長征五號系列火箭

長征五號系列運載火箭是中國航天科技集團公司研製的新一代五米直徑低溫液體捆綁式大型運載火箭系列。其到達近地軌道的最大理論載荷為32~33噸，而到達同步轉移軌道的最大有效載荷能力為14.5噸。長征五號系列為中國第一個從總體到分系統均採用最新技術的大型液體運載火箭系列，是中國目前研製規模和技術跨度最大的航天運輸系統工程，新技術比例達95%以上。目前是中國現役起飛質量最大、芯級直徑最粗、運載能力最強的火箭。歷史.長五問世.長征五號所使用的關鍵技術早於1986年在863計劃支援下開展前期論證和攻關，2001年2月，長征五號專案初現端倪。2001年5月國防科工委開展預先研究。2000年至2001年，120噸級液氧煤油發動機YF-100及50噸級液氫液氧發動機YF-77先後開始立項研製。2002年，為了解決“老長征”火箭的一系列歷史遺留問題，首次提出新一代運載火箭“模組化研製、積木式發展”的理念，並且據此確定“一個系列、兩種發動機、三個模組”的發展思路以及“通用化、系列化、組合化”的設計思想。2006年10月，在20年的可行性研究之後，中國政府批准了由國防科工委和財政部聯合立項的長征五號火箭工程，並預計2014年首飛。不過公開訊息則要到2007年中國東北展會期間才由開發商披露。長征五號由2008年11月成立的天津航天長征火箭製造有限公司生產，製造基地設於沿海城市天津濱海新區開發區西區夏青路199號的中國運載火箭技術研究院天津產業園。2009年時，長征五號曾考慮開發載人型號。2012年3月“兩會”期間，中國航天科技集團透露長征五號研製進展順利，關鍵技術攻關總體上取得重大進展，已進入初樣研製攻堅階段，有望在當年12月轉入試樣研製階段，計劃於2014年首飛。同年11月，長征五號已進入大型地面驗證最後階段，預計2014年年底左右實現“長征五號”首飛。2015年9月至2016年2月，長征五號合練箭在海南文昌發射場完成合練。2016年11月3日20時43分，歷十年磨一箭，長徵五號於海南島中國文昌航天發射場首次發射成功。遙二失利.2017年7月2日19時，長征五號遙二火箭從文昌1號工位起飛，起飛後174秒助推器燃盡並拋離，指揮大廳直播畫面顯示其將會墜入東沙群島與瓦拉格市之間的海域，整流罩於起飛後286秒拋離，至此飛行一切正常。起飛後346秒，芯一級的一臺YF-77發動機液氧泵發生損毀，這一幕被一臺安裝於芯二級三四助推方向的攝像機捕捉到，全箭姿態僅靠剩餘一臺YF-77維持。由於引擎失效，芯一級直到起飛後572秒才與芯二級分離，而正常情況下應為475秒，因此使得軌道高度過低，到624秒時，網路直播畫面左下角出現橙黃色的光亮，且隨著時間推移，亮度，範圍不斷加大，表示星箭組合體已經開始再入大氣層，最終於708秒時畫面卡死，顯示進入黑障而通訊中斷。不久後，CCTV13報道了發射失敗的訊息。故障歸零.由於芯一級墜入馬裡亞納海溝，故障難以定位，官方表示“芯一級液氫液氧發動機一分機渦輪排氣裝置在複雜熱力環境下，區域性結構發生異常”。最終第一次“歸零”在次年4月才完成，其中進行了200餘項技術改進，以及13次長程試車，準備在2018年年底進行復飛。2018年11月30日，在火箭總裝即將完成之時，與遙三上安裝的同一批次的YF-77引擎在北京雲崗進行試車時再度發生故障，根據遙三成功後官方透露的情況，這一次引數與遙二引擎失效前的相似，沒有找出原因的情況下，歸零再次進入第二輪，這一次相關專家認為應當發動機的結構進行強化，確保發動機在火箭高溫、強振動等惡劣工況下的可靠性，引擎在很快通過了兩次試車，新的發射時間也被定於2019年年底。