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长五B首飞成功创纪录 中国载人空间站建设拉开序幕

来源:互联网添加时间:2020/05/17 点击:

1958年5月,毛泽东主席在党的八大二次会议上提出:“我们也要搞人造地球卫星”。随后,他风趣地说,鸡蛋那么大的我们不放,要放就放个两万公斤的。

2020年5月5日,由中国航天科技集团有限公司第一研究院抓总研制的长征五号B运载火箭在中国文昌航天发射场成功首飞,把近22吨重的新一代载人飞船试验船送入太空。这是中国乃至亚洲火箭首次发射超过“两万公斤”的航天器,进一步奠定了长征五号系列火箭运载能力在世界现役火箭第一梯队中的地位。

那么,长征五号B火箭与长征五号火箭有哪些不同?它是如何将这么重的飞船送上天的呢?

长征五号B和长征五号火箭同属一个系列火箭,但使命任务不同,长征五号B火箭主攻近地载人空间站,长征五号火箭主打高轨卫星和探测器。

据长征五号B运载火箭总指挥王珏介绍,从立项到首飞,长征五号B火箭经历了近十年的研制历程。2011年11月,长征五号B运载火箭正式批复立项,承担发射空间站舱段的任务。2012年1月,长征五号B运载火箭方案通过评审,转入初样研制阶段。2018年11月,长征五号B运载火箭转入试样研制阶段。2020年1月19日,长征五号B遥一运载火箭顺利通过出厂评审,首飞任务载荷为新一代载人飞船试验船及返回舱试验舱。

在今年1月举行的《中国航天科技活动蓝皮书(2019年)》发布会期间,长征五号运载火箭副总指挥曲以广接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)采访时介绍说,长征五号B火箭是我国现有低轨运载能力最大的运载火箭,也是我国首型采用“一级半”构型的火箭,其首飞开启了中国载人空间站任务阶段的序幕。

“和长征五号火箭相比,它俩的个头高度差不多,从外观上看,20.5米长的整流罩是比较明显的变化。”曲以广表示。

从外观上看,长五B火箭“身高”近54米,相当于18层楼高,近850吨重。与长五火箭比,长五B火箭芯级直径都是5米,矮了约3米,“体重”轻了约20吨。这主要是因为长五B火箭少了一个芯二级和一个级间段,只有一个芯级,也就是“腰”往上少了一部分。

长五B火箭也有4个直径3.35米的助推器(又称为“半级”),因此,长五B火箭是我国首型“一级半”火箭。不过,长五B火箭“头部”——整流罩比长五火箭更大,高度超过20米,连10多米长、4米多粗的空间站核心舱都能装进去。那么,长征五号B为何采用一级半构型呢?

一般来说,火箭分单级火箭和多级火箭两类,其中多级火箭又分串联式、并联式、混合式三种联结方式。

所谓单级火箭,顾名思义,也就是只靠一级发动机点火就直接将载荷送到预定位置,一步到位,目前我国长征火箭中还没有纯粹意义上的一级火箭。本次首飞成功的长征五号B火箭,在一级上捆绑了四个助推器,我们一般把助推器算作半级,所以,长五B火箭算“一级半”火箭。

目前采用较多的是多级火箭。比如,我国发射载人飞船的长征二号F运载火箭和发射空间站货运飞船的长征七号火箭都是二级半构型火箭。多级火箭最大的特点是,火箭点火后,最下面一级的燃料开始燃烧,燃料燃烧完后,发动机关机,发动机和储存燃料的箱体就会从箭体上分离,从而使火箭“轻装前行”。其实,这里有一个物理学基本原理,我们知道,推力一定的时候,物体的质量越小,所获得的加速度就越大,这和“包袱轻了跑得快”差不多一个意思。所以,我国的火箭多采用多级形式,很大一部分原因就是多级火箭能获得良好的加速性能。

但是,火箭级数也不是越多越好,级数多了,控制起来就会更复杂,这和“前后轮双驱”汽车比“单驱”汽车控制复杂是一个道理。所以,多级火箭一般不超过四级,我国现役火箭,级数最多的是长征十一号固体运载火箭,有四级。

多级火箭的联结方式一般有串联、并联、混合式三种方式。所谓串联,就是多级火箭好像竹竿一样串在一起,串联火箭空气阻力往往会较小。所谓并联,就是多级火箭并排捆绑在一起,这在助推器中较为常见。而混合式则是既有串联、又有并联,比如长征五号火箭就是采用四个助推器和一子级并联捆绑,一子级又和二子级串联的方式。实际上,真正设计一款火箭的构型的时候,需要考虑的因素是非常多的,对火箭的运载能力、结构强度、材料选择、速度控制等都需要极为精确的计算和试验。

即便少了一级,长五B火箭在专门向近地轨道送货的长征火箭中,力气仍然是最大的,一次能送超过22吨的东西,相当于10多辆小轿车的重量。地球附近约200至400公里的轨道是我国空间站建设的主战场,作为一型专注于近地轨道发射的火箭,后续空间站核心舱等主要舱段都要由长五B火箭送上天。

