半程中国航天史 奠基长征火箭路

来源:科技日报 作者:科技日报 人气: 发布时间:2016-11-06 19:07:38
原标题:半程中国航天史 奠基长征火箭路

11月3日,我国推力最大的新一代运载火箭长征五号在中国文昌航天发射场腾空而起,势如破竹地飞向太空。

航天人常说“火箭运载能力有多大,航天的舞台就有多大”。长征五号实现了我国液体运载火箭直径由3.35米至5米的跨越,能够将我国进入空间能力提升2.5倍以上,可实现近地轨道运载能力25吨级、地球同步转移轨道运载能力14吨级。未来,包括嫦娥五号月球取样返回、载人空间站、首次火星探测等多项航天重大工程发射任务,都将由长征五号承担。

“它既是跨越式的,又是奠基性的。”中国工程院院士、运载火箭技术专家龙乐豪评价说。长征五号工程创新难点多、技术跨度大、复杂程度高,代表了我国运载火箭科技创新的最高水平;填补了我国大推力无毒无污染液体火箭发动机的空白,并使我国航天运载能力进入国际先进之列。

航天一甲子,“长五”三十年。从提出设想到实现首飞,长征五号的发展历程覆盖了半个中国航天史。

系列化设计:奠基新一代长征火箭

“这三十年,我是看着长征五号从无到有一路走来的。”龙乐豪说。

1985年,时任航天科技集团一院总体设计部主任的龙乐豪,对我国运载火箭的发展进行了思考。他带领团队提出了新一代“大火箭”的构想,其后来被命名为“长征五号”。

一年后,“大型运载火箭和天地往返运输系统”被列入863计划,并于1988年开始论证。通过对比国外新一代火箭,结合自身需求,专家们认为当时的长征系列火箭存在运载能力低、芯级直径小、所用偏二甲肼和四氧化二氮推进剂毒性大且价格昂贵等问题,希望通过新型火箭来解决。

然而,当时我国载人航天工程尚未立项;即使该工程立项后,对于载人飞船方案,长征五号的运载能力也颇为“浪费”。有航天器专家问:“搞那么大的火箭干嘛?我们没有那样的需求……”火箭专家们无言以对。

长征五号用什么推进剂,各方意见不一。所谓新一代运载火箭,最大特点就是推进剂绿色环保,常规推进剂显然不符合要求。但有专家认为,液氢液氧燃料不太好“伺候”,会带来很多麻烦;研制液氧煤油发动机,也需要攻克许多难点。一来二去,围绕长征五号的讨论延续到新世纪。

2002年,原国防科工委确定了新一代火箭“一个系列、两种发动机、三个模块”总体发展思路,以及“通用化、系列化、组合化”设计思想。2006年,长征五号立项研制得到了国务院的正式批准。

龙乐豪认为,长征五号将成为我国新一代长征系列运载火箭的奠基性型号。

其方案中的“三个模块”,指使用液氧液氢燃料的5米直径模块,用液氧煤油燃料的3.35米直径模块和2.25米直径模块;“两种发动机”指地面推力50吨“液发-77”氢氧发动机,和地面推力120吨的“液发-100”液氧煤油发动机。在三个模块基础上,第一步组合制造出5米直径芯级的大型火箭长征五号,再进一步组合制造出3.35米直径芯级的中型火箭长征七号,以及2.25米直径的小型火箭长征六号。最终形成近地轨道运力覆盖1.5至25吨,地球同步转移轨道运力覆盖1.5至14吨的“系列”。

“未来,长征五号的5米直径芯级,还能作为我国重型运载火箭长征九号的助推器,助其实现约140吨的近地轨道运载能力。”龙乐豪说。

动力先行:交着学费实现跨越

“从正式立项到首飞,长征五号可谓‘十年磨一箭’。但它的核心——发动机已经提前一步开始研制。”中国工程院院士、原国防科工委副主任栾恩杰说。

长征五号拥有强大且绿色环保的“中国芯”:50吨级氢氧发动机,9吨级膨胀循环氢氧发动机和120吨级液氧煤油发动机。航天科技集团六院院长刘志让介绍,上世纪90年代中期,该院已开始了对新一代火箭发动机的研究。

2000年,120吨级液氧煤油发动机项目立项,其研制历程一波三折。2001年进行的四次整机试车中,两次起动不正常,另外两次燃气系统烧毁。连续的失败,使研制队伍情绪受挫,背负了沉重的压力。“液氧煤油推进剂我们第一次接触,补燃循环方案是第一次用,自身起动方式是第一次研究。这么多新技术,哪能不交学费?”中国工程院院士、液体火箭发动机专家张贵田鼓励大家。

2002年5月,该发动机整机试车取得圆满成功,首次获得了我国液体火箭发动机补燃循环自身起动特性参数;2006年7月,该发动机进行首次600秒试车并获成功,为长征五号正式立项奠定了基础。其研制突破了高压补燃关键技术80余项,填补了我国补燃循环发动机的技术空白,实现了从常规有毒推进剂开式循环液体推进技术,到绿色无毒推进剂闭式循环液体推进技术的巨大跨越。

