李平岐 ，李 東 ，楊虎軍 ，黃 兵 ，黃 輝

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2.中國運載火箭技術研究院，北京，100076）

0 引 言

長征五號系列運載火箭（后簡稱 CZ-5），是中國新一代運載火箭中第1個立項研制的火箭型號，它是為了滿足中國航天發(fā)展對大運載能力日益迫切的需求而研制的新一代大型液體運載火箭，以大幅提升中國進入空間的能力為目標，是中國由航天大國邁向航天強國的顯著標志和重要支撐[1,2]。

2016年11月3日，CZ-5火箭首飛取得圓滿成功；2020年 5月 5日，CZ-5B火箭首飛取得圓滿成功； 2020年7月23日、11月24日，CZ-5火箭先后圓滿完成了天問一號火星探測器、嫦娥五號月球探測器發(fā)射任務，為中國首次火星探測、月球取樣返回和載人空間站工程等國家重大航天工程任務實施奠定了堅實基礎。

1 研制回顧

CZ-5系列運載火箭按照“立足長遠、統(tǒng)籌規(guī)劃、優(yōu)先發(fā)展、分步實施”的發(fā)展原則，遵循“一個系列、兩種發(fā)動機、三個模塊”的總體思路，貫徹“通用化、組合化、系列化”設計思想，以“高可靠、低成本、無毒、無污染、適應性強、安全性好”為發(fā)展目標開展論證和研制。

CZ-5系列運載火箭的研制并不是以單一任務為目標，而是瞄準中國航天發(fā)展的現(xiàn)實和迫切需求而規(guī)劃的一個系列化運載火箭，基于5 m直徑模塊，共規(guī)劃了6個構型，實現(xiàn)對各種典型任務需求的覆蓋，其中地球同步轉移軌道（Geosynchronous Transfer Orbit，GTO）覆蓋 6～14 t，近地軌道（Low Earth Orbit，LEO）覆蓋 10～25 t；基于 3.35 m 直徑和 2.25 m 直徑模塊，構建了新一代中、小型運載火箭[3]。

目前已經(jīng)首飛并工程應用的 CZ-5火箭是兩級半最大構型，采用5 m直徑氫氧芯級、捆綁4個3.35 m直徑液氧煤油助推器方案，主要用于中高軌及深空探測發(fā)射任務；已經(jīng)首飛的CZ-5B火箭是一級半最大構型，相比CZ-5火箭，減少了二子級、并采用了更大規(guī)模的整流罩，以滿足載人空間站工程艙段發(fā)射任務的使用需求。CZ-5火箭和CZ-5B火箭實現(xiàn)了助推器和芯一級模塊完全共用，在中國首次實現(xiàn)了兩型大型火箭的并行研制，大幅縮短了研制周期、節(jié)約了研制經(jīng)費，為中國運載火箭的模塊化、系列化發(fā)展積累了豐富的研制經(jīng)驗。

CZ-5火箭新技術比例超過90%，包括：全新5 m箭體結構，2219鋁合金新材料，三型全新高性能、無毒無污染發(fā)動機，全新控制系統(tǒng)級冗余和總線技術，高碼率雙點頻冗余傳輸技術，“新三垂”測發(fā)模式為代表的12大類200余項核心關鍵技術[4]。研制過程中累計投產(chǎn)各類單機產(chǎn)品18 000余臺（套），開展各類地面試驗20 000余次。2016年，CZ-5火箭首飛成功，全面驗證了火箭總體方案以及各分系統(tǒng)設計方案的正確性、協(xié)調性。

2017年7月，CZ-5火箭進行第2次飛行試驗時，由于飛行過程中芯一級發(fā)動機推力異常下降導致飛行失利。在隨后的兩年多時間里，完成故障歸零，采取的改進措施經(jīng)過多臺發(fā)動機多次地面熱試車考核驗證，確認措施有效。2019年12月27日，CZ-5遙三火箭復飛取得圓滿成功，進一步驗證了改進措施的有效性。2020年7月23日、11月24日，CZ-5遙四、遙五火箭先后圓滿完成了中國首次火星探測（見圖1）和探月三期嫦娥五號探測器月球取樣返回發(fā)射任務。

故障歸零工作的同時，累計開展 400余項“再分析、再設計和再驗證”項目，進行了 200余項設計改進，提高了設計裕度，火箭的可靠性得到全面提升。為提高產(chǎn)品質量的管控水平，研制隊伍提出了設計特性全集的思路和全新工作方法，全箭各類產(chǎn)品共識別設計特性30 000余項，并按照設計特性屬性及重要性進行了分類分級管控，通過設計特性全集管控工作，有效確保了火箭產(chǎn)品的質量[5]。

