全部采用低温推进剂,这在我国运载火箭的研制历史上也是头一次。由于液氢温度为—253℃,液氧为—183℃,所以长征5号内部是远远低于冰点的超低温,是名副其实的“冰箭”。由于其燃烧产生的是水,所以实现了无毒、无污染,这也标志着我国在运载火箭的可靠性、安全性、适应性及环境友好性方面又上了一个新台阶。

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长征5号垂直转运

“三化”是宝

长征5号系列火箭采用“一个系列、两种发动机、三个模块”的总体思路,贯彻了“通用化、组合化、系列化”的设计思想。

“两种发动机”是指研制50吨液氢/液氧发动机和120吨液氧/煤油发动机;“三个模块”是指装有2 台50吨液氧/液氢发动机的5米直径模块、装有2 台120 吨液氧/煤油发动机的3.35米直径模块、装有1 台120吨液氧/煤油发动机的2.25米直径模块。采用模块化的设计思想可以实现技术共用,提高可靠性,节省成本,缩短研制周期。

长征5号在执行地球同步转移轨道发射任务时采用两级半构型火箭直接入轨,在执行近地轨道发射任务时采用一级半构型火箭直接入轨。这不仅能大幅度提高运载能力,而且可以降低了成本。其中所谓的半级是指捆绑的助推器。

在长征5号系列的6种构型中,推力最大的是以下两种:

一种是带4个助推器的两级半构型,其芯一级、二级直径均为5米。芯一级采用5米直径模块;芯二级采用2台9吨级推力液氢/液氧发动捆绑;芯一级还捆绑了4个3.35米直径模块。其地球同步转移轨道运载能力为14吨。它主要执行地球同步转移轨道航天器的发射任务,将在2017年发射嫦娥5号月球采样返回器等。

另有一种是在上述方案的基础上去掉第二级。其近地轨道运载能力为25吨。它主要执行近地轨道航天器的发射任务,将在2018年发射20吨级空间站舱段

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长征5号和5号B

动力十足

长征5号火箭上配有3种12台全新大推力发动机均,它们均采用无毒无污染的推进技术,且分别是我国最大推力的液氧/煤油发动机、最大推力的液氢/液氧发动机和比冲性能最高的火箭发动机。

芯一级上的2台50吨液氢/液氧发动机在国际同类发动机中处于先进水平,使我国液体火箭推进技术的整体水平跨上一个大的台阶。该发动机有以下特点。

一是运载效率高。它是火箭化学推进剂中能量最高的燃料,比冲最高能够达到465秒,比现有常规燃料发动机性能提高约50%。

二是推力十分大。与现役上面级液氢/液氧发动机相比,50吨液氢/液氧发动机真空推力是其9倍,推力室室压是其2.7倍,氢涡轮泵功率是其15倍,氧涡轮泵功率是其20倍,是我国目前运载火箭家族中“龙头老大”。

三是绿色很环保。其燃烧产物为洁净度达99.99%的纯净水,具有绿色环保、零碳排放等优点,是世界上排放种类最少、最绿色环保的发动机,因此长征5号运载火箭也被成为“绿色火箭”。

芯二级上的2台9吨级液氢/液氧发动机是我国首个采用先进的闭式膨胀循环方式的氢氧发动机,也是我国目前比冲最高的火箭发动机,能大大提高发动机的自身可靠性,可以通过多次启动,助推火箭进入地球转移轨道。

4个助推器上的8台120吨液氧/煤油发动机是我国单台推力最大、技术最先进、应用前途最广泛的新型动力装置,填补了我国补燃循环发动机技术空白,使我国成为世界第二个掌握高压补燃循环液氧煤油发动机技术的国家。

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长征5号火箭家族

前景广阔

按照系列化、组合化思想,长征5号系列运载火箭首次实现了6种构型同时开展总体设计,成功解决了6种构型同时优化与设计的难题。

长征5号火箭首次采用了5米直径大型箭体结构。5米直径大型箭体结构不仅仅是结构外形尺寸的简单放大,而且是从结构形式、材料选择、制造工艺、制造工装、试验验证体系的彻底革新。通过长征5号火箭研制,不仅使我国掌握了5米直径结构的设计、制造能力,也突破了千吨级静力试验技术等,同时大型结构制造也带动了材料、机械加工、热处理、焊接、检测等装备制造业的大发展。

2017年,我国将用长征5号发射嫦娥5号月球采样返回器,2018年将开始陆续发射3个20吨级的空间站舱段,2020年将发射我国首个火星探测器。它也可用于发射不同地球轨道大型载荷及其它深空探测任务载荷,同时为我国未来载人登月用的重型火箭研制奠定了良好的基础。

长征5号将实现我国火箭运载能力的大幅度跨越,为我国后续国家重大航天工程任务提供高可靠、低成本、无毒无污染、适应性强、安全性好、运载能力大的先进运载工具。(资料来源:《知识就是力量》杂志社)

作者:火亮,航天科普专家

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