[科普中国]-长征五号火箭技术参数解读：可同时将16辆小轿车送入太空

“长五、长六和长七，后面来了个长十一。要说哪个最威武？还要看我们长五。”这是中国航天科技集团长征五号火箭研制团队的一句口头禅。自1970年长征一号首飞以来，长征系列火箭已经出色地完成了200余次发射任务。在2016年11月即将迎来首飞任务的长征五号，为什么能成为功勋卓著的长征家族中最“威武”的一员呢？我们一起认识一下这个“高大上”的帅小伙吧！长征五号之“高”长征五号之“高”，首先体现在其腰围之“高”。我国现役火箭之前都是通过铁路运输，受铁路隧道大小的限制，腰围（芯级直径）最大为3.35米。而长征五号的研制、产业化基地选在了靠海比较近的天津市滨海新区，发射基地则选在了海南文昌，可以通过海路进行运输，所以长征五号直径可以达到了5米。长征五号之“高”，也体现在其身材之“高”。长征五号的个头在长征家族中也是最高的，有20层楼那么高，绝对算得上家族里的“大高个”。长征五号之“高”，还体现在其吨位之“高”。它不仅是个“大高个”，还是个“大胖墩”，有近869吨重，比家族中第二重的长征七号还要重200多吨。长征五号不仅“高”，而且“冷”。不同于目前使用化学燃料的常规火箭，长征五号采用液氢液氧作为推进剂，其燃烧产物是水，对环境不会造成污染。在长征五号800度吨重的身体里，90%是零下252℃的液氢和零下183℃的液氧，这已经接近低温的极限，长征五号“冰箭”一名也正是来源于此。长征五号的“高”，更体现在其技术含量“高”之上。我们知道，火箭每减少3公斤的自重，就能增加1公斤的运载能力。为了给这个“大胖墩”减肥，长征五号的燃料箱采用2219铝合金材料，这是美国土星五号火箭到航天飞机，苏联能源火箭和欧盟日本新一代运载火箭广泛使用的材料。长征五号燃料箱的内壁最薄的地方只有3毫米。如果等比例缩放我们生活中常见的鸡蛋的话，这个鸡蛋壳的内壁厚度只有正常鸡蛋壳的十万分之四。同时，“消漩防塌装置”的运用，使得长征五号推进剂剩余量减少了50%。箭体加工上使用了先进的搅拌摩擦焊技术。这项技术发明于1991年，1998年才在美国的运载火箭上首次使用。日本则是在2009年发射的H-IIB火箭才首次使用该技术。搅拌摩擦焊和轻质铝合金的同时使用大大减轻了结构质量，提高了长征五号的运载能力。长征五号还可以实现一箭多星的发射。这个“大胖墩”一次可以发射更多更重的、功能更全的卫星，将在完成相同发射任务的情况下，使每次的发射费用降低20%-30%。此外长征五号火箭还是用了电气一体化设计与冗余，光纤通道火箭控制系统总线等先进技术，这些点点滴滴的进步奠定了新一代运载火箭高水平的基础。长征五号之“大”长征五号之“大”主要体现在其推力大！长征五号具有25吨的运载能力，可以同时将16辆小轿车送入太空，其运载能力是家族其他成员运载能力的两倍以上。我国未来航天工程计划中20吨左右的长期有人照料的空间站、大型空间望远镜、返回式月球探测器、深空探测器、超重型应用卫星等发射任务，对长征五号来说都不在话下。长征五号巨大的推进力来源于其底部动力强大的两款发动机——YF-77和YF-100。我国新一代运载火箭的特点可以用“一个重点、两种动力系统、三个模块”来概括，即以发展5m箭体直径的大型运载火箭基本型为重点，采用50吨级推力氢氧发动机和120吨级推力液氧煤油发动机两种新型动力运输系统，以5m、3.35m和2.25m三种直径火箭为三个基本模块，通过模块化的不同组合，形成不同数量的新一代运载火箭系列，满足各种发射任务的需求。