倪偉

專題—世界主要現(xiàn)役大火箭盤點

大國太空軍事博弈既需要各種衛(wèi)星，如導航衛(wèi)星、對地觀測衛(wèi)星、對海觀測衛(wèi)星、預警衛(wèi)星等，也需要人進入太空。而這些都需要一項能力作為支撐—“進入空間的能力”?？v觀人類太空探索的歷史，人類一直在克服一個難題，那就是把有效載荷從地面送到太空軌道上，這些有效載荷包括衛(wèi)星、空間站等硬件裝備，也包括人、植物等生命體。而大型運載火箭正是為人類提供這種“進入空間的能力”的最有效手段，同時也是彰顯國力的最有力的說明。

長征五號完成總裝開始轉(zhuǎn)運

萬丈高樓，起于設計。

長征五號運載火箭的設計沒有太多經(jīng)驗可以直接拿來，它是真正的跨代研制項目，是在一張白紙上重新畫下每一根線。

運載火箭專家、中國工程院院士龍樂豪表示，長征五號火箭是新一代運載火箭的老祖宗。從這個意義上說，在我國火箭發(fā)展史上，長征五號運載火箭與長征二號運載火箭有著相似的意義。長征五號火箭啟動研制是為了全面提升我國進入空間的能力，而不是以發(fā)射某個特定載荷為目標。

“以前是兩地之間需要一條路，于是就修這么一條路。而研制長征五號火箭是修一條高速公路，把沿線地點都帶動起來?！遍L征五號火箭總設計師李東說，這是設計理念上最重要的突破，表明了頂層決策的重大進步。

從2006年10月到2009年2月，用時約29個月，長征五號火箭在中國航天科技集團公司設計師的計算機里逐漸成型。

“像一棵樹，慢慢長，越來越清楚?！遍L征五號火箭副總指揮曲以廣形容這一過程。

12項核心關鍵技術，247項關鍵技術，接近100%的技術創(chuàng)新，從設想逐步走進現(xiàn)實。高可靠性、低成本、無毒無污染、高適應性、高安全性……長征五號火箭躋身國際最先進火箭之列，起步于設計理念的先進。

大火箭之大

“實現(xiàn)大運載能力，一靠大發(fā)動機，二靠大結(jié)構(gòu)?！崩顤|說，火箭要么“長高”，要么“長胖”，太高就變得細長，結(jié)構(gòu)強度減弱。所以，大直徑變成了必須突破的屏障。

設計師的難題在于，不僅要大，還要輕。與其他工業(yè)產(chǎn)品相比，設計火箭最關鍵的約束就是重量。

好鋼用在刀刃上，火箭設計師將重量一邊省給燃料，一邊省給載荷，箭體自身則越輕越好。這一主題貫穿設計始終。

長征五號火箭副總設計師婁路亮回憶，為了給箭體減重，設計師曾經(jīng)歷過壓力相當大的一段時間。通過智能減載、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、更換材料、創(chuàng)新工藝等措施，他們最終成功為火箭減重。“過程當中，我們大膽趟出了很多前人沒有走過的路?！?/p>

長征五號火箭的創(chuàng)新設計，是從總體優(yōu)化開始的。

研制之初，長征五號火箭就確定了系列化、組合化、模塊化的研制思路，力爭以最小的投入得到最大的產(chǎn)出。

長征五號研制帶動的大推力液氧煤油發(fā)動機、控制系統(tǒng)的系統(tǒng)級冗余等，已經(jīng)被新一代運載火箭所共享。按照系列化思想，長征五號同時開展了6種構(gòu)型的總體設計，從低軌道到高軌道的運載能力實現(xiàn)全覆蓋。

最初設計時，包含5米直徑芯級、3.35米直徑助推器、2.25米直徑助推器幾個標準模塊，以不同的組裝方式可以實現(xiàn)不同的運載能力。

當年統(tǒng)稱為長征五號火箭的6種構(gòu)型中，后來分出了長征六號和長征七號，并早于長征五號訪問太空。像一棵樹，慢慢長，枝葉越來越繁茂。

大火箭之力

大，太大，當然是長征五號火箭與其他長征火箭相比最重要的外形特征。除了這一點，最明顯的差異當屬助推器的斜頭錐。斜頭錐有著優(yōu)異的氣動外形，是減少空氣阻力的不二之選。

但助推器設計的高超之處，遠不止如此。

研制之初，長征五號火箭總體與助推器分系統(tǒng)經(jīng)過長時間聯(lián)合論證，最終定下包括斜頭錐、前捆綁主傳力、助推主支撐等全新技術在內(nèi)的助推器方案。當時歐洲“阿麗亞娜”-5火箭已經(jīng)使用了這些技術，但大量關鍵技術在國內(nèi)還是空白。

