航天人常說:火箭運載能力有多大,航天舞臺就有多大。正因如此,作為我國推力最大、劃時代的重型火箭,長征五號受到了前所未有的關注。2016年11月首發(fā)成功,2017年7月第二次發(fā)射失利,在沉寂的這兩年半中,下一代寬帶通信衛(wèi)星、探月工程、空間站、火星探測等重要的航天任務只能眼巴巴等著。此番“胖五”再次一飛沖天,重新開啟了國人開拓航天大舞臺的憧憬。

長征五號遙三火箭的成功發(fā)射,是長征五號火箭從失敗中走出的一小步,卻是中國航天事業(yè)前進的一大步!

長征五號補齊了中國航天藍圖大運載的關鍵短板

圖1:中國航天實力圖譜

2018年,中國航天發(fā)射總次數(shù)達39次,排名世界各國航天發(fā)射次數(shù)之首,創(chuàng)造了中國航天事業(yè)的新高峰。加上此次長五遙三發(fā)射,2019全年34次發(fā)射依然名列全球第一。以此來看,我們無疑是航天大國。我們已擁全球覆蓋的衛(wèi)星導航系統(tǒng)——北斗,成功發(fā)射了全球首顆量子科學衛(wèi)星“墨子號”等(詳見圖1)。但成熟的重型運載火箭缺位,一直是一塊短板。有了成熟可靠的重型運載火箭,中國的航天實力無疑可躋身世界航天第一梯隊(表1)。

表1:世界主要航天大國實力對比

數(shù)據(jù)分析:華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院分析

從運載能力上看(圖2),長征五號是我國運載能力最強的火箭,通過與遠征二號上面級組合,可實現(xiàn)近地軌道25噸級,地球同步轉移軌道14噸級,在目前世界所有現(xiàn)役的火箭中排名第三位,僅次于美國SpaceX的獵鷹重型火箭和ULA的德爾塔重型火箭。

圖2:世界現(xiàn)役火箭運載能力一覽

數(shù)據(jù)來源:華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院分析

長五的發(fā)射次數(shù)雖然不多,但由于重型運載火箭的重要性以及后續(xù)任務的迫切性,衍生型號也趨于成熟。長征五號乙取消了第二級氫氧結構,直接利用一級半火箭發(fā)射,具有更高的可靠性和安全性。其近地軌道的運載能力將達25噸,主要用于發(fā)射載人空間站等高價值的大型近地軌道載荷。預計2020年,我國將利用長五乙發(fā)射“天和號”核心艙,完成天宮二號空間站的主要構造。

圖3:長征五號和長征五號乙結構圖和核心參數(shù)對比

長征五號奠定了我國新一代重型火箭的技術基礎

長征五號火箭立項于2006年,屬于一次性大型低溫液體捆綁式運載火箭,也是中國新一代運載火箭中芯級直徑為5米的火箭系列。由于技術難度大,長五雖然比長征六號、七號早立項,而如今后者早已建功立業(yè),長五時至今日才得以煥發(fā)生機。在研制攻關中,長征五號成功跨越了多只“攔路虎”:

火箭整體技術——30%到90%的跨越:長征五號火箭采用了全新的技術,不同于以往新一代火箭30%的新技術替代,長征五號火箭在關鍵核心部分應用了247項新的技術,新零部件產(chǎn)品替換比例高達90%,幾乎是從零開始,另起爐灶,打造了一款不同以往的全新火箭。而新技術的應用就需要更多次的試驗驗證,并面臨著更多的風險。公開信息顯示,僅長征五號發(fā)動機就經(jīng)歷了114次試車,其中失敗4次,還爆炸過1次,不可謂不艱難,不危險!

火箭結構技術——3．35米到5米的跨越:我國大載荷運載火箭長征三號乙、長征三號丙、長征二號F以及長征七號火箭的芯級直徑均為3．35米,從未突破。而長征五號是唯一一款直徑5米的大火箭,因為膀大腰圓,所以被稱為“胖五”�；鸺�芯級直徑從3．35米到5米,并不是簡單的放大50%,這其中涉及到超大型結構件的整體制造技術。要想制造5米直徑的芯體結構,需要攻克超大型結構件的金屬鑄造、加工、焊接、鉚接等諸多基礎工裝技術,還需要超大型金屬鑄造設備、機床加工設備及性能檢測設備等,這是制造能力上一次大的跨越。此外,5米直徑芯體火箭的地面試驗也面臨新的需求,之前的試驗工位無法滿足新的助推器分離試驗、整流罩分離試驗、靜力試驗等。

圖4:中國長征五號主要技術參數(shù)列表

圖片來源:國家航天局、華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院分析

火箭發(fā)動機技術——75噸到120噸的跨越:發(fā)動機是火箭最核心的部件,決定了運載能力和軌道高度,被稱為火箭的“心臟”。之前我國單臺火箭發(fā)動機的最大推力只有75噸,遠遠不能滿足長征五號的動力需求。長征五號采用了新一代無毒無污染的氫氧和液氧煤油發(fā)動機組合方式,8臺120噸液氧煤油發(fā)動機分布裝配在四個助推器上,兩臺50噸、兩臺9噸氫氧發(fā)動機分別裝配在一級和二級火箭上。研發(fā)120噸級的液氧煤油發(fā)動機涉及到發(fā)動機葉片、燃燒室等幾十種新材料和新工藝。而中國是世界第二個全面掌握液氧煤油高壓補燃發(fā)動機技術的國家。

