李 東,王 玨,何 巍,李平岐,牟 宇
(1. 中國運載火箭技術(shù)研究院,北京,100076;2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京,100076)
長征五號運載火箭總體方案及關(guān)鍵技術(shù)
李 東1,王 玨1,何 巍2,李平岐2,牟 宇2
(1. 中國運載火箭技術(shù)研究院,北京,100076;2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京,100076)
長征五號運載火箭是中國全新研制的新一代大型運載火箭,2006年獲得國家立項,正式開始工程研制,2016年11月3日在海南文昌發(fā)射場實施首次發(fā)射,并取得圓滿成功,工程研制歷時10年。在研制過程中,研發(fā)團隊攻克了大量的工程技術(shù)難題,積累了豐富的大型低溫運載火箭研制經(jīng)驗,長征五號運載火箭大幅提高了中國運載火箭的運載能力,其首飛成功在邁向航天強國的征程中踏出了最為堅實的一步,中國也由此進入了擁有大型運載火箭的國家行列。
運載火箭;長征五號;運載能力
2016年11月3日,全新研制的新一代大型運載火箭長征五號(CZ-5)在中國海南文昌航天發(fā)射場托舉著遠征二號上面級和實踐十七號衛(wèi)星(SJ-17),經(jīng)過約
1 821 s的飛行成功進入預(yù)定軌道,首飛取得圓滿成功。長征五號運載火箭的首飛成功標(biāo)志著中國運載火箭從此進入了擁有大型運載火箭的國家行列[1]。
中國航天經(jīng)過60年的發(fā)展,形成了具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的“長征”家族系列火箭。21世紀(jì),世界主要航天強國均推出了新一代運載火箭,如美國的宇宙神5、德爾他4,歐洲的阿里安5等。中國運載火箭在運載能力等方面與國外同類火箭相比存在一定差距。為全面提升中國運載火箭的技術(shù)水平,提高運載能力、可靠性、安全性、適應(yīng)性和環(huán)境友好性,2006年,長征五號運載火箭正式獲得國家航天局立項,進入工程研制階段。作為中國新一代運載火箭中第1個立項研制的火箭型號,是為滿足航天發(fā)展對大運載能力日益迫切的需求而研制的新一代大型運載火箭,它以大幅提升中國進入空間的能力為目標(biāo),是中國由航天大國向航天強國邁進的重要支撐和顯著標(biāo)志之一。
長征五號運載火箭按照“通用化、系列化、組合化”設(shè)計思想,以“一個系列、兩種發(fā)動機、三個模塊”為基礎(chǔ),瞄準(zhǔn)中國航天發(fā)展的現(xiàn)實和迫切的需求而規(guī)劃的一個系列化運載火箭,而不為單一特定載荷設(shè)計?;? m直徑模塊構(gòu)建形成了中國新一代大型運載火箭長征五號系列,共有6種構(gòu)型(見圖1),首飛構(gòu)型為二級半最大構(gòu)型,即長征五號運載火箭,地球同步轉(zhuǎn)移軌道(Geosynchronous Transfer Orbit,GTO)能力達到14噸級;用于載人空間站工程空間站艙段發(fā)射任務(wù)的長征五號乙運載火箭,為一級半最大構(gòu)型,其近地軌道(Low Earth Orbit,LEO)最大運載能力達到25噸級?;?.35 m直徑和2.25 m直徑模塊構(gòu)建形成了中國新一代中型和小型運載火箭。
長征五號運載火箭總長約57 m,捆綁4個助推器,起飛質(zhì)量約878 t,采用二級半構(gòu)型,由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和地面發(fā)射支持系統(tǒng)等組成,主要方案如下:
a)芯一級采用5 m直徑模塊,2臺地面推力50噸級的YF-77氫氧發(fā)動機雙向擺動;
b)助推器采用4個3.35 m直徑模塊,每個模塊配置2臺地面推力120噸級的YF-100液氧煤油發(fā)動機,每個助推器擺動靠近芯級內(nèi)側(cè)的1臺發(fā)動機;
c)芯二級采用2臺真空推力9噸級改進的新型膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機YF-75D作為主動力,雙向擺動、兩次啟動;