其中，50吨级推力氢氧发动机和120吨级推力液氧煤油发动机两种新型动力运输系统都在长征五号上得到了体现。YF系列火箭发动机是中国为长征系列运载火箭研发的火箭液态发动机系列，YF取自液态和发动机第一字的首字母。YF-77火箭发动机是中国航天推进技术院（中国航天科技集团公司第六研究院）为新一代大运载火箭长征五号芯一级研制的燃气发生器循环大推力氢氧发动机。采用双涡轮分别驱动液氢泵和液氧泵工作方式，具有混合比和推力调节功能，以提高火箭运载能力。发动机于2001年立项研制，历经十年艰苦攻关，发动机关键技术全部突破。YF-77作为氢氧发动机，和其他常规发动机相比有以下特点：1.高能，单位质量的液氧液氢反应放出的能量高于一般火箭推进剂；2.零污染，氢氧燃烧产生的唯一物质是水，和推进剂一样都不是有毒有害物质；3.推进剂超低温，液氢的沸点为-252℃，这样的低温给发动机工作带来挑战；4.大推力，是中国推力最大的氢氧火箭发动机。YF-100火箭发动机，也是由中国航天推进技术研究院研制，是具有自主知识产权的中国第一代120吨级高压补燃（又称分级燃烧循环）液氧煤油火箭发动机。YF-100火箭发动机可以产生高达500个大气压的压强，相当于把上海黄浦江的水抽到5000多米高的青藏高原。YF-100火箭发动机采用自身启动，混合比和推力可调节，单涡轮泵布置，其性能达到了国际液氧煤油发动机的先进水平，是中国上世纪90年代中期研发的85吨推力发动机的挖潜型，其前身是90年代中国从前苏联获得的RD-120发动机。2000年YF-100通过中国国家立项，于2012年5月28日通过中华人民共和国国家国防科技工业局验收。YF-100液氧煤油发动机具备诸多优点：1.没有污染，液氧和煤油都是环保燃料，而且易于存贮和运输；2.经济，推进剂比常规发动机的便宜60%；3.可靠性高；4.推力大，研制成功即成为中国推力最大的液体推进剂发动机；5.采用了世界上最先进的高压补燃循环系统；6.性能高，在最高压力、涡轮功率、推进剂流量等设计参数上，比中国现役主力发动机高出数倍；7.可重复使用，在台架试验阶段可以进行多次试车，而且试车后仍可用于发射，不必每次测试都报废一台昂贵的发动机。长征五号之“上”长征五号之“上”体现在其综合性能的优异之上。长征五号的综合性能已经可以比肩欧美同类型火箭。在火箭综合指标上说，长征五号的近地轨道（Low Earth Orbit,LEO）轨道运载能力不仅超过了欧洲空间局阿里安5和日本H-IIA/B，也超过美国的阿特拉斯V火箭和俄罗斯的安加拉火箭，尤其是由于文昌发射场纬度较低外加高性能氢氧发动机的优势，在地球同步轨道（Geostationary Transfer orbit, GTO）轨道运载能力上以14吨对7.5吨的优势远远超过安加拉火箭。反观印度研制全新的GSLV MKIII火箭，其LEO运载能力只有10吨，GTO运载能力不到4.5吨。可见，长征五号优异的综合性能使得长征家族在世界火箭家族中的地位得到了进一步的提高。火箭的运载能力有多大，航天的舞台就有多大。运载火箭技术水平不仅代表一个国家自主进入空间的能力，也体现着其最终利用空间和发展空间技术的能力和水平，是一个国家航天能力的基础。长征五号的发射，将大幅提升我国探索深度空间的能力，标志着我国的航天事业进入崭新的阶段。作者：宋杰，清华大学航空航天学院博士、《环球科学》杂志特邀科学撰稿人。转载请注明来自“科普中国”。