长征五号运载火箭总体方案技术特点探析

　　一、前言
　　长征五号运载火箭是我国全新研制的新一代大型低温运载火箭，于2016年11月3日晚在中国文昌发射场首飞并取得圆满成功。长征五号运载火箭作为我国新一代运载火箭的旗舰型号，运载能力和技术水平均代表为我国运载火箭的最高水平，地球同步转移轨道（GTO）运载能力达到14吨，相比我国现役的CZ-3A系列火箭提高2.5倍以上，居世界第一，GTO轨道运载系数达到0.016，仅次于德尔它4重型火箭的0.0181（全氢氧构型）。其成功首飞标志着中国从此进入了大型火箭的国家行列，中国由航天大国向航天强国迈出了最为坚实的一步。
　　长征五号运载火箭总体方案的确定经过了大量的论证和优化工作，全箭采用了大量的新技术，历时10年完成攻关研制。长征五号运载火箭总体方案优化，运载能力、运载效率、可靠性等技术指标达到了国际先进水平。未来将承担探月工程三期、载人空间站工程舱段发射任务、火星探测等国家重大专项工程的发射任务，同时还将承担大载荷地球同步转移轨道、中高轨道等发射任务。

图1 长征五号首飞

　　二、构型解析及总体方案
　　为了满足航天发展对大运载能力日益迫切的需求，早在20世纪90年代，在国家863计划的支持下开始了新一代运载火箭论证工作。新一代运载火箭按照“立足长远、统筹规划、优先发展、分步实施”发展原则，遵循“一个系列、两种发动机、三个模块”的总体思路，贯彻“通用化、组合化、系列化”设计思想，以“高可靠、低成本、无毒、无污染、适应性强、安全性好”为发展目标，大幅提升我国进入空间的能力。
　　（一）三个模块
　　Φ5m直径模块，采用全新的大直径技术，使用液氢液氧推进剂和两台50吨级氢氧发动机YF-77，以及与发动机配套的增压输送、伺服机构等，是新一代大型运载火箭CZ-5的核心模块。
　　Φ3.35m直径模块和Φ2.25m直径模块均继承现有的技术，使用液氧煤油推进剂，Φ3.35m直径模块配置两台120吨级液氧煤油发动机YF-100，Φ2.25m直径模块配置一台120吨级液氧煤油发动机YF-100。
　　（二）两种发动机
　　液氧煤油发动机：液氧/煤油推进剂具有无毒、无污染、高密度的特点。液氧/煤油发动机推力大、密度比冲高，有利于减少发动机台数，是构成CZ-5系列运载火箭的基本动力。
　　氢氧发动机具有无毒、无污染、高性能的特点，作为芯级发动机已被美国、欧洲、日本的大型运载火箭普遍采用。使用氢氧发动机不仅可以有效地减小CZ-5运载火箭的规模，使得CZ-5运载火箭的综合性能达到国际先进水平，而且从航天运载器的发展趋势上看，氢氧发动机技术的突破和应用在未来可重复使用运载器的研制过程中也将扮演重要角色。
　　（三）一个系列
　　采用模块化组合思想，利用上述三个模块构建了我国新一代运载火箭系列（见图）。基于5米直径模块构建形成了我国新一代大型运载火箭长征五号系列，研制初期共规划了6种构型，首飞构型为两级半最大构型，即CZ-5火箭，GTO轨道能力达到14吨级；用于载人空间站工程空间站舱段发射任务的CZ-5B火箭，为一级半最大构型，其LEO轨道运载能力达到25吨级。基于3.35米直径和2.25米直径模块构建形成了我国新一代中型、小型运载火箭长征七号和长征六号。