d)二級采用輔助動力完成滑行段姿態(tài)控制、推進劑管理和有效載荷分離前末修、調(diào)姿,整流罩頭錐采用馮?卡門外形,直徑5.2 m,高12.267 m,助推器采用斜頭錐外形等。
長征五號運載火箭是中國首個起飛推力超過千噸的大型運載火箭,相比現(xiàn)役長征系列運載火箭,運載能力提高2.5倍以上,運載能力和運載效率位居世界前列。
長征五號運載火箭的研制工作歷時10年,研制過程中突破了以12項重大關(guān)鍵技術(shù)為代表的247項關(guān)鍵技術(shù),在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)過程中,開展了各類地面試驗2 100余項,試驗次數(shù)7 000余次,火箭整體技術(shù)達到國際先進水平,建立和完善了中國大型低溫運載火箭的研制體系和規(guī)范,提升了中國運載火箭的研制技術(shù)水平和能力。
2.1 總體優(yōu)化及環(huán)境預(yù)示技術(shù)
為了滿足長征五號運載火箭系列化構(gòu)型設(shè)計要求,按照火箭總體性能需求完成了大型運載火箭構(gòu)型優(yōu)化、級間比優(yōu)化、傳力路線方案優(yōu)化,確定了液氧煤油助推與氫氧芯級的組合,以及助推支撐、前捆綁傳力,二級懸掛氧箱和助推器斜頭錐等火箭總體方案。分離設(shè)計方面,完成了中國最大的3.35 m直徑助推器分離(見封二圖2)的方案設(shè)計、仿真及試驗驗證;完成了8 m超長分離距離級間分離仿真分析、5.2 m直徑整流罩分離設(shè)計、仿真及試驗驗證;采用全箭精細化模型完成全箭氣動仿真分析、發(fā)動機工作羽流分析等。
長征五號運載火箭采用全新研制的大推力發(fā)動機,為了提高箭上儀器設(shè)備工作可靠性及鑒定余量,開展了火箭力學(xué)環(huán)境、熱環(huán)境預(yù)示分析及試驗驗證工作:完成了高、低頻振動預(yù)示、噪聲環(huán)境預(yù)示等力學(xué)環(huán)境預(yù)示;完成了氣動加熱、多噴管底部噴流、側(cè)推火箭噴流等熱環(huán)境預(yù)示;完成了地面試車、其他型號飛行等多種工況下的環(huán)境測量等;開展整艙級振動以及聲振聯(lián)合試驗,解決力、熱環(huán)境預(yù)示難度大以及精細化設(shè)計的難題。
2.2 大直徑箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計制造與試驗技術(shù)
長征五號運載火箭首次采用5 m直徑結(jié)構(gòu)(見封二圖3),突破了傳統(tǒng)火箭3.35 m直徑限制,是實現(xiàn)運載能力大跨越的基礎(chǔ)。采用全新貯箱和殼體新材料——2219鋁合金,全新攪拌摩擦焊焊接工藝,全新低溫貯箱絕熱方案,開展了大直徑結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、試驗技術(shù)攻關(guān),完成了大型助推捆綁傳力設(shè)計、大直徑貯箱設(shè)計、大直徑殼段設(shè)計,以及新型貯箱焊接技術(shù)、整體鍛環(huán)制造技術(shù)、大型低溫貯箱靜力及蒸發(fā)量試驗技術(shù)、大直徑殼段部段聯(lián)合試驗技術(shù)等。
5.2m直徑大型馮·卡門透波整流罩結(jié)構(gòu),創(chuàng)新使用了碳纖維輕質(zhì)蒙皮+預(yù)成型泡沫夾芯結(jié)構(gòu)技術(shù)方案;大尺寸蒙皮桁條結(jié)構(gòu)級間段承載能力近千噸,是目前中國最大尺寸單一部段半硬殼結(jié)構(gòu);偏心集中載荷超過300 t的大型偏置斜頭錐結(jié)構(gòu)技術(shù)、大直徑及大集中載荷薄殼結(jié)構(gòu)技術(shù)均實現(xiàn)跨越式發(fā)展。成功研制了中國規(guī)模最大的低溫輕質(zhì)貯箱,解決了大直徑鍛環(huán)過渡結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)和剛度匹配性難題。大型結(jié)構(gòu)研制同時帶動了機械加工、熱處理、焊接、檢測等裝備的發(fā)展。2.3 低溫增壓輸送系統(tǒng)及新型閥門技術(shù)