2019年4月4日，當用於遙三火箭的YF77進行最後一次試車時一位設計團隊的員工發現引擎存在異常震動，引擎在拆解後發現液氧泵存在細微裂紋，相同的故障不久後也在同批次其他引擎的試車中發現，這一次故障也被長征五號火箭副總師王維彬評價為“擊中要害”，但問題的解決仍困難重重，設計團隊有多種各有利弊的設計方案，加強結構的改進幅度難以量化；繞過單一故障點也需要全系統的改動；最終團隊認為最現實的方案是對引擎進行“小改”最終透過結構設計最佳化的方式來提高發動機的可靠性以及效能。第三次歸零的引擎試車考核於同年7月31日展開，這一次引擎沒有再出現故障，試車獲得成功，遙三的發射準備工作隨即展開。遙三複飛 東方紅五號衛星平臺首飛.2019年10月22日，由遠望21號、22號船組成的火箭運輸船隊從天津港啟航並於27日抵達文昌清瀾港。隨後由公路運輸至文昌發射場，在完成了總裝，測試等準備工作後於12月21日上午8時離開垂直測試廠房，當日10時抵達發射區。同月27日，海南省公安廳對文昌市部分路段進行交通管制 ，發射前3小時開始對外來車輛逐步採取限制。此次發射央視新聞在中國大陸幾家網路直播平臺上對此次發射進行了直播，無電視臺直播，也有一些中國大陸網民將央視的直播畫面轉播至YouTube上。此次發射搭載著東方紅五號平臺實踐20號，由於此首飛星搭載著包括電推進、10Gbps鐳射通訊，可展開式熱輻射器等尖端技術，保密性較強，網路直播的發射場訊號直至起飛前1分鐘才開始。27日20時45分，火箭點火升空，174秒後助推器分離，195秒後拋整流罩，由於“歸零”後的YF-77為了提高工作的穩定性，導致推力少量下降，一二級分離由遙一的475秒延長到了495秒，T+774秒，二級一次關機，此時星箭組合體位於菲律賓海，關島以西的海域上空，2200秒後，星箭分離，實踐20號進入超同步轉移軌道。次年1月6日，發射任務搭載的實踐20號完成定點，在軌驗證工作開始。此次發射也是2019年全世界最後一次發射任務。遙四 天問一號火星繞落巡任務.長征五號系列火箭的第一次應用性發射即為天問一號火星探測任務。此次任務也是中國大陸自東方紅一號發射以來的第一次行星際飛行任務，用於此次任務的YF-77引擎於2020年1月19日完成100秒校準試車，而探測器則於同年4月24日，被命名為天問一號。星箭組合體於7月17日轉運至文昌發射場101工位，在對箭體完成檢查之後開始低溫燃料加註2020年7月23日12時41分，中國在海南島東北海岸中國文昌航天發射場，用長征五號遙四運載火箭攜中國第二次火星探測任務“天問一號”探測器發射升空，383秒後，星箭組合體離開大氣層，整流罩被拋離，一級關機時間與遙三相同，T+708秒，二級一次關機，滑行952秒後二級二次點火，開始火星轉移變軌，飛行2086秒後，二級二次關機，在調整姿態後進行器箭分離，此時天問一號高度已經達到470km，2530秒後太陽翼展開成功。，這是中國第一次完全自主實施的火星探測任務，也是第一次行星際飛行任務。2021年2月10日，天問一號順利實施近火制動，成功進入環火軌道，成為中國第一顆人造火星衛星。北京時間5月15日7時18分，天問一號著陸器攜帶祝融號火星車成功著陸於火星烏托邦平原南部預選著陸區，中國成為第二個完全成功著陸火星的國家。遙五 嫦娥五號月球取樣返回任務.2020年11月24日4時30分，在中國文昌航天發射場，“長征五號”遙五運載火箭成功發射探月工程“嫦娥五號”探測器，順利將探測器送入預定軌道，開啟中國首次地外天體取樣返回之旅。長征五號遙五運載火箭發射升空後，先後實施了助推器分離、整流罩分離、一二級分離以及器箭分離等四次分離。“嫦娥五號”探測器由軌道器、返回器、著陸器、上升器四部分組成，後續在經歷地月轉移、近月制動、環月飛行後，著陸器和上升器組合體將與軌道器和返回器組合體分離，軌道器攜帶返回器留軌執行，著陸器承載上升器於2020年12月1日完成了月球正面預選區域的軟著陸，按計劃開展了月面自動取樣等後續工作，並於12月17日攜帶收集到的月球樣品返回地球並在四子王旗著陸場成功著陸。。空間站任務.