“巨箭”長五B 向空間站進發
——大型運載火箭長征五號B 技術特點解析

文/ 高一鳴

5 月5 日，由中國航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術研究院（以下簡稱“一院”）抓總研制的大型運載火箭長征五號B 在中國文昌航天發射場成功首飛，把重約22 噸重的新一代載人飛船試驗船送入太空。

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運載能力在世界現役火箭第一梯隊中的地位。

那么，長五B 與長征五號運載火箭有哪些不同？它是如何將這么重的飛船送上天的呢？

高一鳴 攝

同一系列，不同使命“長五”主打高軌衛星、探測器“長五B”主打近地載人空間站

從外觀上看，長五B 火箭“身高”近54 米，相當于18 層樓高，近850噸重。與長五火箭相比，長五B 火箭芯級直徑也是5 米，但“身高”矮了約3 米，“體重”輕了約20 噸。這主要是因為長五B 火箭少了一個芯二級和一個級間段，只有一個芯級，也就是“腰”往上少了一部分。

長五B 火箭也有4 個直徑3.35 米的助推器（又稱為“半級”），是我國首型“一級半”火箭。

不過，長五B 火箭“頭部”——整流罩比長五火箭更大，高度超過20米，能夠把10 多米長、4 米多粗的空間站核心艙裝進去。

多一級的長五火箭擅于跑長途，“乘客”包括運行在3.6 萬公里的地球同步軌道大型衛星、往返38 萬公里外月球取回月壤的嫦娥五號探測器，以及飛行數千萬公里乃至更遠的火星探測器“天問一號”。

即便少了一級，長五B 火箭在專門向近地軌道送貨的長征火箭中，力氣仍然是最大的，一次能送超過22噸的東西，相當于10 多輛小轎車的重量。它專注于地球附近約200 至400 公里的軌道，這里是我國空間站建設的主戰場。

在我國載人航天工程空間站建設階段的任務中，近地軌道運載能力超過8 噸的長征二號F 運載火箭負責發射神舟系列飛船；運載能力14 噸級的長征七號運載火箭負責發射天舟貨運飛船；而運載能力25 噸級的長五B 火箭則負責把空間站核心艙等主要艙段“搬”到天上。

長二F、長七、長五B 三型火箭共同構成我國載人航天工程的“天地運輸走廊”，而長五B 火箭的力量，決定了我國“天地運輸走廊”有多“寬”。

“送上天”很重要，“請下車”也很關鍵。長五B 火箭與空間站艙段的連接接口直徑超過4 米，研制隊伍必須突破大直徑艙箭分離技術。他們通過綜合比較和試驗，選取最優方案，盡可能降低分離時的沖擊，讓重磅航天器安全、舒適地“下車”。

同一心臟，不同工況長五B 芯級氫氧發動機工作條件更嚴酷，要求更高

長五B 火箭只用“一級半”就能把重磅航天器送上天，得益于采用氫氧推進劑的芯一級和采用液氧煤油推進劑的助推器的合理搭配。而芯一級的兩臺大推力氫氧發動機，從地面點火一直工作到把航天器送入軌道，要“打全場”，責任重大。

氫氧發動機的比沖（用于衡量發動機性能，可以理解為汽車的“百公里油耗”）傲視群雄，但其研制難度也極高。長五B火箭所承擔任務的特殊性，對芯一級的大推力氫氧發動機提出了更高的要求。

載人空間站工程的交會對接等任務，好比在數百公里高的太空“穿針引線”，時間不能有絲毫誤差，否則可能失之交臂，導致耗費更大的代價調整軌道。這要求運載火箭必須嚴格按照精準的時間發射，達到分秒不差，也就是所謂的“零窗口”發射。

對氫氧發動機來說，要實現“零窗口”發射，必須確保發射前各項工作環環相扣、步步流暢，一點時間都不能耽誤。如發射前要預先把發動機的溫度降得很低，即“預冷”，以防止零下250 多攝氏度的液氫和零下180 多攝氏度的液氧推進劑進入發動機后發生意外。在長五火箭首飛時，就曾因為發動機預冷不順利而推遲發射時間。

同時，長五B 火箭比“長五”更輕，但起飛推力與“長五”相同。用同樣的勁向上提更輕的東西，加速度自然更快。而在助推器分離后，火箭加速度又瞬間達到最低。

“就像深海魚突然跳到喜馬拉雅山上，巨大的壓力變化會使魚瞬間爆裂”，航天科技集團所屬航天推進技術研究院長五火箭副總設計師王維彬說，發動機的入口面對過山車一樣大起大落的壓力，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通過大量的研究改進與試驗驗證，將這些難點逐一攻克，進一步提高了發動機工作的可靠性與穩定性，確保發動機發射前不會“發燒”、按時完成預冷等工作，飛行時扛住巨大壓力，平穩運行。

▲ 科研人員在緊張地工作 史嘯攝

“在地面設備方面，我們通過采用遠程調節的方式，保證了發動機預冷等發射前環節的安全、順利推進。”一院長五火箭副總設計師賀建華介紹。

同一大腦，不同思路優化彈道設計與控制方案“氫龍偃月刀”也能做“微雕”

除了“零窗口”和過山車一樣的壓力，一級大推力精準入軌也是一個巨大的挑戰。以往末級火箭的推力都很小，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。

