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长征五号系列运载火箭

归档日期:06-26       文本归类:加注助推剂      文章编辑:爱尚语录

  长征五号系列运载火箭(英文:Long March 5 Series Launch Vehicle),又称“大火箭”,是中华人民共和国为了满足进一步航天发展需要,并弥补中外差距而在2006年立项研制的一次性大型低温液体运载火箭,也是中国新一代运载火箭中芯级直径为5米的火箭系列。 长征五号系列由中国航天科技集团公司研制,设计采用通用化、系列化、组合化思想。系列由二级半构型的基本型长征五号运载火箭(代号:CZ-5)、不加第二级的一级半构型长征五号乙运载火箭(代号:CZ-5B)以及添加上面级的长征五号/远征二号运载火箭组成,地球同步转移轨道和近地轨道运载能力将分别达到13吨、23吨。中国未来天宫空间站、北斗导航系统的建设,探月三期工程及其它深空探测的实施都将使用该火箭系列。 现阶段,基本型长征五号正在文昌卫星发射中心进行合练,预计于2016年9月底至10月初在文昌卫星发射中心首飞。首飞成功后其将成为中国运载能力最大的火箭。

  中国空间技术研究院(航天五院)研制的东方红四号卫星质量已经达到了5.1吨,下一代的东方红五号通信卫星将达到6.5~7吨,这已经远超中国现阶段地球同步转移轨道(Geostationary Transfer orbit,GTO)运载能力最大的长征三号乙5.5吨的运载能力;中国载人航天工程在2017年后将进行大型空间站的建设,核心舱质量将达到20吨级别,这更远超现有长征二号F火箭9.2吨的近地轨道(Low Earth orbit,LEO)运载能力;嫦娥探月工程在完成一期的绕月,二期的落月后,采样返回的三期工程也需要更大运力的火箭才能实现;再往后10年在深空探测方面,对火星,木星,近地小行星和小行星带探测也需要更大运力的运载火箭。因此发展大推力火箭是迫在眉睫。

  世纪初,世界上开发出或开发中的多种型号运载火箭,比如欧洲空间局广泛投入市场的“阿丽亚娜5号”运载火箭、美国的“德尔塔号”系列、俄罗斯的“安加拉号”系列和日本的H-IIB号运载火箭,都具有可靠性高、运载能力大、发射成本较低的特点。反观中国“长征”系列,运载能力低、可靠性不高、安全性差、服务周期长、使用的偏二甲肼和四氧化二氮推进剂毒性大且价格昂贵,如果不赶快改进,将被挤出世界航天市场。/长征五号系列运载火箭编辑

  包括长征五号在内的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”的发展原则,贯彻“通用化、组合化、系列化”设计思想,基于已经开展工程研制的50吨液氢液氧发动机和120吨液氧/煤油发动机,以及大直径箭体结构,首先完成芯级直径5米的长征五号大型火箭研制,大幅度提高我国运载火箭的能力及技术水平,并为未来的系列化发展奠定基础。在此基础上形成近地轨道运载能力最大覆盖到25吨、地球同步转移轨道运载能力最大覆盖到14吨的新一代运载火箭系列。5米直径长征五号大型火箭作为新一代运载火箭发展的重点,其研制成功后将解决新一代运载火箭的关键技术,实现我国运载火箭的升级换代。/长征五号系列运载火箭编辑

  YF-100是一种液氧煤油分级燃烧循环火箭发动机,是我国1990年代中期研发的八十五吨推力发动机的挖潜型。在长征五号系列运载火箭中它将被安装在火箭的助推器上。YF-100采用先进的富氧预燃分级燃烧循环。总体而言,其整个动力循环相当先进。YF-100发动机地面推力约120吨,地面比冲约300秒,线%节流以调节推力。迄今为止,YF-100的总试车时间已经超过了2万秒,YF-100液氧煤油发动机的可靠性已经得到了充分的检验。YF-100还可以回收重复利用:经过试车的发动机可以再安装到火箭上(以前经过试车的发动机就报废了),这样大大减少了研发资金。YF-77发动机