长五B火箭只用“一级半”就能把重磅航天器送上天,得益于采用氢氧推进剂的芯一级和采用液氧煤油推进剂的助推器的合理搭配。而芯一级的两台大推力氢氧发动机,又直接影响着航天器的最终入轨。

氢氧发动机的比冲(用于衡量发动机性能,可以理解为汽车的“百公里油耗”)傲视群雄,但其研制难度也极高。长五B火箭所承担任务的特殊性,对芯一级的大推力氢氧发动机提出了更高的要求。

载人空间站工程的交会对接等任务,好比在数百公里高的太空“穿针引线”,时间有丝毫误差,都有可能失之交臂,导致耗费更大的代价调整轨道。这要求运载火箭必须严格按照精准的时间发射,达到“分秒不差”,也就是所谓的“零窗口”发射。

长五B火箭芯级使用的氢氧发动机,必须确保预冷等发射前工作环环相扣、步步流畅,不耽误发射窗口。

同时,长五B火箭比长五火箭更轻,但起飞推力与长五火箭相同。用同样的劲向上提更轻的东西,加速度自然更快。而在助推器分离后,火箭加速度又瞬间达到最低。

除了零窗口和过山车一样的压力,一级精准入轨也是一个巨大的挑战。以往末级火箭的推力都很小,再辅以推力更小的姿态控制发动机,更容易在航天器入轨前对位置与姿态进行微调,从而确保精确入轨。

而这次,两台大推力氢氧发动机直接送载荷入轨,就像用大刀做“微雕”,力道极难掌握。

此外,大推力氢氧发动机关机后,还有“后效”,类似燃气灶闭火后的“余火”,这同样会对航天器入轨精度造成影响。

为了解决大推力精准入轨的问题,一方面,发动机研制队伍要确保发动机燃烧稳定,并尽可能给出“后效”的预测值。更重要的,则是控制系统必须把所有可能的误差考虑进去。

航天科技集团一院长五火箭副总设计师李学锋介绍,早在长五系列火箭研制之初,控制系统研制队伍就已统筹考虑长五和长五B的任务特点。长五和长五B控制系统的硬件是通用的,已实现产品化;软件也无需大改,即能适应长五B飞行任务。

“就像深海鱼突然跳到喜马拉雅山上,巨大的压力变化会使鱼瞬间爆裂”,航天科技集团六院长五火箭副总设计师王维彬说,发动机的入口面对过山车一样大起大落的压力,给发动机的稳定、可靠工作带来巨大挑战。

为了应对这些挑战,氢氧发动机研制队伍通过大量的研究改进与试验验证,将这些难点逐一攻克,进一步提高了发动机工作的可靠性与稳定性。此外,地面设备等系统采用的远程操作方法,也保证了发动机预冷等环节的安全、顺利推进。

长征五号B火箭的首飞成功开启了中国载人空间站任务阶段的序幕,为接下来发射空间站核心舱及其他舱段奠定了基础。

据中国载人航天工程办公室消息今年1月发布的消息,空间站核心舱初样产品与新一代载人飞船试验船一同抵达海南文昌,分别参加长征五号B运载火箭发射场合练及首飞任务。

目前,我国载人航天工程已处于“三步走”战略的最后一步,即空间站任务阶段,空间站系统已完成试验核心舱正样产品生产。核心舱命名为“天和”,是中国空间站的管理和控制中心,全长16.6米,最大直径4.2米,发射质量22.5吨,可支持3名航天员长期在轨驻留,支持开展舱内外空间科学实验和技术试验,是我国目前研制的最大的航天器。命名为“天宫”的载人空间站初期将建造三个舱段,包括一个核心舱和两个实验舱,每个规模20多吨。基本构型为T字形,核心舱居中,实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ分别连接于两侧。核心舱前后还可以停靠“天舟”货运飞船和载人飞船。

空间站未来将成为我国开展空间科学研究的主要平台,其在科学技术方面有三个目标:一是掌握大型空间设施的建造和运营技术,达到或接近国际空间站水平,并能利用当代的技术成果,发挥后发优势实现超越;二是掌握航天员经常在轨飞行的生活和健康保障技术。在空间站建设和应用中,人是核心因素。只有使航天员能健康地生活,才能保障其高效地工作;

三是建设国家太空实验室,为科学家提供高水平科学研究平台,以期能达到在科学方面若干领域实现重大突破的目标。

根据飞行任务规划,中国空间站工程分为关键技术验证,建造和运营3个阶段实施,其中:关键技术验证阶段安排了长征五号B运载火箭首飞、天和一号试验核心舱、神舟飞船、天舟飞船等6次飞行任务;建造阶段安排了问天舱(实验舱)、梦天舱(实验舱)、神舟飞船、天舟飞船等6次飞行任务。根据规划,中国将在2022年前后建立空间站,空间站的近期规模为100吨,可载3人,建成后将至少运营10年。