1月19日下午,长征五号遥四火箭大推力氢氧发动机在航天科技集团六院,顺利完成了总装出厂前的最后一项验证,标志着这台发动机性能达到预定要求,即将转入火箭总装阶段。此次试车圆满成功,也是继长征五号遥三火箭发射成功之后,又一台大推力氢氧发动机通过了发射前的全部考核。后续,该发动机将配套在长征五号遥四运载火箭,执行我国首次火星探测任务。

长征五号遥四火箭大推力氢氧发动机试车成功!-贤集网

此次试车圆满成功,也是继长征五号遥三火箭发射成功之后,又一台大推力氢氧发动机通过了发射前的全部考核。后续,该发动机将配套在长征五号遥四运载火箭,执行我国首次火星探测任务。


北京航天试验技术研究所,承担了多型火箭的姿轨控试验、发动机试车以及整体动力系统的试验任务。长征五号、长征六号、长征七号等重要型号的动力系统试验都在这里完成。


5米大尺寸结构


长征五号火箭由中国航天科技集团所属中国运载火箭技术研究院抓总研制,由5米芯级捆绑4个3.35米助推器,全箭长约57米。据介绍,5米直径大型箭体结构为中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。


长征五号火箭起飞重量约870吨,其自身的结构重量却只占约10%。该火箭壳体“蒙皮”的厚度在1.2毫米至2毫米之间,整流罩的蒙皮厚度更是薄至0.3毫米。业内专家向中新社记者表示,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。

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25吨运载能力


长征五号火箭从增强进入空间能力的角度出发,瞄准中国航天发展的现实需求,使中国运载火箭的运载能力相比从前提高了2倍多。


长征五号火箭能将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,也可以将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,长征五号火箭还能把探测器送到木星等太阳系内行星。


12台大推力发动机


发动机是火箭的“心脏”,长征五号火箭采用了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。


记者了解到,长征五号火箭芯一级配置2台地面推力50吨的YF-77氢氧发动机,该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。


此外,长征五号火箭的4个助推器分别配置2台地面推力120吨的YF-100液氧煤油发动机。此型发动机推力大、比冲高,是中国目前推力最大的火箭发动机,已成为中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。三型发动机的结合,能大幅提高中国运载推进技术水平。


使用低温液氢燃料


长征五号火箭贮箱内推进剂(液氢、液氧和煤油)量占火箭总体重量的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,这个温度被称为绝对零度。长征五号火箭中液氢的温度已接近绝对零度,但火箭外表面温度依然可以一直保持在0摄氏度以上,只因为火箭的贮箱外“穿着”一层不到30毫米厚的“防寒服”,让火箭内的仪器、设备、电缆等正常工作。


据介绍,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。


突破247项关键技术


长征五号火箭突破了以12项重大关键技术为代表的247项关键技术。其中包括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等,这些技术均是中国运载火箭研制史上首次遇到的重大核心关键技术,在世界运载火箭中也属高难问题。


长征五号火箭在采用大量新技术的同时,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。


开展20000余次各种地面试验


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1300项,总计20000余次各种地面试验。


在研制中,型号队伍创造性地提出多项全新技术方案,刻苦攻关,全面掌握了这些全新技术,使中国运载火箭的技术有了多项重大突破。业内专家表示,长征五号火箭大幅度提升中国自主进入空间的能力,对构建中国新一代无毒、无污染运载火箭的型谱发挥牵引和辐射作用。


长征五号遥三火箭的成功,搭建了中国航天更加广阔的大舞台,未来也将托举中国月球探测、火星探测、载人空间站建设等一系列重大工程,为建设航天强国迈出坚实的步伐。


动力系统揭秘


为“冰箭”造芯 到底难在何处


2019年12月27日晚间发射的长征五号遥三运载火箭,其全部动力系统由总部位于西安的中国航天科技集团有限公司第六研究院提供。


在长征五号遥三运载火箭上,共有30台来自航天六院的四型发动机,分别是8台120吨级液氧煤油发动机、2台50吨级氢氧发动机、2台9吨级膨胀循环发动机和18台姿控发动机。