  YF-77是一种液氧液氢燃气发生器循环火箭发动机,将被用于长征五号系列运载火箭的芯一级。YF-77地面推力约52吨,比冲约310秒,线米,可以说是新一代运载火箭氢氧发动机中推力最小的型号。YF-77于2001年正式立项,但进度不太理想,研制工作中遇到了很多的问题。YF-77发动机已经实现了超过1万秒的试车时间,单台发动机试车时间达到了5000秒,按现有进度足够保证2014年长征五号首飞。YF-75D发动机

  YF-75D氢氧发动机是中国新一代上面级发动机,采用膨胀燃烧循环。从最新报道看,YF-75D发动机性能现有的YF-75发动机相近,均为线千牛和线秒,但可靠性有了很大提高,还可能具备更多的启动次数,将用于长征五号系列运载火箭的上面级。

  全型号数字化设计工作内容是利用计算机模拟试验过程,在实物试验之前,借助理论计算开展实验分析预示;在实物试验之后,通过比对数字化试验和实物试验的结果,修正理论模型,并为设计优化提供正确的模型。

  在以往的火箭研制过程中,技术人员必须在做出真正的产品样机以后,才能发现不同部件设计的偏差或者不协调,然后按照试验结果进行修正,这样容易拉长研制周期,消耗大量物资和试验设备。如今,在工程中利用三维设计手段,通过仿真软件进行模拟试验,节省了大量的人力、物力和财力,提高了设计可靠性。

  长征五号火箭实现数字工程化应用,最大的难点是在没有任何经验可以借鉴的情况下,采用全新的设计方法与设计理念。长征五号火箭实现数字工程化应用,也标志着中国火箭研制水平提升了一大步,并大大推动了航天产品数字化的进程。振动试验技术

  2012年9月我国最大推力高达70吨的电动振动试验系统研制成功。该系统由北京强度环境研究所研制,采用两台35吨电动振动台并激,实现总推力达70吨,利用多维振动控制技术,完成了正弦振动、随机振动和冲击等多种形式的试验,同时,还通过两台振动台的相位差实现单台振动台无法实现的角振动试验。

  长征五号运载火箭全箭振动试验将包括20余个飞行秒的测试。实验不仅可为长征五号安全飞行提供可靠参考,还可为后续的模拟仿真试验收集参考数据。通过模拟长征五号仪器舱在飞行过程中的各种振动环境,考核了仪器舱的环境适应性和可靠性,为火箭仪器舱在正式飞行中能够正常工作奠定基础。制造技术

  长征五号火箭推进剂储箱使用2219铝合金,这是美国土星五号火箭航天飞机,苏联能源火箭和欧日新一代运载火箭广泛使用的材料。长征五号在箭体加工上使用了先进的搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)技术,这是1991发明,1998年美国才在运载火箭上首次使用的焊接技术,日本则是2009年H-IIB火箭才首次使用。搅拌摩擦焊和轻质铝合金的使用减轻了结构质量,提高了运载能力。

  在生产长征五号运载火箭一级氢箱时,针对产品体积较大且结构刚性较弱的特点,中国运载火箭技术研究院211厂研究运用铣焊一体技术、内撑外压技术和辅助支撑技术等手段解决了焊接过程中的一系列难点问题,成功研制了国内最大火箭贮箱。运输技术

  长征五号直径5米的芯级部件要由海上运送至火箭发射场进行组装(原因详见“生产运输及装配”一节)。运输任务将由中国国产新型运输船“远望21”号承担。“远望21”号总长130米,型宽19米,型深12米,设计吃水5.8米,满载排水9080吨。

  中国航天科技集团公司一院15所与有关公司成功联合研制大型集装箱。该集装箱将用于装载长征五号运载火箭(以下简称“大火箭”)芯一级箭体。该集装箱的成功研制,为“大火箭”海上运输、顺利运抵海南发射场奠定了基础。 此集装箱长36.2米,宽6.4米,高6.6米,自重50余吨,体积是标准集装箱的40倍。 图为“大火箭”集装箱。其他技术

