長征五號(hào)系列運(yùn)載火箭研制應(yīng)用分析及未來展望
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長征五號(hào)系列運(yùn)載火箭
研制應(yīng)用分析及未來展望
文 | 李平岐 ，李東 ，楊虎軍 ，黃兵 ，黃輝
引言
長征五號(hào)系列運(yùn)載火箭，是中國新一代運(yùn)載火箭中第一個(gè)立項(xiàng)研制的火箭型號(hào)，它是為了滿足中國航天發(fā)展對(duì)大運(yùn)載能力日益迫切的需求而研制的新一代大型液體運(yùn)載火箭，以大幅提升中國進(jìn)入空間的能力為目標(biāo)，是中國由航天大國邁向航天強(qiáng)國的顯著標(biāo)志和重要支撐。
長征五號(hào)運(yùn)載火箭獲得國家立項(xiàng)后，經(jīng)過10余年的工程研制，攻克了大量的關(guān)鍵技術(shù)和工程技術(shù)難題。2016年11月3日，長征五號(hào)火箭首飛取得圓滿成功；2020年5月5日，長征五號(hào)B火箭首飛取得圓滿成功；2020年7月23日、11月24日，長征五號(hào)運(yùn)載火箭先后圓滿完成了天問一號(hào)火星探測(cè)器、嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器發(fā)射任務(wù)，為中國首次火星探測(cè)、月球取樣返回和載人空間站工程等國家重大航天工程任務(wù)實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
01
研制回顧
長征五號(hào)系列運(yùn)載火箭按照“立足長遠(yuǎn)、統(tǒng)籌規(guī)劃、優(yōu)先發(fā)展、分步實(shí)施”的發(fā)展原則，遵循“一個(gè)系列、兩種發(fā)動(dòng)機(jī)、三個(gè)模塊”的總體思路，貫徹“通用化、組合化、系列化”設(shè)計(jì)思想，以“高可靠、低成本、無毒、無污染、適應(yīng)性強(qiáng)、安全性好”為發(fā)展目標(biāo)開展論證和研制。
長征五號(hào)運(yùn)載火箭的研制并不是以單一任務(wù)為目標(biāo)，而是瞄準(zhǔn)中國航天發(fā)展的現(xiàn)實(shí)和迫切需求而規(guī)劃的一個(gè)系列化運(yùn)載火箭，基于5 m直徑模塊，共規(guī)劃了6個(gè)構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種典型任務(wù)需求的覆蓋，其中地球同步轉(zhuǎn)移軌道（Geosynchronous Transfer Orbit，GTO，GTO）覆蓋6~14 t，近地軌道（（Low Earth Orbit，LEO）覆蓋10~25 t；基于3.35 m直徑和2.25 m直徑模塊，構(gòu)建了新一代中、小型運(yùn)載火箭。
目前已經(jīng)首飛并工程應(yīng)用的長征五號(hào)火箭是兩級(jí)半最大構(gòu)型，采用5 m直徑氫氧芯級(jí)、捆綁4個(gè)3.35 m直徑液氧煤油助推器方案，主要用于中高軌及深空探測(cè)發(fā)射任務(wù)；已經(jīng)首飛的長征五號(hào)B火箭是一級(jí)半最大構(gòu)型，相比長征五號(hào)火箭，減少了二子級(jí)、并采用了更大規(guī)模的整流罩，以滿足載人空間站工程艙段發(fā)射任務(wù)的使用需求。長征五號(hào)和長征五號(hào)B火箭實(shí)現(xiàn)了助推器和芯一級(jí)模塊完全共用，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了兩型大型火箭的并行研制，大幅縮短了研制周期、節(jié)約了研制經(jīng)費(fèi)，為中國運(yùn)載火箭的模塊化、系列化發(fā)展積累了豐富的研制經(jīng)驗(yàn)。
由于長征五號(hào)系列運(yùn)載火箭肩負(fù)的歷史責(zé)任和使命，在方案論證初期即確定了“高起點(diǎn)、高定位、實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展”的指導(dǎo)思想，由此導(dǎo)致長征五號(hào)運(yùn)載火箭的研制具有“兩多、兩大、兩新、一同步”的特點(diǎn)，即：a）兩多：新技術(shù)多、新研產(chǎn)品多；b）兩大：技術(shù)跨度大、研制規(guī)模大；c）兩新：研制隊(duì)伍新、研制手段新；d）一同步：型號(hào)研制與研保條件建設(shè)同步。