图2 新一代运载火箭型谱

　　长征五号运载火箭总长约57米，捆绑4个助推器，起飞重量约878吨，由“箭体结构、动力系统、控制系统、测量系统、总控系统、地面发射支持系统”等六大系统组成。
　　助推器采用4个Φ3.35m直径模块，每个模块配置2台地面推力120吨级的YF-100液氧煤油发动机，每个助推器摆动靠近芯级内侧的1台发动机；芯一级采用Φ5m直径模块，两台地面推力50吨级的YF-77氢氧发动机双向摆动；芯二级采用两台真空推力10吨级的改进的新型膨胀循环氢氧发动机YF-75D作为主动力，双向摆动、两次启动；二级采用辅助动力系统完成末修、分离前调姿和滑行段姿态控制、推进剂管理；整流罩头锥采用冯·卡门外形，直径Φ5.2m；助推器采用斜头锥外形等；控制系统采用了基于1553B总线技术的系统级冗余设计方案，大幅消除了单点故障；测量系统首次采用基于PCM-FM体制、S波段10Mbps+5Mbps高码率双点频冗余传输方案。
　　三、总体方案技术特点
　　3.1 优化的构型设计方案
　　在CZ-5火箭系列化构型论证过程中，针对助推采用液氧/煤油+芯级采用液氢/液氧、助推采用四氧化二氮/偏二甲肼+芯级采用液氢/液氧、全氢氧、全液氧煤油、一级半构型、两级半构型、三级半构型等方案开展了大量的论证工作，论证构型达1000余种，最终确定3.35m直径液氧煤油助推与5m直径氢氧芯级，以及一级半构型用于发射近地轨道任务，两级半构型发射高轨道任务的方案的系列化构型设计方案。
　　采用液氧煤油助推与5m直径氢氧芯级的火箭构型方案规模较小、使用的发动机台数最少，运载效率大幅提升。长征五号运载火箭也是目前世界上在役运载火箭中唯一采用氢氧芯级与液氧煤油助推组合的构型，充分发挥了液氧煤油发动机高密度比冲、大推力和液氢液氧发动机高质量比冲的优点，火箭总体性能达到国际先进水平！
　　为了实现同样的任务目标，相比现役火箭，CZ-5系列火箭均减少了火箭级数，以GTO轨道为例，CZ-5火箭两级半构型即可完成GTO轨道有效载荷的发射任务，而现役的CZ-3A系列火箭为三级半构型。火箭级数减少后，可降低级间分离以及发动机高空启动的风险，大幅提升火箭的固有可靠性。
　　3.2 全新的气动外形及传力方案
　　在总体方案和几何约束的情况下，CZ-5火箭确定采用冯·卡门整流罩外形和助推器斜头锥的气动外形方案，通过对整流罩球头半径和卡门曲线长度优化，开展斜头锥外侧母线当地物面角优化，减低火箭的跨声速脉动压力环境；优化助推器与芯级间连接距离，减低全箭的零攻角阻力，以满足静稳定性需求；开展气动布局方案优劣势对比，确定采用安定翼正常式气动布局，并进行了几何外形尺寸优化设计。通过多次缩比风洞试验的验证，证明全箭气动外形设计的先进性。
　　助推器推力的传力路径设计，是大型捆绑式火箭的核心关键技术之一，主传力结构的位置直接决定了推力的传递路径，对全箭设计方案和火箭的运载能力影响重大。CZ-5火箭助推器推力占起飞推力的90％以上，主捆绑点传递轴向力大幅增加，是现役“长征”火箭的3倍以上。CZ-5火箭首次采用助推支撑、前支点传力方案，相比传统的芯级支撑、后支点传力方案，前支点传力方案大幅提升芯级结构效率，提高了助推刚度、改善火箭的局部模态，降低了稳定系统设计难度。
　　3.3 大直径箭体结构方案
　　CZ-5火箭首次采用5米直径结构，突破了传统火箭3.35米直径限制，是实现火箭运载能力大跨越的基础。通过开展大直径结构设计、制造、试验技术攻关，成功研制了国内规模最大的低温轻质贮箱，解决了大直径锻环过渡结构变形协调和刚度匹配性难题，贮箱采用了全新材料——2219铝合金，以及全新的低温贮箱绝热方案和全新的搅拌摩擦焊焊接工艺；突破了大型捆绑集中力传力扩散结构设计技术，解决了单个部段集中力承载能力近2000吨以及偏心集中载荷超过300吨的大型偏置助推器斜头锥结构设计难题；通过5米直径箭体结构的研制，大直径及大集中载荷薄壳结构技术实现了跨越式发展，大型结构研制同时带动了机械加工、热处理、焊接、检测等装备的发展。