長征五號運載火箭動力系統(tǒng)采用全低溫新型發(fā)動機。助推煤油系統(tǒng)采用常溫氦閉式增壓方案,氧系統(tǒng)采用氦氣引射循環(huán)預(yù)冷和氦氣加溫閉式增壓方案;芯一級氫系統(tǒng)采用循環(huán)泵強迫循環(huán)預(yù)冷方案和閉式自生增壓方案,氧系統(tǒng)采用氦氣引射循環(huán)預(yù)冷和開式自生增壓方案;芯二級氫系統(tǒng)采用排放預(yù)冷和開式自生增壓方案,氧系統(tǒng)采用排放預(yù)冷和閉式氦加溫增壓方案。為滿足全箭“可靠性高、適應(yīng)性強、安全性好”的研制要求,動力系統(tǒng)解決了循環(huán)預(yù)冷、大口徑高精度閥門、高可靠冗余增補壓、統(tǒng)一供配氣、配氣臺冗余控制等技術(shù)難題。
2.4 助推器與芯級發(fā)動機聯(lián)合搖擺技術(shù)
長征五號運載火箭采用5 m芯級直徑、助推前捆綁傳力結(jié)構(gòu)形式,全箭動力學(xué)特性異常復(fù)雜,控制系統(tǒng)設(shè)計難度極大,并且首次論證采用了助推與芯級發(fā)動機聯(lián)合搖擺控制技術(shù)。在姿態(tài)動力學(xué)方面,基于牛頓-歐拉矢量力學(xué)體系、拉格朗日分析力學(xué)體系推導(dǎo)建立基于空間模態(tài)的新一代運載火箭姿態(tài)動力學(xué)模型;攻克了助推局部模態(tài)進入控制回路、發(fā)動機-伺服小回路低頻諧振、POGO-姿態(tài)控制回路耦合等多個動力學(xué)與控制深度耦合的技術(shù)難題,箭體模態(tài)如圖2所示。通過大型儀器艙角振動試驗、帶箭體邊界的伺服機構(gòu)特性測試試驗、速率陀螺與加速度計箭上選位試驗,有效抑制了箭體彈性邊界對控制回路的質(zhì)量影響。
2.5 大型低溫火箭POGO抑制技術(shù)
長征五號運載火箭POGO設(shè)計面臨發(fā)動機新、箭體結(jié)構(gòu)低頻模態(tài)密集、安全頻率窗口較窄等難題,為此開展了全新的頻率特性分析,解決了密集窄窗口問題;引入了高壓補燃和膨脹循環(huán)發(fā)動機的動力學(xué)模型,創(chuàng)新性地將模擬打靶、參數(shù)辨識、小波分析等應(yīng)用于POGO設(shè)計及數(shù)據(jù)分析中,有效地解決了大型復(fù)雜模態(tài)、結(jié)構(gòu)-控制-動力強耦合的低溫液體運載火箭POGO抑制設(shè)計技術(shù)難題。通過開展YF-100和YF-77發(fā)動機氧泵動態(tài)水試、助推和一級氧管路動態(tài)特性試驗、YF-100氧泵間管兩相流原理性驗證試驗等地面試驗,保證了POGO抑制設(shè)計的可靠性。
2.6 120噸級液氧煤油發(fā)動機技術(shù)
120噸級液氧煤油發(fā)動機是中國首臺自主研制的采用高壓補燃循環(huán)方式的大推力液體火箭發(fā)動機,發(fā)動機自身啟動、化學(xué)點火為單推力室、泵壓式結(jié)構(gòu)。發(fā)動機技術(shù)創(chuàng)新性強、研制難度大,攻克的關(guān)鍵技術(shù)包括:補燃循環(huán)系統(tǒng)自身啟動技術(shù),大推力發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)及布局設(shè)計技術(shù),高壓大流量推力室穩(wěn)定燃燒及冷卻技術(shù),高壓大流量富氧發(fā)生器技術(shù),高壓大流量高功率渦輪泵技術(shù),高精度調(diào)節(jié)與控制組件技術(shù),新材料應(yīng)用工藝和試驗技術(shù)等。120噸級液氧煤油發(fā)動機的研制突破了73項設(shè)計、制造、試驗技術(shù),新研制了50余種材料。截至長征五號運載火箭首飛,發(fā)動機試車超過57 000 s,單機實現(xiàn)5次啟動、試車時間