斜頭錐和前捆綁傳力，使得助推器從內(nèi)而外成為一個非對稱結(jié)構(gòu)。箭體非對稱結(jié)構(gòu)比對稱結(jié)構(gòu)的設計更為復雜。

長征五號火箭副總指揮兼副總設計師鮑國苗說，一個長征五號助推器的研制難度，不亞于其他常規(guī)火箭的芯級。

最終，助推器研制時間長達10年，“小小的”斜頭錐也經(jīng)歷了六七年才定型。

助推器設計的唯一宗旨，就是在起飛時提供足夠大的推力，克服地球引力。以往的長征火箭，助推器依靠接近尾部的后捆綁點向芯級傳力，實現(xiàn)較為容易，但效率不及前捆綁點傳力。采用前捆綁點傳力，還可以為芯級減輕負擔，將節(jié)省下來的重量用于載荷與燃料。長征五號火箭果斷選擇了前捆綁主傳力方案。

長征五號火箭豎立時，依靠4個助推器底部共12個支撐點“踮腳”站立。所以在發(fā)射瞬間，每個助推器需要將底部3個支撐點的推力最高效地傳送到頭錐內(nèi)側(cè)的那個前捆綁點上，帶動火箭起飛。助推器內(nèi)部的力“先擴后收”，軌跡復雜，設計更復雜。

鮑國苗說：“這種偏置集中力的計算，在仿真和試驗時難度極大?！?/p>

難度到底多大？當他們將數(shù)字仿真計算的任務交給國內(nèi)實力最強的高校時，對方起初坦言難以勝任。

可以說，長征五號火箭帶動了國內(nèi)復雜結(jié)構(gòu)大偏置力設計、仿真與試驗能力的大跨度進步。

我國首枚大型運載火箭長征五號在中國文昌航天發(fā)射場成功升空

大火箭之智

由箭載計算機、傳感器、線纜等組成的控制系統(tǒng)，遍布火箭全身，源源不斷傳輸著龐大的數(shù)據(jù)，并迅速計算出結(jié)果，指揮火箭向哪飛、怎么飛。

“簡潔、智慧、靠譜，是長征五號控制系統(tǒng)的設計理念，也是最明顯的優(yōu)點?！遍L征五號火箭副總設計師李學鋒說。

長征五號火箭控制系統(tǒng)采取了大量首創(chuàng)的控制策略，突破了26 項重大關鍵技術，綜合性能指標達到全球先進水平。

火箭飛行時，要實時控制飛行姿態(tài)，保證不偏航，尤其是在飛越大風區(qū)時，要避開對箭體結(jié)構(gòu)造成的最大應力，并精確分離、精準入軌。這是控制系統(tǒng)的職責;

長征五號點火起飛時，10臺發(fā)動機一起發(fā)力，推力超過1000噸。讓這些發(fā)動機在飛行中始終提供最大推力，這也是控制系統(tǒng)的職責。

長征五號火箭控制系統(tǒng)設計師將火箭飛行控制和燃料利用集成這兩個功能統(tǒng)一在了一個數(shù)字化網(wǎng)絡平臺上，既控制飛行姿態(tài)，又控制發(fā)動機的利用。這種“總線控制技術”為我國新一代運載火箭首創(chuàng)。

為了提供最大推力，液氧煤油和液氫液氧兩種發(fā)動機需要被合理分配，甚至點火時間也有毫秒級的先后之分，這就需要采用不同的控制策略。為此，設計師全球首創(chuàng)了大推力發(fā)動機精準關機技術。

類似的全球首創(chuàng)技術，長征五號控制系統(tǒng)一共有5項，打造了全球先進的“火箭大腦”?？雌饋?，火箭一點火，“轟隆”一聲就飛了。其實，火箭全身上下都被控制系統(tǒng)精確地調(diào)控著。

“ 這都是精細活兒。”李學鋒說，長征五號火箭里，控制系統(tǒng)的電纜線總重超過1噸。

而完美干出這些精細活兒的并不是地面上的人，是箭載計算機。

火箭一旦點火升空，就進入了“自動駕駛”模式?！盎鸺邸薄獞T性測量組合每20毫秒感知一次火箭的速度、位置和姿態(tài)，傳送給箭載計算機。計算機飛快運算，指揮火箭實時作出調(diào)整。

長征五號火箭的高可靠性也有著控制系統(tǒng)的卓越貢獻。長征五號火箭全面采用了系統(tǒng)級冗余技術，核心控制儀器均采用三取二冗余技術，主流的可靠性技術長征五號一應俱全，即使發(fā)生了小故障也不影響成功。

