位於發射臺上的長征五號B運載火箭中國航天科技集團一院供圖
2020年5月5日，由中國航天科技集團一院抓總研製的長征五號B運載火箭在中國文昌航天發射場成功首飛，把近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運載火箭在世界現役火箭運載能力第一梯隊中的地位。
長征五號B運載火箭以長征五號運載火箭為基礎改進研製而成，主要承擔著我國空間站艙段等重大航天發射任務。或許有讀者會問，這哥倆有何不同，長征五號B運載火箭是怎樣將這麼重的飛船送上天的？中國航天科技集團相關人士給出了答案。
“長五”哥倆使命不同
從外觀上看，長征五號B運載火箭“身高”近54米，相當於18層樓高，芯級直徑5米，近850噸重。與長征五號運載火箭相比，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運載火箭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”火箭。
不過長征五號B運載火箭的整流罩比長征五號運載火箭大多了，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。長征五號運載火箭擅於跑長途，運送目的地包括大約3萬6千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5千萬公里的火星。長征五號B運載火箭則專注於高度200至400公里的近地軌道，這是我國空間站建設的主戰場，後續空間站核心艙等主要艙段都要由長征五號B運載火箭送上天。
長征五號B運載火箭能憑藉一級半構型把重磅航天器送入太空，得益於採用了氫氧發動機的芯一級，能夠與使用液氧煤油發動機的助推器合理搭配。其中芯一級的兩臺大推力氫氧發動機，憑藉傲視群雄的比衝（用於衡量發動機性能，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。
由於長征五號B運載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運載火箭所用的氫氧發動機，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運載火箭的加速度比長征五號運載火箭更快，但在助推器分離後，火箭加速度又會瞬間達到最低。中國航天科技集團六院長征五號運載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。氫氧發動機研製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的工作可靠性和穩定性。
運送載荷入軌如同用大刀刻“微雕”
採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運載火箭，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後，還會產生“後效”，就如同燃氣灶關閉後的“餘火”，也會對入軌精度造成影響。這需要確保發動機燃燒穩定，並在發動機研製時就儘可能算出“後效”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。
中國航天科技集團一院長征五號運載火箭副總設計師李學鋒介紹，針對發動機“後效”等不確定因素，研製團隊用隨機“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“後效”與實際情況有所出入，控制系統也能確保火箭精確入軌。
而控制系統研製隊伍早在長征五號系列火箭研製之初，就統籌考慮了長征五號運載火箭和長征五號B運載火箭的任務特點。控制系統的硬件可以通用，已實現產品化；軟件也無需大改，就能適應兩者不同的飛行任務。
在火箭總體彈道設計上，科技人員也充分考慮了發動機“後效”的影響，基於發動機校準試車的實際數據進行計算，進一步優化了設計方案。
多項瘦身舉措收益可觀
對於多級火箭來說，芯一級、助推器減重，對提高運載能力的影響並不明顯。而對於一級半入軌的長征五號B運載火箭來說，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。減重收益相當可觀。
長征五號B運載火箭的芯一級尾段位於箭體最後，不僅是發動機艙，當火箭豎立在發射臺上時還能起到支撐作用。此前長征五號運載火箭的尾段，採用的是組合梁結合分瓣玻璃鋼底板的結構方案。而在長征五號B運載火箭研製中，中國航天科技集團一院703所把大直徑大厚度碳纖維複合材料“3+2”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，實現減重約400公斤。
該火箭助推器的減重也頗具特色。據中國航天科技集團八院長五系列項目辦主任張修科介紹，長征五號運載火箭的助推器如同4位壯漢，分別用“單肩”扛著芯級，這對“肩膀”的結構提出了很高要求。而在長征五號B運載火箭身上，研製團隊創新運用槓桿原理等，在捆綁點、助推器頭錐中裝上了4根“扁擔”，變“單肩扛”為“雙肩挑”，分散了受力。同時輔以先進的結構計算方式，綜合改進頭錐的結構，減重效果明顯。助推器頭錐、氣瓶等方面的改進，共減重了約600公斤。
記者瞭解到，長征五號B運載火箭上採取的許多減重措施，未來也將應用在長征五號運載火箭上。（付毅飛）
來源： 科技日報