2 000 s;該發(fā)動機的研制成功,使中國成為繼俄羅斯之后,第2個掌握高壓補燃液氧煤油發(fā)動機全部核心技術(shù)的國家。
2.7 50噸級大推力氫氧發(fā)動機技術(shù)
50噸級氫氧發(fā)動機YF-77是中國自主研制的首臺大推力、地面點火啟動的氫氧火箭發(fā)動機,代表了中國氫氧發(fā)動機技術(shù)的最高水平,填補了中國大推力氫氧發(fā)動機的空白。發(fā)動機采用化學(xué)推進劑中能量最高、燃燒產(chǎn)物零排放的液氫作為燃料,與現(xiàn)役氫氧發(fā)動機相比,YF-77發(fā)動機真空推力是其9倍,推力室室壓是其2.7倍,氫渦輪泵功率是其15倍,氧渦輪泵功率是其20倍,外廓尺寸是其5倍,且工作過程中承受嚴(yán)酷的飛行熱環(huán)境以及泵前高過載環(huán)境條件。發(fā)動機在研制過程中,解決了高壓大尺寸氫氧燃燒室高頻不穩(wěn)定燃燒和冷卻技術(shù)及高性能、高功率密度多級氫渦輪泵技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),使中國氫氧發(fā)動機技術(shù)能力跨上了新的臺階。截至長征五號運載火箭首飛,發(fā)動機試車超過38 000 s,單臺發(fā)動機啟動15次、試車5 346 s。
2.8 9噸級膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機技術(shù)
芯二級YF-75D發(fā)動機是中國首次采用閉式膨脹循環(huán)的氫氧發(fā)動機,取消了燃氣副系統(tǒng),系統(tǒng)構(gòu)成極大減化,固有可靠性大幅提高,具有推進劑混合比調(diào)節(jié)功能和二次啟動能力。研制過程中解決了以受真空環(huán)境影響的發(fā)動機高空二次啟動技術(shù);高轉(zhuǎn)速下長壽命、高可靠氫渦輪泵技術(shù);高強換熱、高可靠推力室身部換熱技術(shù);小溫差冷氦換熱器技術(shù);小通徑葉輪粉末冶金成型技術(shù)為代表的設(shè)計、工藝、試驗等關(guān)鍵技術(shù)。截至長征五號運載火箭首飛,YF-75D發(fā)動機試車超過45 000 s,無故障試車超過30 000 s,創(chuàng)造了中國運載火箭發(fā)動機研制的新紀(jì)錄。YF-75D發(fā)動機實現(xiàn)了氫氧發(fā)動機由開式循環(huán)到閉式循環(huán)的跨越,成為目前中國比沖性能最高的火箭發(fā)動機。推力室再生冷卻通道單位壓降下的換熱功率等指標(biāo)達到國際先進水平。
2.9 采用總線技術(shù)的系統(tǒng)級冗余控制技術(shù)
長征五號運載火箭控制系統(tǒng)在中國運載領(lǐng)域首次全面采用基于1553B總線的系統(tǒng)級冗余技術(shù),箭上核心控制設(shè)備均采用三取二冗余設(shè)計,成功解決了控制系統(tǒng)動態(tài)重構(gòu)分配策略、慣組系統(tǒng)級冗余信息管理、速率陀螺與慣組角速度信息系統(tǒng)級故障診斷和重構(gòu)控制等冗余技術(shù)。采用先進的攝動+迭代+天基組合制導(dǎo)技術(shù),助推和芯級兩類發(fā)動機三通道聯(lián)合搖擺控制技術(shù),大風(fēng)區(qū)實時卸載、主動導(dǎo)引和預(yù)測關(guān)機復(fù)合控制,助推器多點支撐起飛主動抗漂移控制方法,大推力助推器、芯級制導(dǎo)關(guān)機和落點安全控制技術(shù),飛行控制與推進劑利用集成的數(shù)字化動態(tài)重構(gòu)系統(tǒng),遠距離測試發(fā)控方案,提供了完整的新一代運載火箭控制系統(tǒng)解決方案,使長征五號控制系統(tǒng)的技術(shù)水平、可靠性處于國際先進行列,實現(xiàn)了運載火箭控制系統(tǒng)的更新?lián)Q代。
2.10 采用高壓煤油和氫氣為能源的高可靠伺服技術(shù)
