[科普中国]-中国航天舞台的擎天柱——中国新一代大型运载火箭长征-5

我国新一代大型运载火箭长征-5于2016年11月初首飞。长征-5火箭实现多项技术创新，运载能力比现役火箭提2倍多，综合性能处于国际先进水平。

1、新一代大型运载火箭的研制历程

研制背景

中国航天经过60年的发展，形成了具有独立知识产权的“长征”家族系列火箭，建立了完整的运载火箭设计、制造、试验、组织体系、基础设施。截至2016年10月18日，已经完成了237次发射，特别是“十二五”期间，共进行了86次发射，将138颗卫星送入轨道，成功率达97.7%。中国航天技术含量较高，打破了欧美垄断，进入了国际商业卫星发射服务市场，实现整星出口、在轨交付，总体技术性能接近或达到国际一流水平。

面向21世纪，世界主要航天强国均推出了新一代大型运载火箭，如美国宇宙神-5（Atlas-5）、德尔他-4（Delta-4）和欧洲阿里安-5（Ariane-5）等。中国运载火箭在运载能力等方面与国外同类火箭相比有一定差异，为了满足载人空间站、探月工程三期、火星探测工程、二代导航等重大航天工程任务需求，研制新一代大型运载火箭已是迫在眉睫，以全面提升中国运载火箭的整体技术水平，提高运载能力、可靠性、安全性、适应性、环境友好性，达到国际先进水平。

研制过程

早在20世纪80年代，中国第一代运载火箭系列正在逐步形成和发展阶段，中国航天的决策者和工作人员就已经开始酝酿和规划中国的新一代运载火箭，从1986年开始，在国家的支持下，先后开展了长达20年的新一代运载火箭方案论证工作，先后完成了新一代运载火箭论证、液氧/煤油与氢氧两种大推力火箭发动机关键技术研究、新一代运载火箭技术发展途径和总体初步方案研究、型号预先研究工作及工程研制立项准备、预发展阶段关键技术研究等一系列论证研究工作。配套的两型主动力发动机，即120吨级液氧/煤油发动机和50吨级氢氧发动机分别于2000年和2001年立项，开始了工程研制工作。

2006年，新一代运载火箭工程正式立项，航天人历时10年，谱写了一曲中国新一代大型运载火箭研制的激昂篇章。长征-5（CZ-5）运载火箭是我国新一代运载火箭中第一个立项研制的型号，它以大幅提升我国进入空间的能力为研制目标，按照系列化、组合化、模块化思想设计，采用5m直径箭体结构、无毒无污染的液氧/煤油和液氢/液氧推进系统、全新高可靠电气系统、以“新三垂”为代表的全新测试发射模式，将我国大型运载火箭低地球轨道（LEO）、地球同步转移轨道（GTO）运载能力分别提升至25吨级和14吨级，使我国火箭的运载能力提高了2倍多，火箭整体性能和总体技术达到国际先进水平，为中国航天进入更大的舞台提供了坚实基础。

在长征-5火箭研制过程中，攻克了大量技术难题，促进了中国航天整体进步，牵引了新一代中型、小型运载火箭研制，推动了新一代运载火箭产业化基地、新一代大推力发动机研制基地、海南文昌航天发射场等配套设施的建设，是我国由航天大国向航天强国迈进的重要支撑和显著标志之一。长征-5火箭经过10年研制，累计开展试验约2058项，总计超过7000余次各种地面试验，按计划将于2016年11月进行首次飞行试验。

长征-5火箭可为探月工程三期、空间站工程核心舱及实验舱、二代导航二期工程、火星探测等国家重大工程任务提供高性能、高可靠的运载工具，主要适应LEO、GTO、地月转移轨道（LTO）、太阳同步轨道（SSO）等对运载能力、卫星整流罩包络需求更大的工程任务，大力推动航天运输系统的发展，为载人登月等未来国家重大战略发展项目提供坚实的基础，同时为中国航天的发展在多方面开创新的发展空间。其GTO和LEO运载能力还有进一步提升的潜力，适应运载能力更大的工程任务需求。

