揭秘“長五B”的黑科技

毅飛

2020年5月5日18時00分，為我國載人空間站工程研制的長征五號B運載火箭，搭載新一代載人飛船試驗船和柔性充氣式貨物返回艙試驗艙，從中國文昌航天發射場點火升空。約488秒后，載荷組合體與火箭成功分離，進入預定軌道。

這是長征五號B火箭的首次飛行任務。任務圓滿成功，實現空間站階段飛行任務首戰告捷，拉開了我國載人航天工程“第三步”任務序幕。

長征五號B火箭由中國航天科技集團一院抓總研制，是以長征五號為基礎改進研制而成，主要用于我國空間站艙段等重大航天發射任務。記者從一院了解到，此次任務中，長征五號B火箭運送的載荷質量達到22噸，這是中國乃至亞洲火箭首次發射超過20噸的航天器，進一步奠定了長征五號系列火箭在世界現役火箭運載能力第一梯隊中的地位。

那么長征五號B火箭是怎樣將這么重的飛船送上天的？

“長五”哥倆使命不同

從外觀上看，長征五號B火箭“身高”近54米，相當于18層樓高，芯級直徑5米，近850噸重。與長征五號相比，它的“腰圍”一樣，輕20噸，個子矮了大約3米。這是因為它比長征五號少了芯二級和級間段，只有一個芯級配備4個助推器，是我國首型“一級半”箭。

不過長征五號B火箭的整流罩比長征五號大多了，長度超過20米，足以把十多米長、4米多粗的空間站核心艙裝進去。

除了外觀和構型，這哥倆還各有所長。長征五號火箭擅于跑長途，運送目的地包括大約三萬六千公里外的地球同步軌道、38萬公里外的月球，以及最近距離也有5000萬公里的火星。長征五號B則專注于高度200至400公里的近地軌道，這是我國空間站建設的主戰場，后續空間站核心艙等主要艙段都要由長五B火箭送上天。

長征五號B火箭能憑借一級半構型把重磅航天器送入太空，得益于采用氫氧發動機的芯一級，與使用液氧煤油發動機的助推器合理搭配。其中芯一級的2臺大推力氫氧發動機，憑借傲視群雄的比沖（用于衡量發動機性能，可以理解為汽車的“百公里油耗”），直接影響著航天器的最終入軌。

由于長征五號B火箭所承擔任務的特殊性，對氫氧發動機提出了極高要求。載人空間站工程的交會對接等任務，好比在太空“穿針引線”，時間有絲毫誤差，都可能讓對接雙方失之交臂，不得不耗費很大代價調整軌道。這要求運載火箭的發射時間“分秒不差”，也就是所謂的“零窗口”發射。長征五號B所用的氫氧發動機，必須確保發射前工作環環相扣、步步流暢，才能不耽誤發射窗口。

另外，長征五號B火箭的加速度比長征五號更快，但在助推器分離后，火箭加速度又會瞬間達到最低。航天科技集團六院長征五號火箭副總設計師王維彬表示，發動機入口面對大起大落的壓力，會給發動機的穩定、可靠工作帶來巨大挑戰。氫氧發動機研制隊伍開展了大量研究改進與試驗驗證，逐一攻克難點，進一步提高了發動機工作可靠性和穩定性。

點火到入軌一氣呵成

長征五號B是我國首個一級半構型火箭。

按照構型，火箭分為單級火箭和多級火箭兩類，火箭助推器通常被算作半級。

其中，多級火箭又分串聯、并聯、混合式三種聯結方式。所謂串聯，指火箭各子級像竹竿一樣串在一起，這樣空氣阻力往往比較小。并聯指多級火箭并排捆綁在一起，這在助推器中較為常見。混合式則是既有串聯、又有并聯。例如用于發射神舟飛船的長征二號F火箭、發射天舟貨運飛船的長征七號火箭，以及長征五號火箭等，都是采用助推器與一子級并聯捆綁，一子級又和二級串聯的方式，構成二級半構型。

目前我國航天任務采用較多的是多級火箭。其工作特點是，火箭點火后一級發動機開始工作，燃料用完，一級發動機關機，并和燃料儲箱一起從箭體上分離。其余各級發動機也是如此，通過這種“卸包袱”的形式，讓火箭輕裝前行，持續獲得良好的加速性能。在此基礎上，各級火箭分別承擔“起跑、加速跑、沖刺”的任務。

不過火箭級數越多，控制起來越復雜，因此一般不會超過四級。長征火箭家族中，只有長征十一號固體運載火箭達到了四級。

長征五號B火箭是在一級上捆綁了4個助推器，屬于一級半火箭。相比多級火箭的“接力”，它更加“簡單粗暴”，從點火到入軌一氣呵成，是我國現役運載火箭中唯一一款直接入軌的火箭。

這樣的構型不僅豐富和完善了我國新一代運載火箭型譜，也提升了系統可靠性。要知道，級間分離是火箭飛行中最容易出現問題的環節之一。火箭級間分離時，下級發動機關機，級間分離火工品工作使兩級分開。為避免分開的兩級發生“追尾”和“碰撞”，要用側推小火箭或反推小火箭點火，讓分離開的兩級隔出一段安全距離，上級火箭發動機再點火繼續飛行。這一系列動作十分復雜，對控制的要求極高。長征五號B火箭系統簡單，無級間分離，可靠性自然就高。

大刀刻微雕，精度怎么保證？

采用多級火箭執行發射任務時，都是用推力很小的末級火箭將衛星送到預定軌道，再輔以推力更小的姿態控制發動機，更容易在航天器入軌前對位置與姿態進行微調，從而確保精確入軌。

而只有一級半的長征五號B火箭，要用2臺大推力氫氧發動機直接運送載荷入軌，就像用大刀刻“微雕”，力道極難掌握，給精準入軌帶來了巨大挑戰。

同時，大推力氫氧發動機關機后，還會產生“后效”，就如同燃氣灶關閉后的“余火”，也會對入軌精度造成影響。這需要確保發動機燃燒穩定，并在發動機研制時就盡可能算出“后效”的預測值，控制系統也必須將所有可能產生的誤差考慮進去。

航天科技集團一院長征五號火箭副總設計師李學鋒介紹，針對發動機后效等不確定因素，研制團隊用隨機“打靶”的方法，模擬出上萬種情況，以驗證控制系統設計的可靠性。“打靶”實驗證明，即便預測的“后效”與實際情況有所出入，控制系統也能確保火箭精確入軌。