不同於先前的天宮系列飛船，空間站元件更重，原先採用偏二甲肼/四氧化二氮的長征二號系列火箭無法滿足運力需求，長征五號系列火箭的狀態直接關係到空間站可否進行建設，2017年的長五遙二失利就使得原定於2018年開始的空間站建設任務被推遲接近3年之久。與新一代載人飛船實驗船任務相似，空間站的建設完全依賴專為近地軌道任務設計的新款長五，即「長征五號B型」，該型號相較於用於高軌任務的標準型長征五號，該版本的運載火箭去掉了第二級火箭，原級間段、二級液氫貯箱所佔用的空間均被整流罩內的有效載荷空間所取代。該任務的第一個元件，即天和核心艙於2021年2月春節期間抵達文昌，相應的運載火箭也於同月22日抵達發射場，在進行相應的組裝、測試等必要的準備工作後於4月29日上午11時23分成功發射入軌。空間站的首個乘組於2021年6月17日搭乘神舟十二號飛船升空並對接進入空間站。天宮空間站的其餘元件也將於2022~2023年期間陸續利用長五B發射升空。設計.系列總體方案.以長征五號系列火箭為代表的新一代運載火箭系列採用“模組化研製、積木式發展”的理念，並且據此確定“一個系列、兩種發動機、三個模組”的發展思路以及“通用化、系列化、組合化”的設計思想。“一個系列”為“新一代運載火箭系列。模組化設計的好處是可以根據需要把不同模組組裝成不同推力的火箭，以執行不同的任務。例如系列中現役運載能力最強的型號長征五號，一級和二級均為5米直徑模組，另配有4個3.35米直徑模組作為助推器。長征五號系列最終只選擇了運載能力最強的構型，以避免與其他型號火箭運力重疊。新一代運載火箭系列中其他中、低運力模組組合方案後來被移出長征五號系列，單獨命名形成各自系列。其他系列所選用發動機型別或數量可能存在差異，模組尺寸則相同。長征五號具體設計.長征五號系列火箭現任總設計師是李東，首任總設計師是徐盛華。中國運載火箭技術研究院及上海航天技術研究院分別承擔芯級及助推器的研製任務。長征五號整流罩直徑5.2公尺，長12.3米，長征五號B型長度更達20.5公尺，可搭載三種專門為其設計的火箭發動機，完全採用無毒無汙染的液氫或煤油和液氧推進劑，分別為推力為120噸的YF-100液氧煤油高壓補燃迴圈發動機、推力為50噸的YF-77燃氣迴圈氫氧發動機和推力為9噸的YF-75D膨脹迴圈氫氧發動機。其120噸級液氧發動機設計難度大，必須獨力開發上百項新技術或新材料，中國航天推進技術研究院製造初始四臺樣機在高臺測試時，兩臺啟動爆炸，兩臺燃油系統燒毀，第五臺樣機才成功，液態燃料槽在2012年6月30日靜力測試時也發現焊介面裂縫，薄壁大直徑燃料槽是國際高階機密技術，焊接工藝和結構設計全靠自力摸索，最終研製成功。120噸級的YF-100液氧煤油發動機於2012年7月29日測試成功。但此前研發遭遇一些困難，進度數次推遲。長征五號火箭已於2015年3月23日完成芯一級動力系統第二次試車；2016年1月起，長征五號在文昌航天發射中心進行合練，共計140天。長征五號歷時十年研製，於2016年11月3日完成首飛。未來展望.長征五號系列火箭未來還可以搭配遠征系列上面級，以及固體上面級來執行GEO、中高軌圓軌道等多種高軌道發射任務。標準型長征五號除了可以用於GTO，地月、地火轉移任務外，還可以進行太陽同步軌道任務，如果需要執行逃逸能量C3超過20 k㎡/s2的深空探測任務時，可以在二級火箭的基礎上加裝遠征一號上面級甚至是小固體上面級以滿足需求。長征五號B型火箭可以與遠征系列上面級配合執行1000km圓軌道、SSO發射任務。標準型火箭採用的12 m長整流罩還存在長度較小，使用空間不滿足大質量載荷的包絡使用需求的缺點，後續可以改用19m長整流罩，一次性發射兩顆基於東方紅四號平臺的載荷來實現一箭多星。該系列型號的發射場準備流程也有大量最佳化的潛力，如：最佳化發射場測試專案、產品運輸流程、採用異種推進劑並行加註來最佳化推進劑加註流程，芯一級YF-77發動機整機隨箭體運輸，以減少總裝工序。