長征五號(hào)運(yùn)載火箭新技術(shù)比例超過90%，在研制過程中，攻克了以全新5 m箭體結(jié)構(gòu)和2219鋁合金新材料、三型全新高性能、無毒無污染發(fā)動(dòng)機(jī)、全新控制系統(tǒng)級(jí)冗余和總線技術(shù)、高碼率雙點(diǎn)頻冗余傳輸技術(shù)及“新三垂”測(cè)發(fā)模式為代表的12大類200余項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)[4]；研制過程中累計(jì)投產(chǎn)各類單機(jī)產(chǎn)品18000余臺(tái)（套），開展各類地面試驗(yàn)20 000余次。2016年，長征五號(hào)火箭首飛成功，全面驗(yàn)證了火箭總體方案以及各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的正確性、協(xié)調(diào)性。
2017年7月，在進(jìn)行第二次飛行試驗(yàn)時(shí)，由于飛行過程中芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力異常下降導(dǎo)致飛行失利。在隨后的兩年多時(shí)間里，型號(hào)隊(duì)伍通過艱苦攻關(guān)，找準(zhǔn)故障原因，完成故障歸零，采取的改進(jìn)措施經(jīng)過多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)多次地面熱試車考核驗(yàn)證，確認(rèn)措施有效。2019年12月27日，長征五號(hào)Y3火箭復(fù)飛取得圓滿成功，進(jìn)一步驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性。2020年7月23日、11月24日，長征五號(hào)Y4、Y5火箭先后圓滿完成了中國首次火星探測(cè)（見圖1）和探月三期嫦娥五號(hào)探測(cè)器月球取樣返回發(fā)射任務(wù)。
圖1 長征五號(hào)Y4發(fā)射天問一號(hào)
在開展故障歸零工作的同時(shí)，深入開展再分析、再設(shè)計(jì)和再驗(yàn)證的“三再”工作，累計(jì)開展400余項(xiàng)“三再”項(xiàng)目，進(jìn)行了200余項(xiàng)設(shè)計(jì)改進(jìn)，通過改進(jìn)，提高了設(shè)計(jì)裕度，消除了薄弱環(huán)節(jié)，火箭的可靠性得到全面提升。為提高產(chǎn)品質(zhì)量的管控水平，研制隊(duì)伍提出了設(shè)計(jì)特性全集的思路和全新工作方法，全箭各類產(chǎn)品共識(shí)別設(shè)計(jì)特性30 000余項(xiàng)，并按照設(shè)計(jì)特性屬性及重要性進(jìn)行了分類分級(jí)管控，通過設(shè)計(jì)特性全集管控工作，有效確保了火箭產(chǎn)品的質(zhì)量。
現(xiàn)役大型火箭GTO軌道運(yùn)載能力對(duì)比如圖2所示
圖2 現(xiàn)役大型火箭GTO軌道運(yùn)載能力對(duì)比
長征五號(hào)運(yùn)載火箭的成功研制和工程應(yīng)用大幅提升了中國運(yùn)載火箭的整體技術(shù)水平，運(yùn)載能力相比中國現(xiàn)役運(yùn)載火箭提高了2.5倍，綜合技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際同類大型運(yùn)載火箭先進(jìn)水平。
在長征五號(hào)運(yùn)載火箭成功研制的基礎(chǔ)上，為滿足中國載人航天工程第三步——空間站工程的任務(wù)要求，開展了長征五號(hào)B運(yùn)載火箭的研制，主要用于空間站艙段發(fā)射任務(wù)，其近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到了25 t。長征五號(hào)B運(yùn)載火箭遵循與長征五號(hào)火箭進(jìn)行產(chǎn)品化設(shè)計(jì)的原則，充分繼承了長征五號(hào)火箭研制基礎(chǔ)，助推器、芯一級(jí)狀態(tài)完全同長征五號(hào)火箭狀態(tài)相同。
