长五一箭系乾坤

        航天人常说:火箭运载能力有多大,航天舞台就有多大。正因如此,作为我国推力最大、划时代的重型火箭,长征五号受到了前所未有的关注。2016年11月首发成功,2017年7月第二次发射失利,在沉寂的这两年半中,下一代宽带通信卫星、探月工程、空间站、火星探测等重要的航天任务只能眼巴巴等着。此番“胖五”再次一飞冲天,重新开启了国人开拓航天大舞台的憧憬。

长征五号遥三火箭的成功发射,是长征五号火箭从失败中走出的一小步,却是中国航天事业前进的一大步!

长征五号补齐了中国航天蓝图大运载的关键短板

图1:中国航天实力图谱

2018年,中国航天发射总次数达39次,排名世界各国航天发射次数之首,创造了中国航天事业的新高峰。加上此次长五遥三发射,2019全年34次发射依然名列全球第一。以此来看,我们无疑是航天大国。我们已拥全球覆盖的卫星导航系统——北斗,成功发射了全球首颗量子科学卫星“墨子号”等(详见图1)。但成熟的重型运载火箭缺位,一直是一块短板。有了成熟可靠的重型运载火箭,中国的航天实力无疑可跻身世界航天第一梯队(表1)。

表1:世界主要航天大国实力对比

数据分析:华夏幸福产业研究院分析

从运载能力上看(图2),长征五号是我国运载能力最强的火箭,通过与远征二号上面级组合,可实现近地轨道25吨级,地球同步转移轨道14吨级,在目前世界所有现役的火箭中排名第三位,仅次于美国SpaceX的猎鹰重型火箭和ULA的德尔塔重型火箭。

图2:世界现役火箭运载能力一览

数据来源:华夏幸福产业研究院分析

长五的发射次数虽然不多,但由于重型运载火箭的重要性以及后续任务的迫切性,衍生型号也趋于成熟。长征五号乙取消了第二级氢氧结构,直接利用一级半火箭发射,具有更高的可靠性和安全性。其近地轨道的运载能力将达25吨,主要用于发射载人空间站等高价值的大型近地轨道载荷。预计2020年,我国将利用长五乙发射“天和号”核心舱,完成天宫二号空间站的主要构造。

图3:长征五号和长征五号乙结构图和核心参数对比

长征五号奠定了我国新一代重型火箭的技术基础

长征五号火箭立项于2006年,属于一次性大型低温液体捆绑式运载火箭,也是中国新一代运载火箭中芯级直径为5米的火箭系列。由于技术难度大,长五虽然比长征六号、七号早立项,而如今后者早已建功立业,长五时至今日才得以焕发生机。在研制攻关中,长征五号成功跨越了多只“拦路虎”:

火箭整体技术——30%到90%的跨越:长征五号火箭采用了全新的技术,不同于以往新一代火箭30%的新技术替代,长征五号火箭在关键核心部分应用了247项新的技术,新零部件产品替换比例高达90%,几乎是从零开始,另起炉灶,打造了一款不同以往的全新火箭。而新技术的应用就需要更多次的试验验证,并面临着更多的风险。公开信息显示,仅长征五号发动机就经历了114次试车,其中失败4次,还爆炸过1次,不可谓不艰难,不危险!

火箭结构技术——3．35米到5米的跨越:我国大载荷运载火箭长征三号乙、长征三号丙、长征二号F以及长征七号火箭的芯级直径均为3．35米,从未突破。而长征五号是唯一一款直径5米的大火箭,因为膀大腰圆,所以被称为“胖五”。火箭芯级直径从3．35米到5米,并不是简单的放大50%,这其中涉及到超大型结构件的整体制造技术。要想制造5米直径的芯体结构,需要攻克超大型结构件的金属铸造、加工、焊接、铆接等诸多基础工装技术,还需要超大型金属铸造设备、机床加工设备及性能检测设备等,这是制造能力上一次大的跨越。此外,5米直径芯体火箭的地面试验也面临新的需求,之前的试验工位无法满足新的助推器分离试验、整流罩分离试验、静力试验等。

图4:中国长征五号主要技术参数列表

图片来源:国家航天局、华夏幸福产业研究院分析

火箭发动机技术——75吨到120吨的跨越:发动机是火箭最核心的部件,决定了运载能力和轨道高度,被称为火箭的“心脏”。之前我国单台火箭发动机的最大推力只有75吨,远远不能满足长征五号的动力需求。长征五号采用了新一代无毒无污染的氢氧和液氧煤油发动机组合方式,8台120吨液氧煤油发动机分布装配在四个助推器上,两台50吨、两台9吨氢氧发动机分别装配在一级和二级火箭上。研发120吨级的液氧煤油发动机涉及到发动机叶片、燃烧室等几十种新材料和新工艺。而中国是世界第二个全面掌握液氧煤油高压补燃发动机技术的国家。