這些最佳化如果都能得到採用，發射任務的準備週期至少可以減少15天。意義.長征五號的問世，帶來的不僅僅是運力的提升，中國多個重大航天計劃能否正常開展都取決於長征五號系列火箭是否可用。在長征五號開發的時期，中國下一階段的中國探月工程、行星探測工程和載人航天工程，都亟需運力超越當時服役的長征系列的運載火箭。例如，旨在實現月球表面著陸並返回地球這一目標的嫦娥五號重達8噸，除了長征五號，沒有其他在役中國火箭能將其送入地月轉移軌道。嫦娥五號原定於2017年底發射，但由於2017年7月長征五號遙二的發射失敗，嫦娥五號任務被迫暫時擱置直至2019年底長征五號遙三發射成功，於2020年底最終完成發射併成功將月球樣品採集後返回地球。中國行星探測工程的首個任務，重達5噸的火星探測器天問一號也同樣必須由長征五號發射並送入地火轉移軌道。在2019年底長征五號遙三複飛成功後，天問一號及時趕上了2020年7月的地火轉移視窗期並完成發射，為中國行星探測帶來了歷史性突破。遠期的日球層頂、外行星、柯伊伯帶探測任務同樣需要長征五號火箭來將載荷送入軌道對於中國載人航天工程“第三步”的空間站建設階段來說，重達20噸的空間站艙段只能由長征五號B型運載火箭送入近地軌道。長征五號B於2020年5月5日完成首飛，並於2021年成功將天宮空間站的首個艙段天和核心艙送入軌道，隨後在2022年成功發射了問天實驗艙和夢天實驗艙，完成了中國首個長期空間站三艙組合體的建設。除此之外，旨在取代神舟系列的中國新一代載人飛船、太空望遠鏡以及未來的載人登月工程同樣需要更大噸位的火箭，長征五號的研製成功對此型別運載火箭的發展起到了重大推動作用。衍生構型.長征五號運載火箭.長征五號運載火箭為二級半構型，芯級直徑5米，捆綁4個3.35米直徑斜頭錐助推器，是系列中效能最高的型號。全箭總長56.97米，起飛質量854.5噸，起飛推力約1062噸，主要承擔地球同步轉移軌道任務，運載能力14噸，較中國原有運載火箭提升2.5倍，其整流罩長度達12.3公尺。長征五號B運載火箭.長征五號B運載火箭為此係列的近地軌道版本，取消第二級，為一級半構型，是中國首款一級直接入軌火箭，全箭總長53.7米，起飛重量837.5噸，近地軌道運載能力達25噸，主要承擔中國空間站艙段發射任務等近地軌道任務。長征五號乙運載火箭整流罩長度為20.5公尺。該火箭一級燃盡後在不受控狀態下逐漸落回大氣層焚燬。殘骸處理.不同於老長征系列火箭，長征五號火箭從海南文昌發射場而非西昌、酒泉的內陸發射場起飛，發射階段，火箭全程位於太平洋上空，幾乎不會飛躍陸地，發射前只需對發射場周圍3.3km內的民眾進行疏散處理，而非像內陸發射場任務一樣要對各個殘骸落區範圍內的居民一併進行較大規模的疏散。長征五號標準型採用兩級半構型，起飛後，用盡的四臺助推器會落入南海海域，整流罩則會落入呂宋海峽。長征五號B殘骸批評.由於長征五號B型是採用一級半入軌，助推器與整流罩的處理方式與標準型長五無異，體積與質量較大的芯一級會隨同有效載荷入軌，分離後的芯級會在軌道衰減的作用下在約兩週的時間內再入地球大氣，少數未燃盡的器件最終會落回地面。部分媒體與學者擔心這會對地面人員及設施造成損壞。同樣，由於高層大氣的阻力作用以及太陽光照的影響，器件分離數日後，箭體會開始低速翻滾，這一現象經常被一些媒體誤解讀為火箭發射失敗。2020年5月中旬，長征五號B遙一火箭的芯一級在大西洋上空再入，象牙海岸附近的居民聲稱有金屬物件掉落在地面，這些物件被認為來自於長征五號B型火箭。美國國家航空航天局局長吉姆·布里登斯廷批評中國長征五號B型的處置方式有悖於NASA正尋求的太空活動行為規範《阿爾忒彌斯協定》中的一系列原則。長征五號發射後，局長吉姆·布萊登斯汀在NASA委員會會議上，對火箭於西非沿海再入前不到一小時就飛越了美國的主要城市的不可控性質，提出了自己的擔憂和批評：“它飛過了人口中心，並重新進入了地球大氣層。這可能是非常危險的”。引用.