長征五號為中國下一步航天任務邁出了堅實的一步

沒有大推力的重型運載火箭,很多大型的空間結構(如空間站),以及更遠距離的深空探測就無法實施。而長五的成功將為中國的航天事業(yè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展打開新的大門。

實踐二十號衛(wèi)星——升級版東方紅五號:實踐二十號是基于東方紅五號衛(wèi)星公用平臺研制的通訊實驗衛(wèi)星,也是我國目前研制的最大人造衛(wèi)星,起飛重量8噸,雙翼展開達40多米。實踐二十號搭載了多型全新的衛(wèi)星通信設備,包括我國目前能力最強的星地激光通訊終端,其傳輸速率可達每秒4．8G,將滿足未來5至15年內通信、微波遙感和光學遙感等載荷對衛(wèi)星平臺的需求。

此外,“實踐二十號”將對“東五”平臺的八大項關鍵技術進行全面驗證,不僅提升平臺技術成熟度,還將推動牽引以下一代高容量寬帶通信衛(wèi)星為代表的型號立項工作。

圖5:實踐二十號示意圖

圖片來源:國家航天局

嫦娥五號——登月三步走之“回”:嫦娥五號的任務是實現(xiàn)月球的無人采樣返回,是我國探月工程規(guī)劃三步走“繞落回”的最后一步,也是我國探月工程系列任務中的關鍵一環(huán)(圖6)。探月工程三期立項于2011年,計劃由長征五號火箭將嫦娥五號送入地月轉移軌道,并在月球表面實現(xiàn)軟著陸。嫦娥五號上升器在采集完月球表面樣品后與軌道器對接并返回地球軌道,最后由返回飛行器進入大氣層著陸。

嫦娥五號不僅首次帶回大量月球樣品,拓展我國深空探測領域,同時也將驗證我國的軌道測量與飛行控制精度、上升器遠程導引控制(軟著陸與再發(fā)射技術)、飛行器遠程對接等天地協(xié)同控制技術。同時將“嫦娥五號是中國下一步載人登月,以及未來建設月球基地等探月任務中的關鍵一環(huán)�！�

圖6:我國探月工程系列任務之“繞落回”

圖片來源:華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

天和號——天宮空間站核心艙:“天和號”全長接近17米,直徑4．2米,重約20噸,只有長征五號火箭可以完成發(fā)射任務。天和號核心艙是未來中國空間站的主控艙段,不僅承擔未來中國空間站的指揮控制中心角色,也將為航天員提供生活和實驗的場所。

目前,天和號核心艙已經(jīng)研發(fā)完畢,正處于“衛(wèi)星等火箭”的階段,預計2020年由長征五號乙火箭發(fā)射升空�！皢柼臁睂嶒炁摙窈汀皦籼臁睂嶒炁摙蛘�處于研發(fā)階段,計劃于2022年發(fā)射,并與“天和號”對接。待后續(xù)“天舟”貨運飛船和“神州”載人飛船入軌運行,屆時我國將組建與國際空間站同等規(guī)模的中國“天宮”空間站。

圖7:中國“天宮”空間站

圖片來源:國家航天局

螢火二號——火星探測器:2011年,我國發(fā)射第一顆火星探測器“螢火蟲一號”,但由于探測器未能按計劃變軌,導致任務失敗。據(jù)中國探月工程首任首席科學家歐陽自遠透露:中國將于2020年7月利用長征五號火箭發(fā)射“螢火蟲二號”,通過火星衛(wèi)星、火星著陸器、火星車聯(lián)合探測火星。螢火蟲二號將進行火星表面采樣返回,開展火星構造、物質成分、火星環(huán)境等科學分析與研究。開展火星探測,對地球長期演化研究、發(fā)現(xiàn)人類第二住所以及深空探測具有重要意義。

圖8:螢火二號火星探測器

圖片來源:國家航天局

巡天望遠鏡——中國哈勃:據(jù)我國載人航天工程總設計師周建平介紹,我國在建成空間站后會單獨發(fā)射一個十幾噸的光學艙,將與空間站保持共軌飛行狀態(tài)。在光學艙里架設一套口徑兩米的巡天望遠鏡,分辨率與哈勃相當,視場角是哈勃的300多倍。如果在軌10年,可以對百分之四十以上的天區(qū),約17500平方度天區(qū)進行觀測。巡天望遠鏡將是中國人的“宇宙之眼”,為宇宙構成和演化,暗能量、暗物質、黑洞的研究提供海量的觀測數(shù)據(jù),為我國宇宙科學站在世界前列提供有力的支撐。

圖9:中國巡天望遠鏡——中國哈勃

圖片來源:國家航天局

結語

深邃的太空是人類生存發(fā)展依賴的資源,衛(wèi)星、遙感、導航、太空科學實驗等都與人們的生活息息相關,太空還有無窮盡的秘密等待人類去探索,飛向太空、探索太空、利用太空將會是人類永遠的追求。長征五號為中國航天事業(yè)發(fā)展開啟了一種新的能力,搭建了一個新的平臺,期待著“胖五”搭載更多的航天任務飛的更高,創(chuàng)造中國航天更美好的明天。

12月20日,美國總統(tǒng)特朗普簽署《2020財年國防授權法案》,正式開始創(chuàng)建美國第六大軍種——太空軍。此舉標志著全球空間安全與競爭邁入一個新的時代。作為進入空間的交通工具,此舉將迫使相關國家加快發(fā)展新型火箭技術,以及在此基礎上的空間軍事設施。

“胖五”任重而道遠。