為滿足空間站艙段發(fā)射任務(wù)要求，長征五號(hào)B運(yùn)載火箭突破了20.5 m長整流罩分離技術(shù)、大直徑艙箭連接分離技術(shù)、大推力直接入軌精度控制和分離安全控制技術(shù)等重大關(guān)鍵技術(shù)。2020年5月5日，長征五號(hào)B火箭首飛取得圓滿成功（見圖3），它也是目前國際上唯一一款一級(jí)半直接入軌火箭，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、研制成本低、可靠性高等特點(diǎn)。
圖3長征五號(hào)B火箭首飛
02
任務(wù)能力分析
長征五號(hào)系列運(yùn)載火箭任務(wù)適應(yīng)能力強(qiáng)，具備各種典型軌道任務(wù)的發(fā)射能力，其中兩級(jí)半構(gòu)型長征五號(hào)火箭可以用于中高軌道、深空探測(cè)任務(wù)，一級(jí)半構(gòu)型長征五號(hào)B火箭可用于近地軌道發(fā)射任務(wù)。此外，長征五號(hào)、長征五號(hào)B火箭與遠(yuǎn)征系列上面級(jí)、固體上面級(jí)組合還可執(zhí)行地球靜止軌道（The geostationary orbit，GEO）直接入軌、中高軌圓軌道、太陽邊際行星際探測(cè)等多種發(fā)射任務(wù)。
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2.1長征五號(hào)火箭典型任務(wù)分析
CZ-5火箭為兩級(jí)半構(gòu)型,可適應(yīng)的任務(wù)類型包括:
a）直接用于GTO、地月轉(zhuǎn)移軌道(Lunar TransferOrbit,LTO)、地火轉(zhuǎn)移軌道(Mars Transfer orbit,MTO)以及太陽同步軌道(Sun-synchronous Orbit，SSO）發(fā)射任務(wù);
b）與遠(yuǎn)征二號(hào)上面級(jí)組合，可以直接發(fā)射GEO任務(wù)；
c）執(zhí)行發(fā)射能量要求更高的深空探測(cè)任務(wù)時(shí)，由于長征五號(hào)火箭二子級(jí)規(guī)模較大，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)載能力最優(yōu)，當(dāng)逃逸能量C3超過20 k㎡/s2時(shí)，建議采用“長征五號(hào)火箭+遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)”或“長征五號(hào)火箭+小固體上面級(jí)”的方案。
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2.2長征五號(hào)B火箭典型任務(wù)分析
長征五號(hào)B火箭為一級(jí)半構(gòu)型，可適應(yīng)的任務(wù)類型包括：
a）直接用于LEO發(fā)射任務(wù)；
b）可以與遠(yuǎn)征系列上面級(jí)組合，發(fā)射1000 km左右高度的圓軌道、SSO等任務(wù)。
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2.3整流罩可用包絡(luò)
長征五號(hào)、長征五號(hào)B火箭整流罩采用整體吊方案，整流罩頭錐采用馮·卡門外形、全透波方案，整流罩柱段采用模塊化組合方案，整流罩直徑Φ5.2 m。其中長征五號(hào)火箭整流罩長約12 m、長征五號(hào)B火箭整流罩長約21 m，整流罩柱段可用包絡(luò)直徑Φ4.5 m，對(duì)于長征五號(hào)B火箭用長整流罩，由于整流罩以及有效載荷彈性變形影響，在距離整流罩下端面10 600 mm以上部分，整流罩柱段可用包絡(luò)逐漸減小，整流罩內(nèi)部可用空間見圖4陰影部分，整流罩操作口和透波口可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行定制。
圖4 整流罩可用包絡(luò)
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2.4星箭接口方案
目前長征五號(hào)、長征五號(hào)B火箭支持2種類型的星箭連接解鎖方案：點(diǎn)式連接解鎖裝置和線性連接解鎖裝置。
