国之重器:中国十年磨剑铸长征五号
一位航天专家曾说:“火箭的能力有多大,航天的舞台就有多大。”运载火箭技术水平不仅代表一个国家自主进入空间的能力,也体现着其最终利用空间和发展空间技术的能力和水平,是一个国家航天能力的基础。
3月23日,我国正在研制的长征五号运载火箭,在北京成功进行了芯一级动力系统第二次试车。这就意味着长征五号最难关键技术取得重大突破,为其年内转入发射场合练、2016年实现首飞打下了坚实基础。
您知道吗?作为我国目前研制中运载能力最大的火箭,它还有个形象的称谓,叫“冰箭”。这源于其首次采用零下252℃的液氢和零下183℃的液氧作为推进剂,箭体内部极低温,还实现了无毒无污染。但是为了铸成这枚“冰箭”,我国科研
人员整整花了10年时间,全面突破了12个大项、200多个关键核心技术。
那么,我们为什么要造这枚“冰箭”?它又新在哪里牛在
哪里?做成它又要迈过哪些坎儿?未来它又将派上什么大
用场?将为您一一解答。
航天大国需要大火箭
进入新的时期,面对国际商业卫星发射市场和国内未来卫星发射、深空探测的更高需求,同时考虑环境保护、发射
安全等因素,发展我国大直径、大推力、高可靠、低成本、无污染的新一代运载火箭被提上重要日程。总结来看,长征五号运载火箭(“冰箭”)的出现主要源于两点:
一方面,现役长征系列火箭面临更新换代。作为中国航天科技集团公司董事长,雷凡培对此有清醒的认识。他认为,火箭的结构效率、火箭发动机的推重比、火箭运载能力等衡量我国运载火箭技术基础的重要指标,都需要在研制新型火箭中获得进一步完善。
另一方面,研制大推力运载火箭是未来进行深空探测的基础,也是中国空间技术发展的必然要求。“嫦娥工程”二期和三期对月球探测的“落”“回”两个阶段工作,均需依靠这种新型大推力运载火箭。
正是这样现实的压力,直接促成了“冰箭”研制项目在2006年10月的正式立项。
而作为我国新一代运载火箭,“冰箭”采用无毒、无污染的液氢液氧推进剂,属于绿色环保大型液体运载火箭。全箭总长约60米,芯级直径达到5米,捆绑四枚3.35米直径的液氧煤油助推器,火箭起飞质量约869吨,近地轨道运载能力25吨,地球同步转移轨道运载能力14吨,与国际上主流运载火箭的运载能力相当。
“它的综合指标达到国际主流的运载火箭水平,同时也将大幅度提升我国开发利用空间资源、维护国家安全的能力,
为我国未来航天科技的发展搭建更广阔的舞台。”长征五号运载火箭总指挥王珏表示。
三大亮点铸就新“冰箭”
具体来说,“冰箭”的“新”和“牛”,主要基于三点。
首先是其腰围、身材、运力的“三高”。由于其腰围(芯级直径)由现役长征火箭家族的3.5米达到5米,最大身高达63.2米,有20层楼那么高,近地轨道运载能力由9吨增至25吨,是现役火箭最大运载能力的2倍左右,绝对算得上“长征家族”里的“大个子”和“大胖子”。
中国航天科技集团一院长征五号火箭主任设计师黄诚形容说,“冰箭”25吨的运载能力,好比可以一次将16台小轿车送入太空。而我国以后发射20吨左右的长期有人照料的空间站、大型空间望远镜、返回式月球探测器、深空探测器、超重型应用卫星等,更是不在话下。
除了发射吨位的提升,“冰箭”还可以实现一箭多星的发射。一次发射更多更重的、功能更全的卫星,将在完成相同发射任务的情况下,使每次的发射费用降低20%-30%。
此外,“冰箭”在燃料上也下了大工夫。不同于目前使用化学燃料的常规火箭,“冰箭”采用液氢液氧作为推进剂,因为其燃烧产生的是水,实现了无毒无污染。在“冰箭”约869
吨的身体里,90%是零下252℃的液氢和零下183℃的液氧,这已经接近低温的极限,“冰箭”一名正源于此。
“这是我们目前可用的推进剂组合中能力最大的一种。”
中国航天科技集团一院长征五号运载火箭总体主任设计师
黄兵说,我国在上世纪六七十年代就开始了液氢液氧的研制工作,经过几十年的科技攻关,终于在“冰箭”上成为了现实。
最后,“冰箭”在“保持身材”上也做到了锱铢必较。因为火箭每减少3公斤的自重,就能增加1公斤的运载能力。“冰箭”的燃料储箱成了“减肥”的大户:由于采用2219铝合金材料,其内壁最薄的地方只有3毫米。专家表示,如果等比例缩放我们生活中常见的鸡蛋的话,这个鸡蛋壳的内壁厚度只有正常鸡蛋壳的十万分之四。同时,“消漩防塌装置”的运用,使
得“冰箭”推进剂剩余量减少了50%。
正是这样集诸多科技成果于一身的创新设计,奠定了
新一代运载火箭高水平的基础。有媒体评论称,“冰箭”的LEO(即航天器距离地面高度较低的轨道。通常用LEO载荷来判断一款火箭的运载能力。)运载能力堪与欧空局阿里安5、日本H-IIA/B、俄罗斯安加拉火箭比肩。虽然运载能力只是
火箭水平的一部分,但后来居上的“冰箭”,无论如何都可以
真正称得上我国航天领域的“国之重器”。
“冰箭”历经千锤百炼
要造成这样一枚“冰箭”,我国科研人员经历的难关颇多。以3月23日成功进行的芯一级动力系统第二次试车为例,
这号称为“冰箭”最难也是最关键的技术。其中,三点最为紧要。
其一,发动机启动。与汽车发动机启动时需要预热一样,使用低温燃料的氢氧发动机在开始工作之前,要进行“预冷”。按下点火开关后,火箭会先用零下252℃的液氢给发动机降温,直到具备运行条件。不过,这些为发动机降温的液氢排出来,会飘散在空中,达到一定浓度就有可能发生爆炸。要消除危险,最好的办法就是提前把这些氢气烧掉。但是,即便是很少的量,也可能让火箭的试验台转眼间变成一片火海。
其二,发动机摆动。“冰箭”芯一级的两台氢氧发动机,不仅能产生最高140吨的推力,而且能通过发动机的一起摆动或各自摆动,改变火箭的飞行轨迹。但要跳好这样的太空舞步,并不容易。
其三,发动机关机。不像我们驾驶汽车踩个刹车这么
简单,火箭关机对于时机有着极端精确的要求,因为这将直接影响入轨的精度。长征五号动力系统设计提供不同的关机方式,可以按照预先设定的时间定时关机,也可以根据燃料的剩余量采取推进剂耗尽的关机模式,让火箭飞得更精准,也飞得更安全。
在我国近日公布的“冰箭”动力试车视频中,整个试验区
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