2001年12月,原国防科工委、财政部联合批准“50吨级液氢液氧发动机专项工程”立项。氢氧发动机是典型的低温发动机,工作前要利用液氢和液氧,将发动机各类部件的温度预冷至零下180摄氏度到零下250余摄氏度,同时要保证液氢液氧在发动机内部的稳定输送。为此,科技人员先后解决了低温发动机起动及关机时序、超高转速高压高效多级泵、大尺寸多孔面板发汗冷却、大口径超低温气动球阀等百余项关键技术。

记者了解到,该发动机具有长时间点火能力,可以持续工作500秒,用于火箭芯级,能实现仅用芯一级火箭就将有效载荷送入近地轨道。

首战告捷:三大战役的胜利

长征五号首飞前夕,龙乐豪坦然表达了内心的忐忑。“我们看起来笑容满面,其实内心一个劲翻腾。”他说,“要到确定星箭分离、卫星入轨,那颗心才能从嗓子眼落回去。”

动力系统已初具雏形,但长征五号火箭总体研制依然艰辛。“当时我国火箭技术储备和工业基础还无法对长征五号研制提供支撑。别的不说,仅五米级直径的箭体设计、制造以及试验技术,就是很大的跨越。”龙乐豪说。

至今,长征五号研制共突破大直径箭体结构、大型低温捆绑火箭耦合振动抑制等12大类247项新技术,累计开展千余项、7000余次地面试验,创造了我国液体运载火箭研制规模之最。

尽管技术攻关全部完成,龙乐豪最担心的却是设备可靠性。他曾因此经历过惨痛的失败。

1996年2月15日,由龙乐豪任总设计师兼总指挥的长征三号乙火箭首飞失利,起飞22秒后撞上山头。“我的头发这么白,跟那一夜有很大关系。”他说。

长三乙失利的原因令人唏嘘——起飞前三秒,一根只有头发几十分之一细的金属导丝脱焊,导致相关器件失灵、火箭姿态失控。“成功与失败就在一线间。哪怕故障概率只有百分之零点几,遇上了就是百分之百的失败。”龙乐豪叹道。

为此,长征五号研制过程中严格执行质量控制管理,并采取了电气系统三冗余措施,即三台相同设备互为备份。但这只能让成功率尽可能提高,谁也没法打保票。龙乐豪说,以长征三号乙为例,其仪器设备近千台,电子元器件超过十万支,电缆总长足够围北京五环绕一圈,而长征五号的规模远大于此。“这么庞大的系统,稍不注意就有可能出差错。”他说,“目前我们还没发现隐患,但仍在冥思苦想。”

此外,航天科技集团一院长征五号运载火箭副总设计师娄路亮表示,该火箭飞行时,液氧煤油、液氢液氧两种发动机将同时工作,这在我国是首次,国际上也只有前苏联的能源号运载火箭实现过。“风险在于,两种发动机的特性、‘脾气’各不相同,一起工作会出现什么情况,我们缺乏认知,在地面也无法真实模拟,只能靠实际飞行得到完全验证。”他说。

11月3日,长征五号首飞成功的消息传回,人们的心放下了。栾恩杰将此总结为“三大战役的胜利”。“从上世纪90年代中期至今,头十年是发动机战役,后十年是火箭战役,同时我们还完成了海南发射场等配套设施的建设。”他说,“这三大战役构成了长征五号的首飞成功。”

放眼深空:提供更大的航天舞台

1978年,美国总统卡特的安全事务顾问访华,为了显示两国友好并展示科技实力,他带来了不寻常的礼物——1克月壤。“不久后,中国人将从月球取回2000克月壤样品。”龙乐豪充满期待。

记者了解到,我国计划于2017年发射嫦娥五号探测器,登陆月球并采样返回。长征五号将成为此次任务的运载工具。

娄路亮介绍,长征五号的整流罩直径达5.2米,一次能将20多吨重的空间站舱段送入太空。我国将用长征五号B发射空间站,已经计划了五次发射任务。

2020年,我国还将用长征五号发射火星探测器。后续一些地球同步轨道发射任务也在规划中。

长征五号是我国运载火箭升级换代的里程碑,也是我国由航天大国迈向航天强国的重要标志。它为我国新一代运载火箭系列化、型谱化发展奠定了坚实基础,将为后续探月、载人航天、火星探测等国家重大工程提供有力保障。其投入应用后,必将为我国未来航天活动提供广阔的空间。

(记者 付毅飞)

(责编:郝孟佳、熊旭)
分享到:
收藏
环球女性网载其他媒体稿件是为传播更多的信息,转载并不代表本网赞同其观点,也不代表本网对其真实性负责。如果本网转载的稿件涉及您的版权、名益权等问题,请尽快与本网联系,本网将依照国家相关法律法规尽快妥善处理。
相关阅读