a）點(diǎn)式分離方案采用10個(gè)或12個(gè)低沖擊分離裝置進(jìn)行連接和解鎖分離，目前可以支持φ1900、φ3100、φ3500、φ3800等多種接口方案，建議采用尺寸接口較大的方案，便于星箭對(duì)接操作以及可以適應(yīng)更大的衛(wèi)星重量。點(diǎn)式分離裝置具有有分離沖擊小、碎片及多余物可控、承載能力范圍廣、同步性較好、安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)。
b）線性分離方案采用“膨脹管+雙凹槽板”的線性分離裝置進(jìn)行連接和解鎖分離，目前可以支持φ4100接口。線性分離裝置具有可靠性高、結(jié)構(gòu)剛度連續(xù)、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
03
發(fā)展展望
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3.1研制更大整流罩，提升任務(wù)適應(yīng)性
隨著長征五號(hào)火箭成功研制及應(yīng)用，中國多個(gè)有效載荷提出了發(fā)射使用需求，但現(xiàn)有長征五號(hào)火箭采用的12 m長整流罩柱段長度較小、使用空間不滿足大質(zhì)量載荷的包絡(luò)使用需求。為此，結(jié)合運(yùn)載能力情況，開展了更大整流罩的論證，最終確定采用約19 m整流罩方案，柱段高度有效增加，該整流罩可適應(yīng)一箭一星以及一箭雙星串聯(lián)發(fā)射任務(wù)，其中雙星串聯(lián)任務(wù)一次可發(fā)射2顆DFH-4平臺(tái)的衛(wèi)星、也可一次發(fā)射DFH-5和DFH-3平臺(tái)衛(wèi)星各一顆，進(jìn)一步拓展了長征五號(hào)火箭的發(fā)射任務(wù)適應(yīng)性，如圖5所示。
圖5 新整流罩方案
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3.2發(fā)射場(chǎng)流程優(yōu)化，提升年均發(fā)射能力
長征五號(hào)系列火箭是中國全新研制的大型低溫液體運(yùn)載火箭，系統(tǒng)復(fù)雜，型號(hào)初期按照“發(fā)射場(chǎng)測(cè)試全面覆蓋”的原則，開展了發(fā)射場(chǎng)測(cè)試發(fā)射流程設(shè)計(jì)，制訂了為期約兩個(gè)月的發(fā)射場(chǎng)測(cè)試發(fā)射工作流程。隨著火箭技術(shù)狀態(tài)的不斷固化、以及發(fā)射次數(shù)的增加，長征五號(hào)系列火箭將逐漸完成技術(shù)方案不斷細(xì)化和完善、數(shù)據(jù)獲取等“成長和積累期”，具備開展后續(xù)流程優(yōu)化、縮短發(fā)射周期等工作的條件。
截至2020年11月，長征五號(hào)系列火箭共完成了6次飛行，結(jié)合歷次任務(wù)發(fā)射場(chǎng)工作開展情況，后續(xù)可從以下幾方面開展流程優(yōu)化工作：
a）優(yōu)化發(fā)射場(chǎng)測(cè)試項(xiàng)目；
b）優(yōu)化產(chǎn)品卸船、轉(zhuǎn)載、箭體恢復(fù)等箭體吊裝前準(zhǔn)備工作；
c）優(yōu)化星箭對(duì)接及合罩流程；
d）優(yōu)化推進(jìn)劑加注流程，采用異種推進(jìn)劑并行加注方案；
e）芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)大噴管裝箭運(yùn)輸，減少發(fā)射場(chǎng)保留工序。
通過上述改進(jìn)，發(fā)射場(chǎng)測(cè)發(fā)流程至少可減少15天。
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3.3故障容錯(cuò)及重構(gòu)設(shè)計(jì)，提升飛行可靠性和安全性
