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“数”说长五:5米腰身“灵活胖子”飞天的背后

来源:人民网2019-12-30 09:07

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  人民网北京12月27日电(赵竹青)运载火箭的能力有多大,航天事业的舞台就有多大。今天,由航天科技集团第一研究院抓总研制的长征五号遥三运载火箭发射成功,为中国航天未来探月、探火、空间站等多个重大任务打下基础。

  长五火箭是我国首枚大型运载火箭,运载能力位居世界前列。长五啥样?能力几何?让我们来看几组数据吧——

  “5”米腰身,变化多端

  长征五号系列火箭按照组合化、模块化设计思路,2.25米助推器模块、3.35米助推器模块以及5米芯级模块个性化组合就能组成不同构型,满足不同的发射需求。目前有长征五号、长征五号B两个构型,后续根据任务不同,还可以自由组合成多种构型。

  基本构型的长征五号为两级半液体火箭,由5米芯级捆绑4个3.35米助推器。芯一级直径5米、芯二级直径5米、助推器直径3.35米,整流罩直径5.2米、长约12.2米;全箭长约57米,是我国现役火箭中尺寸最大的。

  “1.2”毫米“铠甲”,薄如蛋壳

  5米直径大型箭体结构为我国运载火箭首次采用,是火箭实现运载能力重大跨越的基础,设计、制造、试验难度大。长五火箭起飞重量约870吨,其自身的结构重量却只占约10%。

  火箭外壳的厚度甚至只有几毫米。火箭的外壳专业术语称为“蒙皮”,主要材料为铝合金,火箭壳体“蒙皮”的厚度都在1.2毫米至2毫米之间,长五火箭整流罩的蒙皮厚度只有0.3毫米。在相同刚度下,火箭壳段的重量减少10%以上,可以为火箭减轻重量,装更多的燃料,“举”起更重的卫星。

  “25吨”运力:游刃太阳系

  长征五号从增强进入空间的能力角度出发,瞄准中国航天发展的现实而迫切的需求,使我国运载火箭的运载能力提高了2倍多。

  长征五号能将25吨级的航天器送到近地轨道、将14吨级的航天器送到地球同步转移轨道、将8吨级的探测器送到地球-月球转移轨道、将5吨级的探测器送到地球-火星转移轨道。在搭配合适的上面级后,长五火箭还能把探测器送到木星等太阳系内行星。

  长征五号使我国运载火箭的规模实现从中型到大型的跨越,运载能力达到或超过国外主流大型火箭。为我国实施探月工程、探火工程、载人航天空间站工程等重大航天工程项目提供高性能运载工具。

  “12”颗“心脏”同跳,勇猛刚强

  发动机是火箭的“心脏”,长征五号采用了3型12台全新研制的大推力发动机,主发动机均采用无毒无污染的推进技术,起飞重量约870吨,起飞推力超过1000吨。

  4个助推器,每个配置2台地面推力120吨的YF-100液氧煤油发动机。120吨液氧煤油发动机,推力大、比冲高,是我国目前推力最大的火箭发动机,已成为我国新一代运载火箭各个不同构型火箭共用的基础动力装置。

  芯一级配置2台地面推力50吨的YF-77氢氧发动机。50吨级氢氧发动机技术在国际同类发动机中处于先进水平。

  芯二级配置真空推力8.83吨的YF-75D新型膨胀循环氢氧发动机。

  这三型发动机在火箭发射过程中先后开机,各司其职,只为合力把“乘客们”运送至更加遥远的深空。

  体温“-253℃”,冷若冰霜

  长五贮箱内推进剂(液氢、液氧和煤油)量占火箭总体重的90%多,液氢温度是-253摄氏度左右、液氧温度是-173摄氏度左右。

  热力学中定义的最低温度是-273.15摄氏度,这个温度也叫绝对零度,人类已知的低温极限,在此温度下,物体分子没有动能和势能,绝对零度是实际状况中不可能达到的最低温度,自然界的温度只能无限逼近绝对零度。家用电冰箱能达到的最低温度是-20摄氏度左右,2010年科学家在南极测得的极端低温为-93.2摄氏度。

  长征五号火箭中液氢的温度已经接近了绝对零度,但火箭外表面温度依然可以一直保持在0℃以上,只因为火箭的贮箱外都穿着一层一共不到30毫米厚的“防寒服”,让火箭内的仪器、设备、电缆等正常工作。

  燃料在火箭发动机燃烧时的最高温度超过3300摄氏度,如此巨大的温差在瞬间切换,这种工况也是地球上绝无仅有的奇观。

  这种极限条件要求火箭发动机在焊接时,一个焊点的宽度仅0.16毫米,焊接时间误差仅限0.1秒,焊枪多停留0.1秒就可能把管件烧穿或者焊漏。

  闭关“908”天,王者归来

  科学探索的道路从来不是坦途,难免经历挫折。

  从长五遥二失利到遥三发射成功历时908天,累计进行了40余次15000余秒关键技术试验。908个日夜无数次跌倒后又重新爬起。

  2017年7月2日,长征五号遥二运载火箭发射失利。2017年10月12日,基本确认了飞行失利的故障模式,2018年4月完成了全部归零工作。

  2018年11月30日,一台改进验证的氢氧发动机在试车中发生故障。2019年3月29日,发动机试车故障的归零工作及改进验证全部完成。

  2019年4月4日,一台用于后续任务的氢氧发动机在试验后的数据分析中,发现了“异常振动频率”。本着“不带一丝疑虑上天”的原则,研制人员持续对发动机进行改进。2019年7月,研制人员完成了对发动机的结构改进。并在短时间内完成了十几次大型地面试验,最终困扰长征五号两年的发动机问题得到解决。

  长五火箭从1986年论证工作开始到2016年首飞历时30多年。长五火箭从2017年7月2日遥二失利到2019年12月27日遥三发射成功,历时908天。

  “7+7”工作法,反复雕琢

  为确保发射任务万无一失,长五遥三试验队开展了发射场“7+7”质量工作。

  7个重点:交底充分透彻、操作规范精准、数据判读精细、预案适用完备、流程精细规范、双想深入全面、举一反三彻底。

  7个再确认:技术状态更改情况再确认、关键操作项目分阶段再确认、技术状态变化的测试覆盖情况再确认、软件质量再确认、极性正确性再确认、全箭“防水、防热、防松”结果再确认、进入发射流程的地面设备质量再确认。

  “2万+”次淬炼,宝剑出鞘

  在研制中,型号团队创造性地提出多项全新技术方案。当然,与之配套的产品也基本为全新产品,全箭新研结构部段26个,新研3型主发动机,电气系统箭上新研单机数量达到1700余台套,软件190余个。

  长征五号火箭研制过程中,生产各类单机超过18000台,累计开展试验约近1300项,总计超过20000余次各种地面试验。

  经过刻苦攻关,长征五号火箭突破了以12项重大关键技术为代表的247余项关键技术。包括总体优化设计及环境预示技术,大直径箭体结构设计、制造与试验技术,助推器发动机摆动及前支点传力大型液体运载火箭姿态控制技术,采用总线技术的系统级冗余控制技术,大型活动发射平台设计、试验技术等。这些都是我国运载火箭研制史上首次遇到的重大的核心关键技术,在世界运载火箭中也属高、难问题。

[ 责编:赵清建 ]
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