长征五号为中国下一步航天任务迈出了坚实的一步

没有大推力的重型运载火箭,很多大型的空间结构(如空间站),以及更远距离的深空探测就无法实施。而长五的成功将为中国的航天事业和产业发展打开新的大门。

实践二十号卫星——升级版东方红五号:实践二十号是基于东方红五号卫星公用平台研制的通讯实验卫星,也是我国目前研制的最大人造卫星,起飞重量8吨,双翼展开达40多米。实践二十号搭载了多型全新的卫星通信设备,包括我国目前能力最强的星地激光通讯终端,其传输速率可达每秒4．8G,将满足未来5至15年内通信、微波遥感和光学遥感等载荷对卫星平台的需求。

此外,“实践二十号”将对“东五”平台的八大项关键技术进行全面验证,不仅提升平台技术成熟度,还将推动牵引以下一代高容量宽带通信卫星为代表的型号立项工作。

图5:实践二十号示意图

图片来源:国家航天局

嫦娥五号——登月三步走之“回”:嫦娥五号的任务是实现月球的无人采样返回,是我国探月工程规划三步走“绕落回”的最后一步,也是我国探月工程系列任务中的关键一环(图6)。探月工程三期立项于2011年,计划由长征五号火箭将嫦娥五号送入地月转移轨道,并在月球表面实现软着陆。嫦娥五号上升器在采集完月球表面样品后与轨道器对接并返回地球轨道,最后由返回飞行器进入大气层着陆。

嫦娥五号不仅首次带回大量月球样品,拓展我国深空探测领域,同时也将验证我国的轨道测量与飞行控制精度、上升器远程导引控制(软着陆与再发射技术)、飞行器远程对接等天地协同控制技术。同时将“嫦娥五号是中国下一步载人登月,以及未来建设月球基地等探月任务中的关键一环。”

图6:我国探月工程系列任务之“绕落回”

图片来源:华夏幸福产业研究院

天和号——天宫空间站核心舱:“天和号”全长接近17米,直径4．2米,重约20吨,只有长征五号火箭可以完成发射任务。天和号核心舱是未来中国空间站的主控舱段,不仅承担未来中国空间站的指挥控制中心角色,也将为航天员提供生活和实验的场所。

目前,天和号核心舱已经研发完毕,正处于“卫星等火箭”的阶段,预计2020年由长征五号乙火箭发射升空。“问天”实验舱Ⅰ和“梦天”实验舱Ⅱ正处于研发阶段,计划于2022年发射,并与“天和号”对接。待后续“天舟”货运飞船和“神州”载人飞船入轨运行,届时我国将组建与国际空间站同等规模的中国“天宫”空间站。

图7:中国“天宫”空间站

图片来源:国家航天局

萤火二号——火星探测器:2011年,我国发射第一颗火星探测器“萤火虫一号”,但由于探测器未能按计划变轨,导致任务失败。据中国探月工程首任首席科学家欧阳自远透露:中国将于2020年7月利用长征五号火箭发射“萤火虫二号”,通过火星卫星、火星着陆器、火星车联合探测火星。萤火虫二号将进行火星表面采样返回,开展火星构造、物质成分、火星环境等科学分析与研究。开展火星探测,对地球长期演化研究、发现人类第二住所以及深空探测具有重要意义。

图8:萤火二号火星探测器

图片来源:国家航天局

巡天望远镜——中国哈勃:据我国载人航天工程总设计师周建平介绍,我国在建成空间站后会单独发射一个十几吨的光学舱,将与空间站保持共轨飞行状态。在光学舱里架设一套口径两米的巡天望远镜,分辨率与哈勃相当,视场角是哈勃的300多倍。如果在轨10年,可以对百分之四十以上的天区,约17500平方度天区进行观测。巡天望远镜将是中国人的“宇宙之眼”,为宇宙构成和演化,暗能量、暗物质、黑洞的研究提供海量的观测数据,为我国宇宙科学站在世界前列提供有力的支撑。

图9:中国巡天望远镜——中国哈勃

图片来源:国家航天局

结语

深邃的太空是人类生存发展依赖的资源,卫星、遥感、导航、太空科学实验等都与人们的生活息息相关,太空还有无穷尽的秘密等待人类去探索,飞向太空、探索太空、利用太空将会是人类永远的追求。长征五号为中国航天事业发展开启了一种新的能力,搭建了一个新的平台,期待着“胖五”搭载更多的航天任务飞的更高,创造中国航天更美好的明天。

12月20日,美国总统特朗普签署《2020财年国防授权法案》,正式开始创建美国第六大军种——太空军。此举标志着全球空间安全与竞争迈入一个新的时代。作为进入空间的交通工具,此举将迫使相关国家加快发展新型火箭技术,以及在此基础上的空间军事设施。

“胖五”任重而道远。