現(xiàn)役大型火箭GTO軌道運載能力對比見圖2。

圖2 現(xiàn)役大型火箭GTO軌道運載能力對比 Fig.2 Comparison of Orbit Carrying Capabilities of GTO of Large Rocket in Service

CZ-5火箭大幅提升了中國運載火箭的整體技術水平，運載能力相比中國現(xiàn)役運載火箭提高了2.5倍，綜合技術指標達到了國際同類大型運載火箭先進水平。

在CZ-5火箭成功研制的基礎上，為滿足中國載人航天工程第 3步——空間站工程的任務要求，開展了CZ-5B火箭的研制，主要用于空間站艙段發(fā)射任務，其近地軌道運載能力達到了25 t。CZ-5B火箭遵循與CZ-5火箭進行產(chǎn)品化設計的原則，充分繼承了 CZ-5火箭研制基礎，助推器、芯一級狀態(tài)與CZ-5火箭狀態(tài)完全相同。為滿足空間站艙段發(fā)射任務要求，CZ-5B火箭突破了20.5 m長整流罩分離技術、大直徑艙箭連接分離技術、大推力直接入軌精度控制和分離安全控制技術等重大關鍵技術。2020年5月5日，CZ-5B火箭首飛取得圓滿成功（見圖3），它也是目前國際上唯一一級半直接入軌火箭[6]，具有系統(tǒng)簡潔、研制成本低、可靠性高等特點。

圖3 CZ-5B火箭首飛Fig.3 LM-5B Maiden Flight

2 任務能力分析

CZ-5系列運載火箭任務適應能力強，具備各種典型軌道任務的發(fā)射能力，其中兩級半構型CZ-5火箭可以用于中高軌道、深空探測任務，一級半構型 CZ-5B火箭可用于近地軌道發(fā)射任務。此外，CZ-5火箭、CZ-5B火箭與遠征系列上面級、固體上面級組合還可執(zhí)行地球靜止軌道（The Geostationary Orbit，GEO）直接入軌、中高軌圓軌道、太陽邊際行星際探測等多種發(fā)射任務。

2.1 CZ-5火箭典型任務分析

CZ-5火箭為兩級半構型，可適應的任務類型包括：

a）直接用于GTO、地月轉移軌道（Lunar Transfer Orbit，LTO）、地火轉移軌道（Mars Transfer Orbit，MTO）以及太陽同步軌道（Sun-synchronous Orbit，SSO）發(fā)射任務；

b）與遠征二號上面級組合，可以直接發(fā)射 GEO任務；

c）執(zhí)行發(fā)射能量要求更高的深空探測任務時，由于CZ-5火箭二子級規(guī)模較大，為實現(xiàn)運載能力最優(yōu)，當逃逸能量C3超過20 km2/s2時，建議采用“CZ-5火箭+遠征一號上面級”或“CZ-5火箭+小固體上面級”的方案。

2.2 CZ-5B火箭典型任務分析

CZ-5B火箭為一級半構型，可適應的任務類型包括：

a）直接用于LEO發(fā)射任務；

b）可以與遠征系列上面級組合，發(fā)射高度1000 km左右的圓軌道、SSO等任務。

2.3 整流罩可用包絡

CZ-5火箭、CZ-5B火箭整流罩采用整體吊裝方案，整流罩頭錐采用馮·卡門外形、全透波方案，整流罩柱段采用模塊化組合方案，整流罩直徑5.2 m。整流罩可用包絡示意如圖4所示。

圖4 整流罩可用包絡Fig.4 Available Envelope of Fairing

CZ-5火箭整流罩長約12 m、CZ-5B火箭整流罩長約21 m，整流罩柱段可用包絡直徑4.5 m，對于CZ-5B火箭用長整流罩，由于整流罩以及有效載荷彈性變形影響，在距離整流罩下端面10 600 mm以上部分，整流罩柱段可用包絡逐漸減小，整流罩內部可用空間見圖4陰影部分，整流罩操作口和透波口可以根據(jù)用戶需求進行定制。

2.4 星箭接口方案

目前，CZ-5、CZ-5B火箭支持2種類型的星箭連接解鎖方案：點式連接解鎖裝置和線形連接解鎖裝置。

a）點式分離方案采用10個或12個低沖擊分離裝置進行連接和解鎖分離，目前可以支持 Φ1900 mm、Φ3100 mm、Φ3500 mm、Φ3800 mm等多種接口方案，建議采用尺寸接口較大的方案，便于星箭對接操作以及可以適應更大的衛(wèi)星質量。點式分離裝置具有有分離沖擊小、碎片及多余物可控、承載能力范圍廣、同步性較好、安裝使用方便等優(yōu)點。

b）線形分離方案采用“膨脹管+雙凹槽板”的線形分離裝置進行連接和解鎖分離，目前可以支持Φ4100 mm接口。線性分離裝置具有可靠性高、結構剛度連續(xù)、承載能力強等優(yōu)點。