  长征五号火箭使用了电气一体化设计、冗余设计、光纤通道火箭控制系统总线、新型发射支持系统、伺服机构系统等先进技术。

  长征五号电气系统采用电气系统一体化设计。箭上电气系统包括控制、测量、能源以及附加等模块。其中控制模块主要完成火箭飞行过程中的姿态控制、制导以及时序控制等功能,并且采用GNSS/惯性测量复合制导与激光陀螺捷联冗余控制系统;测量模块主要完成箭上飞行参数的测量以及安控等功能;能源模块完成箭上仪器设备的供电功能,附加功能模块则完成火箭的推进剂利用、故障监测等功能。采用总线对各个功能模块进行信息综合、统一供配电。

  长征五号系列运载火箭分为六种构型,用字母A-F表示,分别对应其下属的六款火箭。其中构型A、B、C为带助推器的一级火箭结构(即“一级半”),主要用于发射近地轨道航天器;构型D、E、F为带助推器的二级火箭结构(即“二级半”),主要用于发射高轨道航天器。其中构型D为基本型。

  长征五号采用模块化设计,火箭各组成部分对应不同的模块:芯一级对应5米直径火箭芯级模块,芯二级对应5米直径火箭上面级模块,3.35米直径助推器对应3.35米直径火箭助推级模块,2.25米直径助推器对应2.25米直径火箭助推级模块。四种基础模块根据不同方式搭配再加上整流罩等火箭部件就可以形成我们所知的六种不同构型火箭。总体布局

  长征五号基本型(即构型D)包含了上述所有4个模块,涵盖了系列火箭所有关键技术项目,结构具有代表性,下面以它为例进行火箭总体布局介绍。

  长征五号运载火箭基本型为带助推的两级火箭。火箭由顶至下依次为整流罩、子二级(上面级)、子一级、2个3.35米和2个2.25米直径助推器。

  在芯一级配置2台50吨氢氧发动机(YF-77火箭发动机),第一级燃料箱旁捆绑了四个助推器,3.35米和2.25米直径助推器交替排列。3.35米直径助推器配置2台120吨液氧煤油发动机(YF-100火箭发动机),2.25米直径助推器配置单台120吨液氧煤油发动机。芯二级(即上面级)采用改进的长征三号甲三子级膨胀循环氢氧发动机(YF-75D)作为主动力。整流罩

  长征五号整流罩是目前国内直径最大、质量最大的整流罩,直径5.2米,长度根据不同的下属型号而有所不同(详见“下属型号”一节)。

  芯一级采用5米直径火箭芯级模块。5米直径模块采用全新的大直径技术,使用液氢和液氧作为推进剂,使用2台50吨氢氧发动机(YF-77)双摆,以及相应的新的增压输送系统和伺服机构等。直径

  芯二级采用5米直径火箭上面级模块。同样作为5米直径模块,其采用全新的大直径技术,使用液氢和液氧作为推进剂,采用改进的长征三号甲三子级膨胀循环氢氧发动机(YF-75D)作为主动力,2次启动,发动机双摆,以及相应的新的增压输送系统和伺服机构等。另外芯二级采用无毒、无污染辅助动力系统,配有气氧煤油姿控发动机。

  注:本表来源于2006年发表的《中国新一代运载火箭发展展望》,但至少在2008年时火箭的设计经过多轮优化调整,故上表中援引2006数据时均添加“约”字,数据仅供参考。上表中“起飞推力”一栏数据由该型火箭发动机海平面推力简单累加算得。

  1986年11月中国启动实施了高技术研究发展计划,简称863计划。“863计划”中的第二个重要的高技术领域航天技术领域主题项目之一为大型运载火箭和天地往返运输系统主题(简称为204主题项目)。