運(yùn)載火箭的故障診斷、容錯(cuò)及重構(gòu)設(shè)計(jì)是提升飛行可靠性和安全性的有效手段。通過診斷系統(tǒng)將故障準(zhǔn)確診斷出來，根據(jù)故障情況規(guī)劃后續(xù)飛行任務(wù)，并重構(gòu)制導(dǎo)控制律保證后續(xù)任務(wù)的繼續(xù)實(shí)施，實(shí)現(xiàn)對(duì)典型故障的適應(yīng)。美國的法爾肯9火箭曾多次在飛行中發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)故障，然后通過控制重構(gòu)及彈道重規(guī)劃，確保了主任務(wù)的圓滿成功。中國近期的幾次飛行失利表明，若運(yùn)載火箭進(jìn)行故障容錯(cuò)和重構(gòu)設(shè)計(jì)，具備故障吸收能力，可大幅提升運(yùn)載火箭的可靠性和飛行成功率。目前，隨著迭代制導(dǎo)技術(shù)的成熟、基于總線架構(gòu)的箭上硬件水平的提升，開展故障容錯(cuò)和重構(gòu)
設(shè)計(jì)已成為可能。
長征五號(hào)火箭主要用于國家重大專項(xiàng)任務(wù)和大質(zhì)量、高價(jià)值載荷發(fā)射任務(wù)，任務(wù)的意義及影響較大，對(duì)發(fā)射可靠性及安全性要求更高。長征五號(hào)火箭GTO運(yùn)載能力達(dá)到了14 t，在其執(zhí)行的發(fā)射任務(wù)中，大部分有效載荷質(zhì)量要小于運(yùn)載能力，因此每次飛行任務(wù)中均具有一定的運(yùn)載余量，天然的具備開展故障診斷、容錯(cuò)及重構(gòu)設(shè)計(jì)的條件。
前期長征五號(hào)火箭已開展了針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障、伺服機(jī)構(gòu)故障等的故障適應(yīng)性及容錯(cuò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，后續(xù)將逐步推進(jìn)相關(guān)改進(jìn)技術(shù)的飛行搭載驗(yàn)證及工程應(yīng)用。
04
結(jié)束語
長征五號(hào)系列運(yùn)載火箭在研制中攻克了大量的關(guān)鍵技術(shù)和工程應(yīng)用難題，其成功研制大幅提升了中國自主進(jìn)入空間的能力，火箭的整體技術(shù)水平達(dá)到國際先進(jìn)水平，有力地支撐了中國探月工程三期、火星探測(cè)等國家重大工程任務(wù)的實(shí)施，同時(shí)為中國后續(xù)載人空間站工程建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
長征五號(hào)系列運(yùn)載火箭具有運(yùn)載能力大、任務(wù)適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以滿足低軌、中高軌以及深空探測(cè)等各種任務(wù)需求，后續(xù)，將結(jié)合運(yùn)載火箭領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展，持續(xù)地開展改進(jìn)優(yōu)化，不斷提升火箭的任務(wù)適應(yīng)性、飛行可靠性和安全性，將其打造成中國新一代金牌火箭。
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作者簡(jiǎn)介
李平岐（1982-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)。
李東（1967-），男，博士，研究員，長征五號(hào)運(yùn)載火箭總設(shè)計(jì)師，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)。
楊虎軍（1972-），男，研究員，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)。
黃兵（1972-），男，研究員，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)。
黃輝（1979-），男，研究員，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)。
本文轉(zhuǎn)載自“《導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)》”，原標(biāo)題《長征五號(hào)系列運(yùn)載火箭研制應(yīng)用分析及未來展望》，文 | 李平岐 ，李東 ，楊虎軍 ，黃兵 ，黃輝
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