“既然要搞新一代，就搞可靠性最高的?！眾渎妨琳f，長征五號火箭的設計可靠性達到我國火箭的最高值：0.98。也正因為這么高的可靠性，研制團隊對高風險的首飛信心很足。

大火箭之助

液氧煤油發(fā)動機和液氫液氧發(fā)動機早就被認可為環(huán)保、高效、受歡迎的兩類液體火箭發(fā)動機。半個世紀前出版的《星際航行概論》中，“中國航天之父”錢學森就盛贊過它們。

但縱觀國際航天界，點火起飛時使用異型液體發(fā)動機，還要追溯到蘇聯(lián)的能源號火箭。異型發(fā)動機“脾氣”不同，從點火到建立推力再到平穩(wěn)起飛，控制難度大于同類發(fā)動機同時工作。

長征五號火箭芯一級的氫氧發(fā)動機推力為50噸級，助推器使用的液氧煤油發(fā)動機推力為120噸級。既然如此，芯一級為什么不干脆也使用推力更大的液氧煤油發(fā)動機呢？不僅外行人會感到疑惑，在方案落定之前，一些業(yè)內(nèi)人士也曾提出過這個問題。

這是設計團隊在1000多種方案中篩選出的最合理搭配。原因在于，絕對推力并非運載能力的決定性因素。

當火箭升空之后，火箭對比沖的要求提升，對推力的要求降低。燃燒同樣質(zhì)量的液氫液氧混合物產(chǎn)生的氣流速度比液氧煤油更高，能將火箭送往更高的軌道。

液氫與液氧是當前火箭燃料中最高能的物質(zhì)，大推力液氫液氧發(fā)動機是航天科研水平的標志。我國大推力液氫液氧發(fā)動機2001年立項，比長征五號火箭立項還要早5年。

發(fā)動機是航天航空工業(yè)中的一道難關，被稱為“工業(yè)桂冠上的那顆明珠”。為什么這么難？

長征五號火箭副總設計師王維彬表示，就氫氧發(fā)動機來說，它將低溫、高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、高熱流密度等極端特性集于一身，在極短時間內(nèi)發(fā)生難以想象的劇烈變化。而大推力比之小推力，又難上加難，“就像建一座普通體育館和鳥巢的區(qū)別”。

以人為本、安全可靠、綠色環(huán)保，是長征五號火箭研制初期就定下的設計原則。在設計長征五號火箭時，設計師努力實現(xiàn)了液氫加注時不需要人值守。他們通過應用大量新技術，減輕了人的工作強度，使得發(fā)射前準備工作簡化。否則，如此大體量的低溫火箭，射前準備工作會讓人忙碌得難以想象。

大火箭之美

被昵稱為“胖五”的長征五號火箭，身材健壯但比例勻稱。

“很多人感覺看起來很舒服、很漂亮，整流罩和斜頭錐都很漂亮?！钡O計之初其實并沒有考慮到這種美感，李東說，“設計師們只是在尋找一種最合理的設計。”

整流罩采取了馮·卡門曲線設計，這一由“ 導彈之父”發(fā)現(xiàn)的曲線，可以有效地減小空氣阻力，減輕載荷影響;助推器采取斜頭錐設計，與芯級優(yōu)美銜接。長征五號火箭的外形因而圓潤飽滿。

“合理、協(xié)調(diào)的東西都是美的，人長得漂亮肯定也是比例勻稱的。通過設計獲得了最合理的外形、最小的氣動阻力、最有效的傳力方式，各分系統(tǒng)互相協(xié)調(diào)也是最和諧的，自然就美了?！崩顤|說。

大火箭之美，其實并非完全由它的曲線和比例判斷，與它的色彩、噴繪關系也不大。

當高達20層樓、壯如小山的長征五號真正矗立在面前時，你會感到：大即是美。在發(fā)射一瞬間，地動山搖的時候，這種感覺更加強烈?？吹剿娜饲椴蛔越潎@它“ 漂亮”的時候，其實是在說它的“大”。

因為大火箭的背后，是國家科技能力、制造水平的全面體現(xiàn)，是我國向航天強國、科技強國、制造強國目標前進的實實在在的一步。所以，火箭越大，就越是航天科研實力的壯大，就越是國家實力的強大，就越能在探索宇宙的道路上再躍進一大步。

榮耀的起點，歸于長征五號火箭的設計師。他們?nèi)藬?shù)多達上萬，其中核心人員也多達上千，正值壯齡。副總設計師楊虎軍、婁路亮等一批航天青年干將，伴隨了長征五號火箭10年，至今也才40歲左右。

一位全程參與長征五號火箭組織工作的人見證了他們的付出，說：“他們把最好的10年獻給了這枚火箭?！?/p>

摘自2016年11月4日

《中國航天報》

責任編輯：劉靖鑫