图3 5m直径低温轻质贮箱

　　3.4 先进的动力系统方案
　　CZ-5火箭动力系统采用三型全低温新研发动机，液氢/液氧动力系统规模是现役CZ-3A系列火箭的11倍，技术跨度和研制难度极大。为满足全箭“可靠性高、适应性强、安全性好”的研制要求，采用了先进的循环预冷技术，解决了大推力低温发动机回温速率较快对推迟发射适应性的限制问题，有效简化了射前流程，大幅提升了火箭推迟发射适应性以及故障下的应急处置能力。针对贮箱直径增大后，推进剂出流变化对推进剂不可用量增加的影响，研制了新型出流装置，有效降低了推进剂不可用量，实现了运载能力的最大化。为大幅提高贮箱增补压系统的可靠性，解决了传感器、电磁阀等单点失效问题，贮箱采用了基于数字式压力传感器信号闭式冗余控制增补压方案。
　　3.5 高可靠的电气系统方案
　　控制系统采用了基于单总线与三冗余单机结合的动态隔离冗余策略，首次全面采用系统级冗余方案，成功解决了冗余判断、故障隔离等技术难题。制导控制系统还采用了实时卸载、主动导引和预测关机复合控制技术，显著改善了制导控制精度和火箭运载能力。测量系统首次采用了10Mbps+5Mbps高码率遥测数据传输与综合技术，有效传输遥测参数成倍提升，完成了遥测数据量、码速率、箭上可视图像传输、天基测控与地基测控融合等多项关键技术攻关，成功解决了大容量数据的无线传输问题，其中遥测单点频码速率达到国际领先水平。
　　4. 研制意义及应用
　　长征五号的首飞成功，代表了我国运载火箭研制领域经过60年发展的又一大跨越，其成功研制使得我国突破并掌握了一大批具有完全自主知识产权的关键技术，推动了我国运载火箭技术的进步，实现了我国运载火箭从3.35米直径向5米直径的跨越，为我国未来大规模开发利用空间资源、以及在深空探测中发出“更强中国音”提供了坚实基础。同时长征五号运载火箭的研制也培养了一批技术人才，并行建成了大型运载火箭工程研制的技术体系与工程研制的基础设施，包括牵引了天津大运载火箭基地和海南文昌发射场的建设等，大型运载火箭的研发能力和技术水平大幅提升，为后续重型运载火箭研制提供了坚实基础。
　　长征五号火箭作为我国新一代大型运载火箭，具有高可靠、低成本、无毒无污染、适应性强、安全性好的显著优势，应用前景十分广阔。长征五号将是我国未来航天发射任务的“主力军”，在未来的探月工程三期、载人空间站工程空间站舱段发射、火星探测等重大专项工程任务中都将承担重要角色。同时在未来大载荷地球同步转移轨道、中高轨道等发射任务中也将担当主要角色。
　　5. 结论
　　长征五号代表我国运载火箭的最高水平，通过其研制突破并掌握了一大批运载火箭关键技术，实现了我国运载火箭技术水平的大跨越，建立了完善的新一代运载火箭的研制技术体系，运载火箭技术水平和研发能力取得了跨越式发展。长征五号作为我国后续探月工程三期、载人空间站工程、火星探测任务等重大专项工程的重要基础，其成功研制意义重大，影响深远。长征五号运载火箭的成功研制对于构建我国未来空间运输体系、加快我国现役运载火箭的更新换代，都具有重要的意义。
　　（本文来源：AerospaceChina期刊）

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