氢氧发动机:“极冻”条件“造芯”


被昵称为“胖五”的长征五号运载火箭,还有一个特别的名字——“冰箭”,因为它的芯一级动力配备的是氢氧发动机,以超低温的液氢、液氧作为燃料。


如果把常规火箭和“胖五”比作两辆车,在携带同样的行李行驶同样的路程时,前者自重需要1000吨,而后者自重只要约600吨。走相同的路,做相同的事,只需要原来一半的干粮。因此“胖五”的有效载荷,即运载卫星的能力明显增强。


为“胖五”减负增力,液氢液氧推进剂功不可没,但它们极低的温度也给研制人员带来挑战。


航天六院11所(京)主推进发动机设计部主任郑大勇说,氢氧发动机要经受“冰火两重天”的巨大考验。液氢温度可低至-253℃,而液氢和液氧燃烧时的温度高达3300℃。


巨大的温差对氢氧发动机的制造材料、加工和装配都提出更高要求。除此之外,轴承、燃烧不稳定性、氧涡轮等多种问题也是研制中的难点。


氢氧发动机的研制队伍通过研制更先进的测量方法、分辨率更高的振动分析软件和试后产品检测方法,通过采取有效措施,有效消除了发动机的隐患。


液氧煤油发动机:细节之处有“看点”


以往常规火箭装配,细小的头发丝被称为多余物,而对“胖五”而言,装配人员在舱体呼出的二氧化碳都被视作多余物。如果不及时进行气体置换,二氧化碳会在低温状态下冻结成固态,成为看得见摸得着的多余物。


从这一点足以见得,在“胖五”身上,每一处细节都值得深究,都体现着发动机研制人员的“工匠精神”。


在“胖五”发射时,作为助推发动机的8台120吨级液氧煤油发动机和芯一级动力的2台50吨级氢氧发动机几乎同时点火,橘色火焰从火箭尾部喷出,“胖五”身着夺目的“燕尾服”一跃而上,场面十分壮观。


其实,在120吨级液氧煤油发动机起动之前,还有一个非常关键的环节,这个环节被设计人员简称为“强吹”,就是在即将点火前向发动机燃烧室“强制”吹入高压氮气,这种氮气可以改善最先点火燃烧的组件的工作条件,让发动机点火时压力等关键参数稳步上升,实现点火瞬间的“快且柔”。就像短跑运动员,在发令枪打响的一瞬间,能迅速冲出起跑线但不至于太过生硬而摔倒。


辅助动力系统:低温下的“热血青年”


为“胖五”特别定制的辅助动力系统包括18台姿控发动机以及配套的气瓶、阀门、管路和贮箱。它们就装配在火箭二级氧箱尾部,负责火箭二级发动机滑行阶段的推进剂沉底管理、姿态控制和星箭分离前的末速修正。


因为太空中没有重力,火箭箱体中的液氢和液氧是以悬浮状态存在。为了让液氢和液氧贴合在火箭箱体底部,进而可靠实现膨胀循环氢氧发动机的二次起动,就需要被技术人员叫作“大沉底”“小沉底”的4台300N发动机和2台60N发动机来发挥作用。


姿态控制就是火箭的俯仰、偏航和滚转,前两个动作分别由4台300N发动机完成,滚转则由4台150N发动机完成。


在星箭分离前,负责沉底管理的4台300N发动机还会为火箭再次加速,让卫星与箭体分离时具备一个合适的初始速度,以便后续精准入轨。


这些发动机有多大,形象地说,300N、150N和60N发动机就分别像1000ml、500ml和300ml容量的水杯大小,成人用单手就能抓住。小而巧的它们,也承受着严苛的工作环境。在火箭飞行时,有大发动机工作带来的强烈振动,有火箭级间分离时带来的冲击,还要承受液氢液氧的低温环境和膨胀循环发动机工作时的热流环境。