2、长征-5火箭的技术创新

长征-5火箭从增强进入空间能力的角度出发，瞄准中国航天发展现实而迫切的需求，采用两级5m直径芯级，捆绑4个3.35m直径助推器，全箭总长约56.97m，起飞质量约879t，起飞推力约1078t，使我国运载火箭的规模实现从中型到大型的跨越，LEO、GTO运载能力分别达到25吨级、14吨级，达到或超过国外主流大型火箭，火箭总体和分系统技术达到国际先进水平，可靠性、适应性、安全性大幅提高。

为了实现各项性能指标的国际先进性，长征-5火箭全面突破以12项重大关键技术为代表的247项关键技术。这12项关键技术包括：总体优化设计及环境预示技术；5m大直径箭体结构设计、制造与试验技术；采用循环预冷技术的低温增压输送系统及新型阀门技术；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；大型低温火箭的跷振（POGO）抑制技术；120吨级高压补燃液氧/煤油发动机技术；50吨级大推力液氢/液氧发动机技术；9吨级推力液氢/液氧发动机技术；采用总线技术的系统级冗余控制技术；采用高压煤油和氢气为能源的高可靠伺服机构技术；10Mbit/s高码速率遥测数据传输与数据综合技术；大型活动发射平台设计、试验技术。

这些关键技术均是我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。在研制中，火箭人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，核心技术具有完全的自主知识产权，不但确保了火箭运载能力目标和其他设计指标的实现，使我国运载火箭的技术水平在现役“长征”火箭的基础上有了多项重大突破，也使中国运载火箭的整体技术水平向前迈进了一大步。

（1）系列化、组合化设计思想

新一代大型运载火箭为了兼顾多种构型，按照系列化、组合化思想进行设计，首次实现了6种构型同时开展总体设计，在我国运载火箭研制史上首次将先进的产品化思想成功应用到技术设计、基础建设、工装制备等各个方面，成功解决了6种构型同时优化与设计的难题，突破了大量新型运载火箭的核心关键技术，不但确保了长征-5火箭成功研制，还牵引出了以长征-5火箭的核心技术为基础的我国新一代中型、小型运载火箭的若干构型，目前这些构型火箭已经研制成功，同时为我国未来重型火箭奠定了坚实的技术基础。

（2）采用大直径薄壳箭体结构

全箭大量采用精细化的结构设计思想，运载能力系数大大提高。长征-5火箭首次采用5m直径大型箭体结构，设计、制造、试验难度大，是实现运载能力重大跨越的基础。通过研制攻关，成功生产了我国最大的5m直径贮箱高精度全自动大型焊接设备，实现了搅拌磨擦焊技术在火箭贮箱生产中首次应用，制造出难度极大的直径5m、长21m的大型液氢贮箱，是我国目前最大的运载火箭结构件。5m直径贮箱采用工艺性好的三心球形底，取消了锁底焊结构，工艺性、可制造性大大提高。采用液氮进行低温贮箱的地面内压试验，改进贮箱液压试验技术，大幅减轻结构质量。采用助推器斜头锥薄壳结构，解决了400t偏置大集中力载荷扩散以及局部大弯矩载荷下捆绑点变形控制等难题，突破前捆绑传力的结构设计技术，使我国掌握了捆绑火箭有效提高运载能力的技术手段，达到国际先进水平。

（3）采用液氢/液氧、液氧/煤油两种动力组合

动力系统优化组合是提高运载能力的重要手段。在新一代大型运载火箭论证阶段，从1000多种方案中筛选出几种比较可行的方案：助推器采用液氧/煤油+芯级采用液氢/液氧、助推器采用四氧化二氮/偏二甲肼+芯级采用液氢/液氧、全氢氧、全液氧/煤油。助推器工作时间相对较短，适宜采用推力大、推进剂密度大的液氧/煤油动力系统，使发动机的密度比冲增加；芯一级、芯二级工作时间长，分别是一级半构型和二级半构型的入轨级，适宜采用高比冲的氢氧动力系统。通过综合对比分析，决定采用液氢/液氧、液氧/煤油两种动力组合方案，火箭规模最小，使用的发动机台数最少，从而可以有效提高运载能力与运载效率，是最合理的方案。

长征-5采用的3种新型主发动机均采用无毒无污染的推进技术，其中120t液氧/煤油发动机推力大、比冲高，已成为我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；50吨级液氢/液氧发动机是我国推力最大的氢氧发动机；9吨级膨胀循环的液氢/液氧发动机可以大大提高发动机的自身可靠性，为我国首创。三型新型发动机的研制，使我国运载推进技术水平大幅提高。