3 發(fā)展展望

3.1 研制更大整流罩，提升任務適應性

隨著CZ-5系列運載火箭成功研制及應用，中國多個有效載荷提出了發(fā)射使用需求，但現(xiàn)有CZ-5火箭采用的12 m長整流罩柱段長度較小、使用空間不滿足大質量載荷的包絡使用需求。為此，結合運載能力情況，開展了更大整流罩的論證，最終確定采用約19 m整流罩方案，柱段高度有效增加，該整流罩可適應一箭一星以及一箭雙星串聯(lián)發(fā)射任務，其中雙星串聯(lián)任務一次可發(fā)射2顆DFH-4平臺的衛(wèi)星，也可一次發(fā)射DFH-5和DFH-3平臺衛(wèi)星各一顆，進一步拓展了CZ-5火箭的發(fā)射任務適應性，如圖5所示。

圖5 新整流罩方案 Fig.5 New Fairing Scheme

3.2 發(fā)射場流程優(yōu)化，提升年均發(fā)射能力

CZ-5系列火箭是中國全新研制的大型低溫液體運載火箭，系統(tǒng)復雜，型號初期按照“發(fā)射場測試全面覆蓋”的原則，開展了發(fā)射場測試發(fā)射流程設計，制訂了為期約 2個月的發(fā)射場測試發(fā)射工作流程。隨著火箭技術狀態(tài)的不斷固化以及發(fā)射次數(shù)的增加，CZ-5系列運載火箭將逐漸完成技術方案不斷細化和完善、數(shù)據(jù)獲取等“成長和積累期”，具備開展后續(xù)流程優(yōu)化、縮短發(fā)射周期等工作的條件。

截至2020年11月，CZ-5系列運載火箭共完成了6次飛行，結合歷次任務發(fā)射場工作開展情況，后續(xù)可從以下幾方面開展流程優(yōu)化工作：

a）優(yōu)化發(fā)射場測試項目；

b）優(yōu)化產(chǎn)品卸船、轉載、箭體恢復等箭體吊裝前準備工作；

c）優(yōu)化星箭對接及合罩流程；

d）優(yōu)化推進劑加注流程，采用異種推進劑并行加注方案；

e）芯一級發(fā)動機大噴管裝箭運輸，減少發(fā)射場保留工序。

通過上述改進，發(fā)射場測發(fā)流程至少可縮短15天。

3.3 故障容錯及重構設計，提升飛行可靠性和安全性

運載火箭的故障診斷、容錯及重構設計是提升飛行可靠性和安全性的有效手段。通過診斷系統(tǒng)將故障準確診斷出來，根據(jù)故障情況規(guī)劃后續(xù)飛行任務，并重構制導控制律保證后續(xù)任務的繼續(xù)實施，實現(xiàn)對典型故障的適應。中國近期的幾次飛行失利表明，若運載火箭進行故障容錯和重構設計，具備故障吸收能力，可大幅提升運載火箭的可靠性和飛行成功率。目前，隨著迭代制導技術的成熟、基于總線架構的箭上硬件水平的提升，開展故障容錯和重構設計已成為可能[7]。

CZ-5火箭主要用于國家重大專項任務和大質量、高價值載荷發(fā)射任務，任務的意義及影響較大，對發(fā)射可靠性及安全性要求更高。CZ-5火箭GTO運載能力達到了14 t，在其執(zhí)行的發(fā)射任務中，大部分有效載荷質量要小于運載能力，因此每次飛行任務中均具有一定的運載余量，具備開展故障診斷、容錯及重構設計的條件。

為進一步提升CZ-5火箭的飛行可靠性，重點針對發(fā)動機故障、伺服機構故障等開展了故障適應性及容錯改進設計，在后續(xù)飛行任務中，將逐步推進相關改進技術的飛行搭載驗證及工程應用。

4 結束語

CZ-5火箭是中國新一代運載火箭的標志性重大工程，大幅提升了中國自主進入空間的能力，直接支撐了中國探月工程三期、火星探測等國家重大工程任務的實施，同時為中國載人空間站工程建設奠定了堅實基礎。CZ-5系列運載火箭具有運載能力大、任務適應性強等特點，可以滿足低軌、中高軌以及深空探測等各種任務需求，同時將結合運載火箭領域技術發(fā)展，持續(xù)地開展改進優(yōu)化，不斷提升火箭的任務適應性、飛行可靠性和安全性，將其打造成中國新一代運載火箭家族中的“金牌火箭”。