这些小小的发动机,工作时间累计2000秒,工作累计数百次,像一个个“热血青年”,为火箭飞行保驾护航。如此,才有了火箭精准细微的姿态变化。


航天六院科研生产计划部部长王愿宁说,“胖五”动力有多大,发动机研制任务就有多难,研制中面临的挑战就有多大。每一个液体动力研制团队各有各难,各出奇招。最终,他们又带着精心雕琢的发动机产品,汇聚在海南文昌发射场,合力推举“胖五”升空。


背后的智慧创新


为“大卫星”持久供能“无形手”牵引飞天路


在2019年12月27日的长征五号遥三运载火箭发射任务中,中国电子科技集团有限公司继续发挥自身在测控通信和元器件研制方面的核心作用,共有14个成员单位参加了任务,承担了运载火箭系统、卫星系统、测控通信系统、发射场系统等众多系统的研制和保障任务,提供了上千台套整机设备和千余只关键器件,全面保障火箭发射和卫星实验过程的安全可控。


量身打造高能电源


此次发射任务,中国电科为实践二十号卫星特制了一套超高能的电源系统——量身打造的太阳电池阵+特别研发的锂离子蓄电池组。


这次首次应用的全新太阳电池阵,好比一双高能“翅膀”,产品的南、北两个太阳翼由太阳电池板和连接架组成。相比目前国内最大的东方红四号平台卫星,这双“新翅膀”的面积更大、比功率更高、设计寿命更长,是我国在高轨道首次应用半刚性太阳电池阵,产品技术达到国际先进水平。


首次应用的全新锂离子蓄电池组,大幅减轻整星重量达到25%,有效提高卫星的载干比,具有更高的比能量和更长的工作寿命,是当前国内卫星应用比能量最高、设计寿命最长的空间储能电源产品。


除此之外,为了能够更有效地控制卫星姿态,中国电科还为卫星“体态大师”矢量推进器指向机构,量身定制了两型电机产品,用于驱动指向机构偏转、调整推进器的方向和出力大小,测量指向机构的角位置。这两款电机产品不仅体积小、精度高,还能够适应低电压、高温度差的外部环境。


测控通信系统确保航行过程实时“在线”


为了将长征五号火箭和实践二十号卫星安全护送到既定轨道,中国电科还为它们配备一条安全的“风筝线”,确保飞行器们航行过程能实时“在线”,随时随地都能感受到悉心呵护。


这条“风筝线”就是测控通信系统,负责控制飞行器在各飞行阶段的轨道测量、遥测、遥控和图像传输等工作。为了布置这条“风筝线”,中国电科在陆、海、天全方位系统布局了地面雷达、地面测控站、海上测量船及中继卫星系统,用无形电波张开了一张100%全覆盖的通信测控“天罗地网”。


在广袤大地,安装的统一测控系统,经过改造升级,功能齐全,是国内首套实现全自动化的远程高精度自动化运行的系统;在茫茫远洋,远望三号、五号、七号测量船严阵以待,勇担火箭和卫星的海上跟踪测控重任;在深邃苍穹,天链一号中继卫星系统作为在太空中运行的数据“中转站”,通过四颗在轨卫星、三个地面终端站组网运行,基本消除了航天器测控盲区。


这张覆盖全域的“天罗地网”,好似一个个遥观苍穹的“眼睛”、倾听天外声音的“耳朵”、控制飞行器安全的“无形之手”,缜密连接着地面与长征五号、地面与实践二十号卫星、指挥中心与各个测控站点。


从火箭点火开始,测控系统便严阵以待,通过接收获取飞行器遥测、数传信息,通过测速、测距和跟踪测角,将这些信息通过卫星通信系统、IP测控网等回传到地面指挥中心,为飞行过程提供精准的测量数据,确保长征五号能够全程安全飞行,并成功将实践二十号卫星送入预定轨道。


智慧大脑带来更透彻“感知”


安全飞行不仅需要测控通信系统的全程护航,更需要自主可控“智慧大脑”为指挥控制带来更加透彻的飞行感知,使长征五号回传的发射数据、语音和图像信息,能够真正实现“远在天边、近在眼前”,这就需要中国电科配备的“智慧大脑”来大显身手。