長征五號運載火箭助推器伺服系統(tǒng)為中國首次采用高壓煤油直接引流驅(qū)動伺服系統(tǒng),功率大、負載特性復(fù)雜。研制中攻克了冗余設(shè)計及管理技術(shù)、恒壓恒流控制技術(shù)、三冗余大流量伺服閥技術(shù)、煤油密封技術(shù)、動特性優(yōu)化技術(shù)、液壓鎖定設(shè)計技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。其中恒壓、恒流控制技術(shù)設(shè)計了多種高可靠閥門,攻克壓力波動、諧振、流量不穩(wěn)等技術(shù)難題;動態(tài)特性優(yōu)化解決了低剛度、大慣量負載的動特性控制問題;液壓鎖定技術(shù)通過研制多種零泄漏組件實現(xiàn)了偏心負載的任意位置可靠鎖定。
長征五號運載火箭芯級伺服系統(tǒng)首次采用以超高速氫氣渦輪為動力、集成高效毛細管氫/液冷卻器的伺服動力新方案和基于數(shù)據(jù)總線/數(shù)字信號處理器的三余度數(shù)控伺服方案,解決了高壓氫氣引流利用和轉(zhuǎn)換為長時工作大功率液壓動力等技術(shù)難題,其中氫氣渦輪泵累計完成約70 000 s氫吹試驗,實現(xiàn)了大型運載火箭液氫/液氧發(fā)動機的高動態(tài)、高可靠伺服控制。
2.11 10 Mbit/s高碼速率遙測數(shù)據(jù)綜合與傳輸技術(shù)
長征五號運載火箭全箭遙測參數(shù)總數(shù)2 200個(其中速變參數(shù)約500個),總線數(shù)據(jù)2 400個,總計達4 600個,與現(xiàn)役火箭相比,遙測參數(shù)數(shù)量和容量有較大程度增加。在中國首次采用“10M+5M”雙點頻遙測傳輸方案和10 Mbit/s高碼率遙測傳輸與數(shù)據(jù)綜合方案。通過技術(shù)攻關(guān)實現(xiàn)了高碼率下基帶信號傳輸?shù)耐暾耘c可靠性,高碼率下基帶數(shù)據(jù)綜合與時序調(diào)度,確定10 Mbit/s碼遙測的幀同步碼組,解決高碼率下天地通信模式。遙測單點頻碼速率達到國際領(lǐng)先水平。
2.12 大型活動發(fā)射平臺技術(shù)
長征五號運載火箭活動發(fā)射平臺是復(fù)雜的機、電、液、氣一體化的大型產(chǎn)品,是中國規(guī)模最大的發(fā)射平臺?;顒影l(fā)射平臺首次集成了地面發(fā)射支持系統(tǒng)氣液連接器、供氣系統(tǒng)、發(fā)動機排氫燃燒系統(tǒng)、地面瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)。通過開展結(jié)構(gòu)強度、燃氣流場排導(dǎo)、噴水降溫等仿真計算、擺桿結(jié)構(gòu)靜載及加載擺動試驗、平臺行走試驗、臺體總裝及加載試驗,驗證了發(fā)射平臺總體設(shè)計的正確性;通過開展DN100液氧加泄連接器低溫液氮密封試驗,一級液氫加排連接器液氮、液氫密封試驗、常溫和低溫對接鎖緊解鎖脫落試驗,驗證了低溫大口徑連接器密封設(shè)計和脫落設(shè)計方案的正確性。
發(fā)射平臺的研制攻克了臺體大載荷承載設(shè)計技術(shù)、高熱流燃氣排導(dǎo)設(shè)計技術(shù)、表面結(jié)構(gòu)防熱技術(shù)、大流量噴水降溫降噪防護技術(shù)、助推12點支撐垂直度調(diào)整技術(shù)、適應(yīng)“新三垂”發(fā)射模式的臍帶塔和擺桿設(shè)計技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。長征五號運載火箭垂直轉(zhuǎn)運情況見封二圖5。
長征五號運載火箭的成功研制,代表了中國運載火箭研制領(lǐng)域經(jīng)60年發(fā)展的又一大跨越,運載火箭總體構(gòu)型與優(yōu)化設(shè)計水平大幅提升,全面突破大直徑箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計制造技術(shù)、大推力液氧煤油發(fā)動機和液氫液氧發(fā)動機設(shè)計制造技術(shù)、大型低溫動力系統(tǒng)循環(huán)預(yù)冷技術(shù)、高可靠控制系統(tǒng)設(shè)計與大容量遙測數(shù)據(jù)綜合與傳輸技術(shù)、全新的測試發(fā)射模式和發(fā)射支持技術(shù)等。