而這次，兩臺大推力氫氧發動機直接送載荷入軌，就像用大刀做“微雕”，力道極難掌握。

此外，大推力氫氧發動機關機后，還有“后效”，類似燃氣灶閉火后的“余火”，這同樣會對航天器入軌精度造成影響。

為了解決大推力精準入軌的問題，一方面，發動機研制隊伍要確保發動機燃燒穩定，并盡可能給出“后效”的預測值，更重要的則是控制系統必須把所有可能的誤差考慮進去。

據長五火箭副總設計師李學鋒介紹，早在長五系列火箭研制之初，控制系統研制隊伍就已統籌考慮長五和長五B 火箭的任務特點。長五和長五B 火箭控制系統的硬件是通用的，已實現產品化；軟件也無需大改，就能適應長五B 火箭飛行任務。

李學鋒說，針對發動機“后效”等不確定因素，他們用數學仿真“打靶”的方法模擬出上萬種情況，以驗證制導控制率設計的正確性。試驗證明，即便預測的“后效”與實際情況有出入，控制系統也能確保火箭精確入軌。

而在火箭總體彈道設計上，除了考慮火箭動力系統的偏差，還要考慮結構、控制等方面的偏差，以完善彈道設計，即便多種偏差“組團”出現，也能保證高精度入軌。

▲ 長五B 火箭發動機 宿東攝

同一模塊，不同重量芯級、助推巧妙減重進一步提升運載能力

對于多級火箭，芯一級、助推器減重對提高運載能力的影響并不明顯。而對于“一級半”入軌的長五B 火箭來說，芯一級減重多少，運載能力幾乎就可以提高多少；助推器減重與運載能力提高的比例也高達1.25:1。因此，減重對于長五B 火箭的收益是相當可觀的。

位于火箭箭體底部的尾段是火箭的發動機艙，對豎立在發射臺上的火箭還起到一定的支撐作用。這次任務中，一院703 所把大直徑大厚度碳纖維復合材料“三加二”蜂窩夾層結構整體成型技術，用在了一級尾段的壁板和防熱板結構成型中，通過采用輕質化碳纖維復合材料結合鋁蜂窩夾層結構方案替代原方案，實現減重約400 千克。

助推器的減重也很有特色。從外觀上看，長五系列火箭助推器與以往長征火箭的區別：一個是大，塊頭與長征二、三、四號系列火箭的芯一級相當；另一個就是采用了斜頭錐。“長五系列火箭采用‘前捆綁點主傳力’構型，助推器提供了近千噸起飛推力，因此，每個助推器斜頭錐與芯級捆綁連接的地方要承受數百噸壓力。”航天科技集團所屬上海航天技術研究院長五系列火箭項目辦主任張修科介紹，“長五”的4 個助推器就像是4位壯漢，分別用單側“肩膀”（即捆綁點及周邊）扛著芯級，這就要求“肩膀”的結構必須扛得住勁，難免重一些。

在長五B 火箭的研制過程中，研制隊伍創新采用杠桿等原理，在助推器頭錐內部、捆綁連接點處延伸出一根“扁擔”，橫穿頭錐，變“單肩”扛為“雙肩”挑，分散了受力，同時使用先進的結構設計方法和制造手段，全面優化頭錐結構。助推器頭錐、氣瓶等的改進，實現了減重700 千克。

同一試驗，不同對象統籌開展地面試驗確保飛天萬無一失

無論是火箭減重還是增加更大的整流罩，都需要通過嚴格的地面試驗來驗證是否可靠。

據長五火箭副總設計師朱曦全介紹，在長五系列火箭研制過程中，會統籌安排長五和長五B 火箭的地面試驗，重點對兩者的不同之處進行試驗。比如，長五B 火箭少了二級，全箭模態發生了變化，必須重新做全箭模態試驗。模態試驗的主要目的是獲得產品動特性，即產品運動起來的共振特性。

▲ 長五B 火箭在塔架上 高一鳴攝

許多人聽過一個故事：一隊士兵齊步走過大橋，步伐的頻率和大橋的共振頻率重合，振動幅度累加，導致大橋垮塌。火箭同樣怕共振：一是可能干擾火箭的“眼睛”——速率陀螺正常工作，二是容易振壞局部結構。

一院天津新一代運載火箭產業化基地有亞洲最大、世界第二的全封閉式全箭模態試驗振動塔，足以把長五/長五B 火箭懸掛其中開展全箭模態試驗。

一院702 所長五B 火箭全箭模態試驗團隊以最短的時間，在“亞洲第一塔”使用模態試驗箭完成了主要的全箭模態試驗工作。此外，試驗團隊還要在發射場完成火箭“坐”在發射平臺上的模態試驗。

以往新火箭的發射場全箭模態試驗都用合練箭，而“長五B”任務比較特殊，直接用首飛箭合練、試驗，這就要求試驗隊員在操作時確保火箭的絕對安全。

朱曦全介紹，除了全箭模態試驗，他們還對長五B 火箭進行了超大整流罩分離試驗、儀器艙聲振聯合試驗等。這些試驗都以高效率完成，保障了整體研制工作順利推進。

“能開展這么大規模的地面試驗，既是火箭飛天萬無一失的保證，也是國家整體工業實力的體現。”朱曦全說，“背靠國家龐大的工業體系，我們研制出了大推力振動臺等具有國際先進水平的試驗裝備，而長五系列新一代大型低溫運載火箭的研制體現了我國在尖端技術領域設計、制造、驗證、系統集成和管理的體系性創新能力，工程牽引帶動了裝備、材料、工藝等方面的突破，又將助力工業體系升級，造福國計民生，這同樣是“長五”作為‘國之重器’的意義所在。”