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首飞即创纪录! 多项黑科技助力长征五号B运载火箭一飞冲天!
来源:中国航天科技集团  2020-05-06 10:25:55
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-9401.html       2020年5月5日18时00分,为我国载人空间站工程研制的长征五号B运载火箭,搭载新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱,从中国文昌航天发射场点火升空。约488秒后,载荷组合体与火箭成功分离,进入预定轨道。

       这是长征五号B火箭的首次飞行任务。任务圆满成功,实现空间站阶段飞行任务首战告捷,拉开了我国载人航天工程“第三步”任务序幕。

长征五号B运载火箭点火瞬间

       长征五号B火箭由中国航天科技集团一院抓总研制,是以长征五号为基础改进研制而成,主要用于我国空间站舱段等重大航天发射任务。从一院了解到,此次任务中,长征五号B火箭运送的载荷质量达到22吨,这是中国乃至亚洲火箭首次发射超过20吨的航天器,进一步奠定了长征五号系列火箭在世界现役火箭运载能力第一梯队中的地位。

       长征五号B运载火箭以长征五号运载火箭为基础改进研制而成,主要承担着我国空间站舱段等重大航天发射任务。或许有读者会问,这哥俩有何不同,长征五号B运载火箭是怎样将这么重的飞船送上天的?中国航天科技集团相关人士给出了答案。


长征五号B火箭全景图
 
       “长五”哥俩使命不同

       从外观上看,长征五号B火箭“身高”近54米,相当于18层楼高,芯级直径5米,近850吨重。与长征五号相比,它的“腰围”一样,轻20吨,个子矮了大约3米。这是因为它比长征五号少了芯二级和级间段,只有一个芯级配备4个助推器,是我国首型“一级半”火箭。

       不过长征五号B火箭的整流罩比长征五号大多了,长度超过20米,足以把十多米长、4米多粗的空间站核心舱装进去。

       除了外观和构型,这哥俩还各有所长。长征五号火箭擅于跑长途,运送目的地包括大约3万6千公里外的地球同步轨道、38万公里外的月球,以及最近距离也有5千万公里的火星。长征五号B则专注于高度200至400公里的近地轨道,这是我国空间站建设的主战场,后续空间站核心舱等主要舱段都要由长五B火箭送上天。

       长征五号B火箭能凭借一级半构型把重磅航天器送入太空,得益于采用氢氧发动机的芯一级,与使用液氧煤油发动机的助推器合理搭配。其中芯一级的2台大推力氢氧发动机,凭借傲视群雄的比冲(用于衡量发动机性能,可以理解为汽车的“百公里油耗”),直接影响着航天器的最终入轨。

       由于长征五号B火箭所承担任务的特殊性,对氢氧发动机提出了极高要求。载人空间站工程的交会对接等任务,好比在太空“穿针引线”,时间有丝毫误差,都可能让对接双方失之交臂,不得不耗费很大代价调整轨道。这要求运载火箭的发射时间“分秒不差”,也就是所谓的“零窗口”发射。长征五号B所用的氢氧发动机,必须确保发射前工作环环相扣、步步流畅,才能不耽误发射窗口。

       另外,长征五号B火箭的加速度比长征五号更快,但在助推器分离后,火箭加速度又会瞬间达到最低。航天科技集团六院长征五号火箭副总设计师王维彬表示,发动机入口面对大起大落的压力,会给发动机的稳定、可靠工作带来巨大挑战。氢氧发动机研制队伍开展了大量研究改进与试验验证,逐一攻克难点,进一步提高了发动机工作可靠性和稳定性。


 
       多项瘦身举措收益可观

       对于多级火箭来说,芯一级、助推器减重,对提高运载能力的影响并不明显。而对于一级半入轨的长征五号B火箭来说,芯一级减重多少,运载能力几乎就可以提高多少;助推器减重与运载能力提高的比例也高达1.25:1。减重收益相当可观。

       长征五号B火箭的芯一级尾段位于箭体最后,不仅是发动机舱,当火箭竖立在发射台上时还能起到支撑作用。此前长征五号火箭的尾段,采用的是组合梁结合分瓣玻璃钢底板的结构方案。而在长征五号B火箭研制中,航天科技集团一院703所把大直径大厚度碳纤维复合材料“3+2”蜂窝夹层结构整体成型技术,用在了一级尾段的壁板和防热板结构成型中,实现减重约400公斤。

       该火箭助推器的减重也颇具特色。据航天科技集团八院长五系列项目办主任张修科介绍,长征五号火箭的助推器如同4位壮汉,分别用“单肩”扛着芯级,这对“肩膀”的结构提出了很高要求。而在长征五号B火箭身上,研制团队创新运用杠杆原理等,在捆绑点、助推器头锥中装上了4根“扁担”,变“单肩扛”为“双肩挑”,分散了受力。同时辅以先进的结构计算方式,综合改进头锥的结构,减重效果明显。助推器头锥、气瓶等方面的改进,共减重约600公斤。

       长征五号B火箭上采取的许多减重措施,未来也将应用在长征五号火箭上。

       据中国载人航天工程办公室消息,长征五号B火箭首飞成功,验证了火箭总体方案、各分系统方案的正确性、协调性,突破了大尺寸整流罩分离技术、大直径舱箭连接分离技术、大推力直接入轨偏差精确控制技术等一批新技术,为我国空间站在轨建造任务奠定了重要基础。


 
       整流罩不止于大

       长征五号B火箭身上还有多项国内首创的黑科技,比如整流罩。

       整流罩是运载火箭的重要组成部分,用于保护卫星或其他有效载荷免受气动力、气动加热及声振等有害环境的影响。长征五号B火箭拥有目前我国最长最大的整流罩,整流罩长达20.5米,相当于6层楼高,直径达到5.2米。如此宽敞的空间,是为发射空间站核心舱和实验舱而量身打造。

       为了改善气动特性,该整流罩采用了冯·卡门曲线外形。冯·卡门曲线是一种非线性曲线,可以更好地减小空气阻力,减轻载荷所受影响。但如此外形的整流罩,展开之后并不是一个平面,而是立体的,制造难度高于传统的锥形整流罩。

       作为我国长度最长、重量最重的整流罩,另一个技术难点在于如何保证分离时的安全可靠。经过多方案对比,科技人员确定采用旋转式分离方案,并为此开展了大量仿真分析,以及多次整流罩分离试验,有效验证了设计正确性和各系统接口协调性。
文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-9401.html