長征五號運載火箭的研制突破掌握了一大批具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的全新技術(shù),推動了中國運載火箭技術(shù)的進步,實現(xiàn)了中國運載火箭從3.35 m直徑向5 m直徑的跨越,為中國未來大規(guī)模開發(fā)利用空間資源、在深空探測中發(fā)出“更強中國音”提供了堅實基礎(chǔ)。長征五號運載火箭的研制也培養(yǎng)了一批技術(shù)人才,牽引了天津大運載火箭基地和海南文昌發(fā)射場的建設(shè),為后續(xù)重型運載火箭的研制打下了良好基礎(chǔ)。
長征五號運載火箭作為中國新一代大型運載火箭,具有高可靠、低成本、無毒無污染、適應(yīng)性強、安全性好的優(yōu)勢,應(yīng)用前景廣闊。長征五號運載火箭將是中國未來航天發(fā)射任務(wù)的主力軍,在未來的探月工程三期、載人空間站工程空間站艙段發(fā)射、火星探測等重大專項工程任務(wù)中都將承擔(dān)重要角色。同時在未來大載荷地球同步轉(zhuǎn)移軌道、中高軌道等發(fā)射任務(wù)中也將擔(dān)當(dāng)主要角色,對于構(gòu)建中國未來空間運輸體系、加快現(xiàn)役運載火箭的更新?lián)Q代,都具有重要的意義,標(biāo)志著中國進入太空空間的能力大幅提升,由航天大國向航天強國邁出了堅實的一步。
[1] 李東, 等. 我國新一代大型運載火箭長征-5首飛大捷[J]. 國際太空, 2016(11): 1-7.
The General Scheme and Key Technologies of CZ-5 Launch Vehicle
Li Dong1, Wang Jue1, He Wei2, Li Ping-qi2, Mou Yu2
(1. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076; 2. Beijing Institute of Astronautical System Engineering, Beijing, 100076)
The CZ-5 launch vehicle, approved and started at 2006, is the new generation large launch vehicle of China. Its maiden flight is in November 3rd , 2016 and overall successful. The CZ-5 launch vehicle has been designed for 10 years. During this period, the design term has solved a lot of difficult technical problems and learns abundant experience in designing cryogenic launch vehicle. The design ability and foundation of the term has also upgraded. The CZ-5 increases the capability of Chinese launch vehicles. The successful maiden flight of CZ-5 makes China become the country that has the large cryogenic launch vehicle.
Launch Vehicle; CZ-5; Launch capability
V421
A
1004-7182(2017)03-0001-05
10.7654/j.issn.1004-7182.20170301
2017-05-05;
2017-05-08
李 東(1967-),男,研究員,現(xiàn)任長征五號運載火箭總設(shè)計師,主要研究方向為運載火箭總體設(shè)計