http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2016-11-07
我国最大推力运载火箭长征五号于11月3日20时43分在海南文昌发射场点火发射升空，约30分钟后，载荷组合体与火箭成功分离，进入预定轨道，长征五号运载火箭首次发射任务取得圆满成功。
长征五号是新一代大型两级低温液体捆绑式运载火箭，是我国目前研制规模和技术跨度最大的航天运输系统工程，完全采用无毒无污染推进剂，因其内部温度极低，又被形象称为“冰箭”。
①“力拔山兮气盖世”
“冰箭”于9月上旬运抵发射场后，陆续完成了总装、测试等各项准备工作。10月28日，承载着“冰箭”的活动发射平台驶出发射场垂直测试厂房。从技术区转运至发射区的2.8公里路程，火箭需要乘坐活动发射平台来完成。“冰箭”身高大约57米，相当于20层楼高，净重近百吨，因此需要为它量身打造“专车”，有半个足球场大。一路上，活动发射平台不仅要载着它行走，还要为它供气、供电，以保持箭地连接不变，减少发射区的工作，缩短发射流程。
同时，“冰箭”采用新型发射塔，架高91.7米，一共12层，距离海边850米。整个塔架采用的是钢框架与钢筋混凝土的混合结构，它的强度足以抵挡台风和地震。在塔架的四周是四座高120米的避雷塔，可以防止雷电的影响。它是我国目前距离海边最近的一座火箭发射塔架，长期处于高温、高湿、高盐的环境中，空气当中大量的氯离子会对钢结构建筑产生严重的腐蚀，为此，塔架外表采用了热喷涂的防腐涂层，相当于给塔架穿上了一件防腐蚀的外衣。文昌航天发射场工程建设指挥部工程师周湘虎说：“我们也采取了其它一些措施，包括用盲板把它封堵，不让空气进入这些管壁的内部，从内部进行腐蚀，还有连接的部位采用原子灰进行密封。”
11月3日20时43分，长征五号运载火箭在新型发射塔上从美丽的海南岛飞向浩渺的太空，后与荷载组合体分离，任务圆满成功。
②“一片冰心在玉壶”
“冰箭”腰身粗，个头大，身高大约57米，相当于20层楼高，净重也有近百吨，芯级直径达5米，助推器直径达3.35米，这是目前我国研制火箭中直径最大的。虽然在名称、序列上仍隶属“长征”系列，但“冰箭”采用247项核心关键新技术，新技术比例几乎达到100％。
“冰箭”的设计思想以通用化、系列化、组合化为重点，首次实现了6种构型同时开展总体设计，成功解决了6种构型同时优化与设计的难题；首次采用了5米直径大型箭体结构，这不仅仅是结构外形尺寸的简单放大，而且是对结构形式、试验验证体系等的彻底革新；可搭载两种专门为其设计的火箭发动机，分别为推力为120吨的YF-100液氧煤油高压补燃循环发动机和推力为50吨的YF-77氢氧发动机。
“冰箭”在燃料上不同于目前使用化学燃料的常规火箭，采用无毒、无污染的液氢液氧作为推进剂。在其身体里，90%是-252 摄氏度的液氢和-183 摄氏度的液氧，这已经接近低温的极限，“冰箭”一名正源于此。它的动力系统由芯一级、芯二级和4个助推器共同组成，4个助推器搭载8台全新研制的120吨液氧煤油发动机，它们被装配在4个助推器上，可产生最高压强达500个大气压。
身材霸气的“冰箭”脑袋尖尖的，4个助推器也都是“斜头锥”，“依偎”在芯一级的身旁。这样的设计不仅是为了提升“冰箭”的帅气程度，还能够减小空气阻力，让“冰箭”飞起来更省力，从而提升运载能力。
此外，“冰箭”还采用了全新的全数字化三维设计方法，细到每一个螺钉的大小和位置都能一目了然。
③“而今迈步从头越”
文昌发射场承担了此次“冰箭”的发射任务。据发射场发测站站长唐功建介绍，此次“冰箭”发射的任务主要是检验“冰箭”设计的正确性、飞行的可靠性以及发射场和火箭之间的匹配性。
从2006年正式立项至今，“冰箭”十年铸，核心技术有完全自主知识产权，起飞质量约869吨，具备近地轨道25吨、地球同步转移轨道14吨的运载能力，比现役火箭运载能力提升了两倍以上，与国际上主流运载火箭相当，可以完成近地轨道卫星、地球同步转移轨道卫星、太阳同步轨道卫星、空间站和月球探测器等各类航天器的发射任务，是我国迄今为止运载能力最大的火箭。
“冰箭”虽然采用全新技术，研制复杂程度超过以往任何一个型号的长征系列火箭，但它的设计可靠性却是最高的。我国现役火箭设计可靠性最高的是0.97，而长征五号设计可靠性达到了0.98。
2017年左右，“冰箭”将承担嫦娥探月工程“绕、落、回”三步走当中最后一步“回”的发射任务，同时它将在中国空间站的建设过程中扮演重要角色，2018年将会开始陆续发射3个20吨级的空间站舱段。
中国载人航天工程总设计师周建平介绍说，未来空间站会单独发射一个十几吨的光学舱，并计划在光学舱里架设一套口径两米的巡天望远镜，分辨率与哈勃相当，视场角是哈勃的300多倍。届时，“冰箭”将光荣地担负起“巡天号”太空望远镜的发射任务。另外，2020年还将发射我国首个火星探测器。
④ 鵬程万里展宏图
“冰箭”是一个新设计、新材料、新结构的火箭，可用于发射不同地球轨道大型载荷及其它深空探测任务载荷，也为我国未来载人登月用的重型火箭研制奠定了基础。
通过“冰箭”研制，我国不仅掌握了5米直径结构的设计、制造能力，还突破了千吨级静力试验技术等，同时大型结构制造也带动了材料、机械加工、热处理、焊接、检测等装备制造业的大发展。