（1）模块化设计思想

长征-5火箭采用模块化的设计思想，通过5m、3.35m、2.25m直径的３个模块和芯二级的不同组合，构成芯级5m直径的新一代大型运载火箭系列6个构型，在新一代大型运载火箭基础上衍生出新一代中型、小型运载火箭。采用模块化的设计思想可以实现技术共用，提高可靠性，节省成本，缩短研制周期。

长征-5火箭LEO任务采用一级半构型火箭直接入轨，GTO任务采用两级半构型火箭直接入轨。与现役火箭相比，减少火箭级数，减少发动机台数，减少分离次数，提高了火箭飞行可靠性。

（2）提高系统与单机的设计可靠性

长征-5 火箭设计可靠性按照 0. 98（置信度0.7）给各系统进行分配，各系统大量采用了冗余、裕度等设计手段，提高设计可靠性。火箭的级间、整流罩和助推器分离大量采用线性分离或者大载荷分离装置，在承载裕度、起爆裕度和分离裕度等方面均取得了多项重大技术突破。

增压输送系统采用循环预冷技术及新型阀门技术，使我国运载火箭的动力输送系统的技术水平、可靠性、冗余度等均大大提高，达到国际先进水平；采用大型低温火箭的跷振抑制技术，解决了我国运载火箭首次面临的低温火箭纵向耦合问题，成功制定了新的稳定性准则，采用全新的蓄压器技术，技术水平全面提升。

控制系统采用基于总线技术的系统级冗余技术，是我国运载火箭研制史上第一次全面采用系统级冗余技术，核心控制仪器均三取二冗余，成功解决了冗余判断、故障隔离等技术，使长征－5控制系统的技术水平、可靠性处于国际先进水平。

测量系统采用10Mbit/s高码速率遥测数据传输与综合技术，成功解决了我国首次在沿海发射场无法实现传统磁记录器陆上回收后大容量数据的无线传输问题，采用遥测高码速率传输、箭上可视图像传输、天基测控与地基测控融合等技术，使我国运载火箭遥测技术水平大幅提升，处于国际先进水平。

伺服系统采用高压煤油和氢气为动力的高可靠伺服技术，功率大、质量轻、可靠性高，达到国内领先、国际先进水平。

（3）加强可靠性设计管理

在研制初期，型号队伍进行了我国运载火箭研制史上首次全寿命、全要素的研制策划工作，对型号研制的技术、经济、进度、风险管控、保障条件等全要素进行全面的综合分析和评价，形成完整的研制策划，为新型运载火箭研制这类复杂系统工程的管理开创了新的工作模式。

完成了全箭故障模式及影响分析（FMEA）、单点失效分析、飞行事件链分析和可靠性预示、可靠性定量评估等工作，从设计源头抓好可靠性工作，形成并完善了一系列可靠性设计与管理、项目组织与管理的新方法、新标准。火箭研制过程中开展了多轮风险识别、分析与控制工作，充分辨识出了火箭研制中的风险项目，并通过地面试验进行消除和控制。

首次在型号研制中全面推进先进的数字化设计手段，引进三维数字化设计工具，构建了我国运载火箭研制历史上第一个全三维数字火箭，开创了火箭型号数字化研制的先河。实现了数字化模装替代实物模装，完成了型号数字化设计、数字化分析、数字化试验的三大数字化工作，大大缩短了研制周期、节约了研制经费。

3、结束语

航 天运载工具是一个国家进入空间的主要手段，是和平利用空间及军事争夺占领空间的基本条件和前题。目前长征-5火箭已经在海南发射场完成火箭垂直总装和测试，火箭状态正常，预计于2016年11月择机发射。

“中国火箭的运载能力有多大，中国航天的舞台就有多大”，长征-5火箭将担负起历史的使命，运载能力比现役火箭提高2倍多，实现我国火箭运载能力的大幅度跨越，综合性能处于国际先进水平，为我国后续开展载人空间站、探月工程三期、火星探测、二代导航等国家重大航天工程任务提供高可靠、低成本、无毒无污染、适应性强、安全性好、运载能力大的先进运载工具。

(来源：中国运载火箭技术研究院 李东 王珏 李国爱 牟宇 李平岐。原文载于国际太空微信公号，已获授权转载）