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火箭运载能力有多大,航天的舞台就有多大

实践二十号卫星研制现场。庄茜倩摄/光明图片

2019年12月27日晚,中国文昌航天发射场,长征五号遥三运载火箭(以下简称“长五遥三”)不负众望,成功将实践二十号卫星送入预定轨道。

这是长征五号运载火箭(以下简称“长征五号”)的第三次飞行,也是时隔两年多再次执行发射任务。2017年7月2日,同样是中国文昌航天发射场,长征五号遥二火箭(以下简称“长五遥二”)在1号工位点火发射,火箭平稳工作至346秒时,发动机推力突然异常降低,发射任务失利。

作为我国运载火箭升级换代的里程碑工程,长征五号的成功与否,关系到后续探月工程三期、载人航天、火星探测等国家重大工程能否顺利实施;从发射失利到再次成功,两年多的时间里,究竟发生了什么……所有这些,都让长征五号的此次飞行任务显得不同寻常,因而备受瞩目。

傲视群雄

长征五号由航天科技集团第一研究院(以下简称“火箭院”)抓总研制,是我国首型大推力无毒无污染液体火箭,由于体型宽大而被大家亲切地唤作“胖五”。

“长征五号采用全新的5米箭体结构,打破了我国40余年来传统运载火箭3.35米箭体直径的限制,共计突破12大项、200多个核心关键技术,可以说创新难点多、技术跨度大、复杂程度高。”据火箭院院长王小军介绍,“傲视群雄”的“胖五”代表了我国运载火箭科技创新的最高水平,运载能力位居世界前列,可实现近地轨道运载能力提升至25吨级、地球同步转移轨道提升至14吨级的大幅跨越,在提升我国自主进入空间能力的同时,也为构筑新一代运载火箭系列型谱以及发展重型运载火箭奠定了坚实的技术基础。

自2006年正式立项以来,经过10余年的工程研制,长征五号先后于2016年11月3日和2017年7月2日实施了两次发射——首次发射取得圆满成功,遥二火箭因发动机故障未能将卫星送入预定轨道。

“在遥二火箭的基础上,长五遥三进行了200余项技术改进,其中比较重大的有9项,包括发动机设计、长排整流罩设计、利用系统调节方案改进等。”长征五号火箭副总设计师杨虎军说。

凤凰涅槃

经过100余天的故障排查与180余天的试验验证,长五遥二失利的原因终于浮出水面:在复杂力热环境下,火箭芯一级氢氧发动机局部结构发生异常,推力瞬时大幅下降,致使发射任务失利。“在归零过程中,我们排查了50多个可能造成推力下降的原因,然后根据故障调查结论,对芯一级氢氧发动机从结构、材料和工艺等方面进行改进,提高了发动机对飞行环境的适应性。”长征五号火箭总设计师李东说。

900多个日夜里,人们在焦急地等待“胖五”归来,长征五号研制团队则在攻克氢氧发动机的难题中不断提升着认识水平和技术能力。

2018年11月,改进后的芯一级氢氧发动机在长程试车过程中出现问题。根据故障原因,研制团队对发动机的局部薄弱环节进行改进,提高了结构的动强度裕度。改进后的产品于2019年2月顺利通过两次长程试车验证。

2019年4月,长五遥三的总装工作进入到最后冲刺阶段,一台用于后续任务的芯一级氢氧发动机又出现异常。研制人员顺藤摸瓜,找到问题的症结所在。“为解决发动机的异常,我们探索了三条路径,最后决定抓住问题根源和主要矛盾,对发动机结构再次进行局部改进。”火箭院党委书记、长征五号火箭第一总指挥李明华说。

这次改进彻底解决了困扰人们已久的发动机问题,“胖五”终于回到恢复发射的“快车道”。

在李东看来,完成发动机问题归零与数次试验验证的同时,长征五号的技术改进和可靠性也实现了前所未有的突破。“火箭各系统都深入开展了再分析、再设计和再验证,全面审视在设计、产品和过程控制方面的工作有效性。”

可见,此次“胖五”是“凤凰涅槃”后的全新归来。

梦想之箭

作为目前我国运载能力最大的火箭,长征五号肩负着开展载人航天空间站建设、月球采样返回、火星探测等多项重大航天工程任务,是承载中华民族对浩瀚宇宙向往的“梦想之箭”,也是我国由航天大国迈向航天强国的重要标志。

“长征五号采用多种构型系列化设计的技术途径。其中,一级半构型的长征五号B运载火箭,近地轨道的运载能力达到25吨左右,可以有力支撑我国载人航天空间站的建设;两级半构型的长征五号运载火箭,地球同步轨道运载能力达到14吨,可以用于发射大型高轨道卫星、实施月球采样返回、开展深空探测等任务。”王小军强调,此次遥三发射任务的成功,标志着长征五号将加速进入工程应用阶段。

翻开2020年的日程安排,“胖五”的确很忙:

择机发射“嫦娥五号”,实现月面无人采样返回,圆满完成探月工程三步走的总体规划目标;

择机发射火星探测器,通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视探测;

作为发射空间站核心舱的主力火箭,预计在2020年迎来首秀,将加速我国载人航天空间站建设的步伐。

长征五号的研制历程,还为新一代运载火箭积累了宝贵经验。据悉,2020年,由火箭院抓总研制的长征五号B、长征七号甲、长征八号等多型新一代运载火箭将相继迎来首飞。

航天界常说:“运载火箭的能力有多大,航天的舞台就有多大。”显然,长五遥三的成功,不仅为中国航天的“超级2020”打下了坚实的基础,也向着建设航天强国的征程迈出了矫健的一步。

“胖五”——“梦想之箭”,加油!

(本报海南文昌12月27日电 本报记者 张蕾 陈海波)

来源:光明日报

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