2020年5月5日，由中國航天科技集團一院抓總研制的長征五號B運載火箭在中國文昌航天發射場成功首飛，把近22噸重的新一代載人飛船試驗船送入太空。這是中國乃至亞洲火箭首次發射超過20噸的航天器，進一步奠定了長征五號系列運載火箭在世界現役火箭運載能力第一梯隊中的地位。
長征五號B運載火箭以長征五號運載火箭為基礎改進研制而成，主要承擔著我國空間站艙段等重大航天發射任務。或許有讀者會問，這哥倆有何不同，長征五號B運載火箭是怎樣將這么重的飛船送上天的？另外長征五號B運載火箭是我國首個一級半構型火箭。什么是火箭構型？一級半的長征五號B運載火箭強在哪？中國航天科技集團相關人士給出了答案。
無級間分離提升系統可靠性
按照構型，火箭分為單級火箭和多級火箭兩類，火箭助推器通常被算作半級。
目前我國航天任務采用較多的是多級火箭。其工作特點是，火箭點火后一級發動機開始工作，燃料用完，一級發動機關機，并和燃料儲箱一起從箭體上分離。其余各級發動機也是如此，通過這種“卸包袱”的形式，讓火箭輕裝前行，持續獲得良好的加速性能。在此基礎上，各級火箭分別承擔“起跑、加速跑、沖刺”的任務。
長征五號B運載火箭是在一級上捆綁了4個助推器，屬于一級半火箭。相比多級火箭的“接力”，它則是從點火到入軌一氣呵成，是我國現役運載火箭中唯一一款直接入軌的火箭。
這樣的構型不僅豐富和完善了我國新一代運載火箭型譜，也提升了系統可靠性。要知道，級間分離是火箭飛行中最容易出現問題的環節之一。火箭級間分離時，下級發動機關機，級間分離火工品工作使兩級分開。為避免分開的兩級發生“追尾”和“碰撞”，要用側推小火箭或反推小火箭點火，讓分離開的兩級隔出一段安全距離，上級火箭發動機再點火繼續飛行。這一系列動作十分復雜，對控制的要求極高。長征五號B運載火箭系統簡單，無級間分離，可靠性自然就高。
要“上得去”并“送得準”
一級半直接入軌雖然“簡單粗暴”，要實現卻不容易，需要滿足兩個基本條件：推力夠大“上得去”、精確入軌“送得準”。
長征五號B運載火箭未來將承擔空間站艙段運送任務，是我國近地軌道運載能力最大的火箭。它的底氣來源于我國為新一代運載火箭研制的2款發動機，充分發掘了液氧煤油發動機大推力、氫氧發動機高比沖的優勢。
該火箭的4個助推器配置了共8臺YF-100液氧煤油發動機，地面推力可達9600千牛。這樣的推力能讓火箭點火后獲得較大加速度。火箭一級配置的2臺YF-77氫氧發動機具備高比沖的特點，能使火箭以較少燃料獲得較大推力。但對于一級半火箭來說，沒有上面級進行軌道修正，如何保證入軌精度？
為此，火箭研制團隊研發了大推力直接入軌技術。該技術能在火箭點火之后，依靠先進的制導技術，不斷調整火箭彈道，直奔目標而去。為了實現“自動駕駛”，研制團隊在長征五號B運載火箭上創新運用了姿態控制增益優化和復合制導方法，提高了火箭姿態控制精度。
同時，長征五號B運載火箭還運用了大直徑艙箭分離技術。未來實施空間站發射任務時，當火箭把空間站艙段送到預定位置，兩者就要分離。空間站艙段重達20多噸，和火箭連接接口直徑超過4米，分離時稍有磕碰或“較勁”，都有可能出現損傷。研制團隊圍繞降低和改善沖擊環境開展專題攻關，采用“隔沖框＋阻尼盒”的降沖擊方案，并應用“顆粒阻尼技術”，以實現減振降噪效果，讓火箭上的“乘客”在“到站”后，能夠安全“下車”。
長征五號B運載火黑科技
長征五號B運載火箭身上還有多項國內首創的黑科技，比如整流罩。