  90年代,担任863计划火箭发动机和大型运载火箭专家组组长的朱森元提出中国新一代运载火箭,必须是低成本、高可靠、无污染、模块化研制、积木式发展的。该建议在经过论证和完善后,成为中国新一代运载火箭发展的基本原则。

  2001年中国新一代大推力运载火箭研制计划正式立项。这一时期,火箭研制专家组确定了两条火箭模块确定原则:一是以火箭发动机推力来确定模块,包括助推模块,推力为120吨力(正负20吨),采用液氧煤油发动机,和箭身模块,推力为50~70吨力(地面推力50吨,线吨),采用液氢液氧发动机;二是以火箭箭身直径为模块,包括2.25米、3.35米和5米箭身模块。

  动力系统方面,二十世纪80年代中国张贵田院士就提出发展高压补燃液氧煤油发动机的设想,经过其努力863计划将液氧煤油发动机列入规划。1988年他率领队伍开始研究性试验,到1990年全面开展关键技术攻关,1990年从前苏联引进了2台RD-120高压补燃液氧煤油发动机进行原理研究,此后1995年进行全系统发动机试车。以此为基础中国开始开发国产YF-100高压补燃液氧煤油发动机,1998年动力部门取得涡轮泵联试的成功,为开展高压补燃液氧煤油发动机铺平了道路。2000年9月YF-100大推力液氧煤油发动机通过研制和技术保障条件国家立项,2001年10月转入初样研制阶段,2005年12月转入试样阶段。

  上世纪90年代中国开始大推力氢氧发动机的研制工作,最终YF-77于2001年12月研制立项获得批复,发动机关键技术攻关全面展开。

  2006年10月国防科工委、财政部联合批复了新一代运载火箭基本型工程研制的立项进入工程研制。

  2009年2月20日,长征五号运载火箭通过方案转初样阶段评审,进入初样研制阶段。

  2012年2月,长征五号系列运载火箭顺利完成初样第二轮全箭数字样机模装协调工作,在中国火箭史上首次实现了全型号数字工程化应用。

  2012年5月31日,长征五号系列运载火箭研制在天津顺利完成助推器大型分离试验,这是初样研制阶段最重要的大型地面试验之一。

  2012年12月初,长征五号系列火箭首个整流罩在中国运载火箭技术研究院211厂成功下线日,长征五号运载火箭全箭振动试验拉开了序幕。

  2013年6月27日,完成5.2米直径整流罩分离试验,是迄今为止中国进行的最大直径的整流罩分离试验。

  2012年5月28日,120吨级液氧煤油发动机项目通过国家国防科工局验收。

  2012年7月29日,YF-100大推力液氧煤油发动机在西安成功进行了极限工况热试车。

  2012年8月17日,YF-77氢氧发动机500秒长程热试车取得圆满成功,标志着2014年长征五号火箭首飞发动技术状态已经确定。

  a2013年7月11日,长征五号运载火箭通过初样转试样阶段评审,进入试样研制阶段。

  2014年03月,中国航天科技集团公司一院成立了新一代运载火箭联合指挥部,统筹管理协调长征五号、长征五号乙、长征七号和固体运载火箭的研制工作。

  动力系统方面,2014年4或5月,长征五号火箭芯二级氢氧发动机YF-75D进入验收阶段。

  2014年6月23日,YF-100通过了工艺鉴定试车,进入工程应用阶段。

  长征五号的生产任务将由位于天津滨海新区的新一代运载火箭产业化基地完成。2007年,国防科工委与天津市签约,备受瞩目的新一代运载火箭产业化基地落户天津滨海新区。国防科工委副主任虞列贵在开工仪式上说,该基地是中国新一代运载火箭研制工程的基础保证,也是后续批量生产和产业化、军民结合的航天高科技重要基地。基地建成后,将满足中国未来30~50年发展空间技术及和平利用空间的需要,实现运载技术跨越式发展和航天可持续发展。新一代运载火箭产业化基地一期工程包括铸锻造、钣金、机加工、表面处理、部段生产、总装测试、静力试验等厂房。长征五号的大部分部件将在这里被生产,其他部分如火箭发动机和3.35米直径助推器虽然分别由西安和上海负责生产,但它们都需要将产品运送至产业化基地进行组装。