此次任务中,中国电科主要承担了文昌发射场指控中心计算机(中心机)及显示系统和发射场场区图像通信系统建设工作。这些系统在火箭圈里可谓声名赫赫,它们曾成功保障了长征七号任务和长征五号首飞任务。据了解,这套系统主要有国产化和超长显示两大特点。


在中心机系统中,中国电科为其配备了完全国产的“智慧大脑”,使用了国产的服务器、交换机、桌面终端、存储等硬件设备,采用自主可控的操作系统,并且针对国产操作系统平台对用户的系统和应用软件进行了相应的改变,确保自主可控的国产化硬件设备和软件为长征五号的再次发射提供最坚强的保障。


在显示系统中,中国电科为海南发射场指挥大厅提供了超长待机的“闪闪明眸”,使用激光光源替代传统投影灯泡,将光源的使用周期从不到1000小时延长到5万小时,同时由于激光光源具备色域更宽、色饱和度更高等特点,还能使用户看到更加艳丽画面,体验到更加舒适的数据和影像观看效果。


2020年我国宇航发射次数将突破40次


长征五号运载火箭由中国航天科技集团一院抓总研制,是我国首型5米芯级直径的大推力运载火箭,运载能力位居世界前列。记者从发射现场了解到,随着长征五号第三次发射任务的成功实施,2020年我国一系列重大航天任务将陆续展开,预计宇航发射次数将突破40次,更加值得期待。


看点1


探月工程三期嫦娥五号任务


探月工程分为“绕、落、回”三个阶段。


2007年,长征三号甲火箭发射“嫦娥一号”实现了我国首次月球环绕探测。


2010年,长征三号丙火箭发射“嫦娥二号”获得世界首幅分辨率为7米的全月图。


2013年,长征三号乙火箭发射“嫦娥三号”实现了月球软着陆,我国航天器首次降落在地球以外的天体上。


2018年,长征三号乙火箭发射“嫦娥四号”实现了人类探测器首次造访月球背面。


2020年,我国将用长征五号运载火箭择机发射“嫦娥五号”,实现月面无人采样返回,圆满完成探月工程三步走的总体规划目标。长征五号总指挥王珏介绍,“嫦娥五号”任务需要将8吨多的“嫦娥五号”探测器直接送入地月转移轨道,而完成这一任务,必须由具有大运载能力的长征五号运载火箭来完成。


看点2


执行首次火星探测任务


目前,我国正在开展首次火星探测工程的研制工作。按照计划,2020年,我国将通过长征五号发射火星探测器,并通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视探测。


火星是太阳系的行星之一,大约每隔26个月就会发生一次“火星冲日”,这时火星与地球的距离会达到极近值,这段时间可以使用较小的代价将探测器送往火星,因此人类的火星探测活动通常也会每隔26个月出现一次高潮。在2020年就有一次“火星冲日”的机会。


探测器发射后,大约需要经过7个月左右时间的飞行抵达火星。


长征五号运载火箭总设计师李东介绍,长征五号的成功研制,将大幅度提高我国进入空间的能力,助力我国深空探测能力和水平的提升,实现在深空探测领域的跨越。按计划,我国将于2021年实现火星软着陆,开展火星环绕探测和巡视探测。


看点3


长征家族多型火箭迎来首飞


长征五号运载火箭的研制历程,也为新一代运载火箭积累了宝贵的经验。2020年,由火箭院抓总研制的长征五号B、长征七号甲、长征八号等多型新一代运载火箭将相继迎来首飞。


探索浩瀚宇宙,发展航天事业,建设航天强国,是我们不懈追求的航天梦。运载火箭的能力有多大,中国航天的舞台就有多大。航天强国的基础是航天运输系统,长征五号作为我国运载能力最大的火箭,对我国多项航天重大工程的实施具有基础性和前提性作用。


长征五号遥三运载火箭的成功,为中国航天的“超级”2020打下了坚实的基础,为建设航天强国迈出了坚实的一步。


文章来源: 中新网,科技日报

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