整流罩是運載火箭的重要組成部分，用于保護衛星或其他有效載荷免受氣動力、氣動加熱及聲振等有害環境的影響。長征五號B運載火箭擁有目前我國最長最大的整流罩，整流罩長達20.5米，相當于6層樓高，直徑達到5.2米。如此寬敞的空間，是為發射空間站核心艙和實驗艙量身打造的。
為了改善氣動特性，該整流罩采用了馮·卡門曲線外形。馮·卡門曲線是一種非線性曲線，可以更好地減小空氣阻力，減輕載荷所受影響。但如此外形的整流罩，展開之后并不是一個平面，而是立體的，制造難度高于傳統的錐形整流罩。
作為我國長度最長、重量最重的整流罩，另一個技術難點在于如何保證分離時的安全可靠。經過多方案對比，科技人員確定采用旋轉式分離方案，并為此開展了大量仿真分析，以及多次整流罩分離試驗，有效驗證了設計正確性和各系統接口協調性。
開創“冰箭”零窗口發射先河
火箭發射窗口指允許火箭發射的時間范圍，一般需要綜合權衡衛星或飛船入軌要求以及多種限制條件后確定，比如衛星的軌道精度要求、地球與行星的相對位置要求等。“零窗口”是指發射時間范圍為零的發射窗口，也就是要求火箭必須分秒不差地點火升空。
未來的空間站交會對接任務，對長征五號B運載火箭也提出了“零窗口”發射需求，發射時間精度誤差要控制在1秒以內。作為采用液氫、液氧等低溫推進劑的“冰箭”，長征五號B運載火箭的“零窗口”發射有著更高技術含量和更大難度。此次發射成功，也開創了新一代運載火箭“零窗口”發射的先河。
為了實現“零窗口”發射，火箭各系統要確保在點火前一段時間就完成各項準備。但低溫推進劑加注后會不停地蒸發消耗，因此長征五號B運載火箭的準備狀態并不是越早越好，而要嚴格按照時間要求精準完成，并且為應對各種情況充分做好預案。
作為我國最復雜的運載火箭，長征五號B運載火箭發射前非常繁忙，任何一處細微差錯都可能造成發射流程延誤，進而影響“零窗口”的實現。研制團隊通過開展大量分析和試驗，實現了關鍵系統可靠性提升；通過射前流程優化，進一步提高了各系統對于“零窗口”發射的適應性，最終保證了任務成功實施。
長征五號和長征五號b的區別有哪些？
從外觀上看，長征五號B運載火箭“身高”近54米，相當于18層樓高，芯級直徑5米，近850噸重。與長征五號運載火箭相比，它的“腰圍”一樣，輕20噸，個子矮了大約3米。這是因為它比長征五號運載火箭少了芯二級和級間段，只有一個芯級配備4個助推器，是我國首型“一級半”火箭。
不過長征五號B運載火箭的整流罩比長征五號運載火箭大多了，長度超過20米，足以把十多米長、4米多粗的空間站核心艙裝進去。
除了外觀和構型，這哥倆還各有所長。長征五號運載火箭擅于跑長途，運送目的地包括大約3萬6千公里外的地球同步軌道、38萬公里外的月球，以及最近距離也有5千萬公里的火星。長征五號B運載火箭則專注于高度200至400公里的近地軌道，這是我國空間站建設的主戰場，后續空間站核心艙等主要艙段都要由長征五號B運載火箭送上天。
長征五號B運載火箭能憑借一級半構型把重磅航天器送入太空，得益于采用了氫氧發動機的芯一級，能夠與使用液氧煤油發動機的助推器合理搭配。其中芯一級的兩臺大推力氫氧發動機，憑借傲視群雄的比沖（用于衡量發動機性能，可以理解為汽車的“百公里油耗”），直接影響著航天器的最終入軌。
由于長征五號B運載火箭所承擔任務的特殊性，對氫氧發動機提出了極高要求。載人空間站工程的交會對接等任務，好比在太空“穿針引線”，時間有絲毫誤差，都可能讓對接雙方失之交臂，不得不耗費很大代價調整軌道。這要求運載火箭的發射時間“分秒不差”，也就是所謂的“零窗口”發射。長征五號B運載火箭所用的氫氧發動機，必須確保發射前工作環環相扣、步步流暢，才能不耽誤發射窗口。