  长征五号系列运载火箭突破3.35米直径的限制,芯级直径达到5米,要将其部件运送至发射场,原本常用的铁路运输由于隧道直径不足等问题无法使用,而大量的大部件运输和昂贵的成本也使空运的方案搁置,于是海运成为了最好的选择。海运由专门的运输船完成,这时长征五号肥胖的身躯(5米直径)将不成问题。而海运,也成了长征五号将发射地点选择在濒海的海南文昌的原因之一。

  长征五号在产业化基地完成后将被运送至天津港,装入专门为大火箭准备的国产新型运输船“远望21”号,经渤海、黄海、东海、台湾海峡、南海、琼州海峡等海域,经过五至七天时间,航行约一千八百海里,到达海南省清澜港西码头,再通过公路运往发射场内的火箭水平转载准备厂房。

  火箭搭载的航天器(载荷)将空运至海口美兰机场,经公路运往航天器总装测试厂房。

  文昌卫星发射中心位于中国海南省文昌市附近北纬约19度19分0秒,东经约109度48分0秒,原是中国以前的一个发射亚轨道火箭的测试基地。经过扩建改进,将成为中华人民共和国的第四个卫星发射中心。该发射场具有维度低和临海的天然优势,并且自动化、信息化、智能化程度、可靠性和安全性也很高。长征五号系列火箭下船后到达发射场,在综合测试大厅进行测试后,进入垂直总装测试厂房进行起竖、对接、综合测试。而火箭将要运载的航天器(载荷)完成总装测试后,以垂直状态运送到加注与整流罩装配厂房

  ,进行航天器的推进剂加注和整流罩装配,然后以航天器/整流罩组合体形式垂直转运至火箭垂直总装测试厂房与火箭对接安装。火箭、航天器联合总检查以及相关转场准备工作后,将垂直整体运输至发射工位,实施燃料加注,火箭点火发射。

  国务院审议通过了《航天发展“十一五”规划》,明确新一代运载火箭为中国航天重大科技工程。

  长征五号系列运载火箭顺利完成初样第二轮全箭数字样机模装协调工作,在中国火箭史上首次实现了全型号数字工程化应用。

  长征五号系列运载火箭研制在天津顺利完成助推器大型分离试验,这标志着中国“大火箭”初样研制阶段最重要的大型地面试验之一获得圆满成功。

  我国最大推力高达70吨的电动振动试验系统研制成功,并通过模拟为火箭仪器舱在正式飞行中能够正常工作奠定基础。

  在长征五号系列运载火箭和位于海南岛的海南文昌卫星发射中心问世后,中国将具备将1.2吨至25吨的有效载荷送入近地轨道,1.8吨至14吨的有效载荷送入地球同步转移轨道的能力。这意味着中国可以发射质量更大、功能更全的卫星,如20吨级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,并可以进行一箭多星的发射,提高卫星的发射效率和组网的速度。“如果长征五号进入应用,我国火箭的低轨道运载能力将由原来的8吨提高到25吨。在一段时间内,我国运送航天器入轨的能力可以达到很高的水平,很可能就是世界最高水平。”中国运载火箭技术研究院副院长郝照平说,“这不仅体现了我国几十年航天科技发展的积淀,也符合我国航天事业的长远发展需求。”

  长征五号研制成功以后,5米直径系列火箭涉及的所有技术均得到掌握,在大幅度提升中国进入空间的能力的同时为后续衍生型火箭的发展奠定了基础。

  长征五号的研制不仅能够进一步满足中国航天事业发展的需求、保持中国运载火箭在世界航天界的地位,而且该火箭的研制和生产将推动我国空间科学和空间应用产业的发展,带动多领域科学技术的进步,促进国民经济建设和国防建设,从而进一步提高中国的综合国力。

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