“冰箭”实现了我国火箭运载能力大跨越，为后续国家重大航天工程任务提供了高可靠、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。
同时，“冰箭”带动了整个中国新一代运载火箭技术的发展，长征七号、长征六号都是从“冰箭”的核心技术衍生出来的。通过“冰箭”的研制，我国运载火箭的基础水平能力得到了提升。
另外，应对商业航天发射的又一款新型运载火箭长征八号已经启动论证，长征家族再添新成员，未来运载能力超过100吨的重型火箭也已经进入到技术攻关阶段。
据中国载人航天工程副总指挥雷凡培介绍，预计到2019年能够完成这个阶段技术攻关的任务，初步论证的结果是近地轨道的运载能力，可以达到100吨到130吨左右，实现到更远的星球上进行巡视勘探，把人送到月球进行科学研究。
[人民网-人民日报海外版]
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推举长征五号的“绿巨人” 八台液氧煤油发动机
长征五号起飞瞬间
11月3日,我国目前运载能力最大的火箭长征五号一飞冲天。托举它的8台120吨级高压补燃循环液氧煤油发动机,承载了火箭起飞质量的90%,居功至伟。
这型绿色环保又力大无穷的发动机,如同我国新一代宇航动力中的“绿巨人”。在它横空出世的背后,既有中国航天科技集团六院科研人员20多年来的风雨兼程、不弃不离,更衍生出火箭发动机研究、设计、生产、制造和试验手段的巨大变迁,让我国航天动力设计研制迈入全新时代。
设计:从手绘图纸到三维仿真
1992年,六院开始了对液氧煤油发动机的初步探索。那时电脑和互联网还没有普及,遇到技术难题,设计人员只能去图书馆和高校查阅和抄写资料。设计人员回忆,由于液氧煤油发动机的研制难度大、相关资料稀缺,从北京带回的技术资料,比土特产更让人牵肠挂肚。
当时,每个研究室只有一台电脑,大家只能使用丁字尺、三角板等一步一步在图纸上勾勒。用上简易的计算机绘图后,科研人员乐坏了,第一幅涡轮泵设计思路经计算机拟合CAD成图后,大家怎么也看不够,干脆把图挂在了办公室墙壁上,几乎每个人都细细抚摸过。
2010年,该院建立了数字化设计平台,发动机设计从小编程和一维成图,演变为二维设计、三维成形和三维仿真。借助三维成形技术,科研人员从电脑上就能看到零部件之间是否存在空间和位置冲突,不用步入实物产品阶段,就能及时更新设计方案;通过三维仿真,可真实模拟发动机运行状态,实现性能和关键参数的摸索,大大减少了试验次数和生产成本,缩短了交付周期。
理念:呼唤产品制造新技术
好的理念需要通过生产制造出发动机实物产品来实现。六院7103厂作为我国唯一的火箭发动机生产制造厂,挑起了打造“绿巨人”的重担。
推力室是液体火箭发动机的重要组件,其内壁是其结构最复杂、加工难度最大的零件,也是发动机上最大的“细活”。在直径近2米、厚度仅数毫米的大型薄壁件上,分布着数百条筋宽和槽底剩余壁厚都仅有1毫米的槽。槽的深度、宽度与内部流过的燃料换热息息相关,筋宽决定着推力室的承压能力。直至上世纪80年代末,铣槽技术及设备在全国还是一片空白。
科研人员从零起步,开展了长期艰苦摸索,不断引进新的生产设备,创新加工制造手段,逐步迈向了智能制造。近年来,7103厂引进3D打印技术,开展了钛合金、高温合金、高强不锈钢等难加工材料的制粉、激光烧结、产品表面后处理等核心工艺技术研究,自主掌握整套SLM(激光选区熔化)成型工艺,大大加快了发动机研制速度。
技术:从单机、双机到四机并联的跨越
点火试验是火箭发动机研制过程中必不可少的关键环节。
液氧煤油闭式循环高压补燃发动机技术,代表了当今世界航天发动机的发展方向。发动机系统结构设计、涡轮泵动密封技术、高强度材料、启动技术等关键技术众多,研制难度很大。
从1999年7月到2002年底,六院先后组织了10多次试车,其中包括半系统试车和整机试车,多次遭遇失败。尤其是2001年连续4次发动机试车,两次起动爆炸,两次燃气系统烧毁,让研制团队备受打击。2003年初,研制工作走出了阴霾,同年6月,液氧煤油发动机成功完成了整机100秒试车。
从最初的单机整机试车,到120吨双机并联试车、再到18吨四机并联试车,六院在发动机试验技术上不断突破:其自主研发的故障诊断关机系统可对发动机4个关键参数实时监控,一旦发动机连续3次出现同类问题,该系统可在30毫秒内实现紧急关机;低温液氧流量测量技术可消除低温介质对液氧管路系统的影响,实现真实介质环境下涡轮流量的现场原位校准……
随着试验任务加重,科研人员将原来的单次试车时间从10到12天,缩短为6到7天。并逐步实现了发动机试验状态和工装设计等关键参数的仿真模拟。
记者了解到,仅针对120吨液氧煤油发动机的研制,六院突破了设计、生产、试验等领域近80余项关键技术,带动了我国50余种新材料研制,促进了相关基础技术的发展,建立了较为完备的高压补燃循环发动机研发体系,掌握了高压补燃循环发动机核心和关键技术,为今后液氧煤油发动机的系列化发展奠定了坚实的基础。
(科技日报文昌11月3日电)
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