另外，長征五號B運載火箭的加速度比長征五號運載火箭更快，但在助推器分離后，火箭加速度又會瞬間達到最低。中國航天科技集團六院長征五號運載火箭副總設計師王維彬表示，發動機入口面對大起大落的壓力，會給發動機的穩定、可靠工作帶來巨大挑戰。氫氧發動機研制隊伍開展了大量研究改進與試驗驗證，逐一攻克難點，進一步提高了發動機的工作可靠性和穩定性。
運送載荷入軌如同用大刀刻“微雕”
采用多級火箭執行發射任務時，都是用推力很小的末級火箭將衛星送到預定軌道，再輔以推力更小的姿態控制發動機，更容易在航天器入軌前對位置與姿態進行微調，從而確保精確入軌。
而只有一級半的長征五號B運載火箭，要用2臺大推力氫氧發動機直接運送載荷入軌，就像用大刀刻“微雕”，力道極難掌握，給精準入軌帶來了巨大挑戰。
同時，大推力氫氧發動機關機后，還會產生“后效”，就如同燃氣灶關閉后的“余火”，也會對入軌精度造成影響。這需要確保發動機燃燒穩定，并在發動機研制時就盡可能算出“后效”的預測值，控制系統也必須將所有可能產生的誤差考慮進去。
中國航天科技集團一院長征五號運載火箭副總設計師李學鋒介紹，針對發動機“后效”等不確定因素，研制團隊用隨機“打靶”的方法，模擬出上萬種情況，以驗證控制系統設計的可靠性。“打靶”實驗證明，即便預測的“后效”與實際情況有所出入，控制系統也能確保火箭精確入軌。
而控制系統研制隊伍早在長征五號系列火箭研制之初，就統籌考慮了長征五號運載火箭和長征五號B運載火箭的任務特點。控制系統的硬件可以通用，已實現產品化；軟件也無需大改，就能適應兩者不同的飛行任務。
在火箭總體彈道設計上，科技人員也充分考慮了發動機“后效”的影響，基于發動機校準試車的實際數據進行計算，進一步優化了設計方案。
多項瘦身舉措收益可觀
對于多級火箭來說，芯一級、助推器減重，對提高運載能力的影響并不明顯。而對于一級半入軌的長征五號B運載火箭來說，芯一級減重多少，運載能力幾乎就可以提高多少；助推器減重與運載能力提高的比例也高達1.25∶1。減重收益相當可觀。
長征五號B運載火箭的芯一級尾段位于箭體最后，不僅是發動機艙，當火箭豎立在發射臺上時還能起到支撐作用。此前長征五號運載火箭的尾段，采用的是組合梁結合分瓣玻璃鋼底板的結構方案。而在長征五號B運載火箭研制中，中國航天科技集團一院703所把大直徑大厚度碳纖維復合材料“3+2”蜂窩夾層結構整體成型技術用在了一級尾段的壁板和防熱板結構成型中，實現減重約400公斤。
該火箭助推器的減重也頗具特色。據中國航天科技集團八院長五系列項目辦主任張修科介紹，長征五號運載火箭的助推器如同4位壯漢，分別用“單肩”扛著芯級，這對“肩膀”的結構提出了很高要求。而在長征五號B運載火箭身上，研制團隊創新運用杠桿原理等，在捆綁點、助推器頭錐中裝上了4根“扁擔”，變“單肩扛”為“雙肩挑”，分散了受力。同時輔以先進的結構計算方式，綜合改進頭錐的結構，減重效果明顯。助推器頭錐、氣瓶等方面的改進，共減重了約600公斤。
記者了解到，長征五號B運載火箭上采取的許多減重措施，未來也將應用在長征五號運載火箭上。
來源： 科技日報 付毅飛
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