首次发射超“两万公斤”的航天器，长五B如何创下中国火箭新纪录

摘要：刚刚发射的长征五号B火箭，在专门向近地轨道送货的长征火箭中力气最大。

2020年5月5日18时，长征五号B运载火箭在海南文昌航天发射场成功首飞，把近22吨重的新一代载人飞船试验船送入太空。这是中国乃至亚洲火箭首次发射超过“两万公斤”的航天器，进一步奠定了长征五号系列火箭运载能力在世界现役火箭第一梯队中的地位。

长征五号B火箭与长征五号火箭有哪些不同？它是如何将这么重的飞船送上天的呢？

同一系列，不同使命

长五主打高轨卫星、探测器，长五B专攻近地载人空间站

从外观上看，长五B火箭“身高”近54米，相当于18层楼高，近850吨重。与长五火箭比，长五B火箭芯级直径都是5米，矮了约3米，“体重”轻了约20吨。这主要是因为长五B火箭少了一个芯二级和一个级间段，只有一个芯级，也就是“腰”往上少了一部分。

长五B火箭也有4个直径3.35米的助推器（又称为“半级”），因此，长五B火箭是我国首型“一级半”火箭。不过，长五B火箭“头部”——整流罩比长五火箭更大，高度超过20米，连10多米长、4米多粗的空间站核心舱都能装进去。

多一级的长五擅于跑长途，“乘客”目的地包括3万6千公里的地球同步轨道、38万公里外的月球，以及最近距离也要数千万公里的火星。不过，

即便少了一级，长五B火箭在专门向近地轨道送货的长征火箭中，力气仍是最大的，一次能送超过22吨物资，相当于10多辆小轿车的重量。它专注于地球附近约200至400公里的轨道，这里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将由长五B火箭送上天。

同一心脏，不同工况

长五B芯级氢氧发动机，工作条件更严酷、要求更高

长五B火箭只用“一级半”就能把重磅航天器送上天，得益于采用氢氧推进剂的芯一级和采用液氧煤油推进剂的助推器的合理搭配。而芯一级的两台大推力氢氧发动机，又直接影响着航天器的最终入轨。

氢氧发动机的比冲（用于衡量发动机性能，可以理解为汽车的“百公里油耗”）傲视群雄，但其研制难度也极高。长五B火箭所承担任务的特殊性，对芯一级的大推力氢氧发动机提出了更高要求。

载人空间站工程的交会对接等任务，好比在数百公里高的太空“穿针引线”，时间有丝毫误差，都有可能失之交臂，导致耗费更大的代价调整轨道。这要求运载火箭必须严格按照精准的时间发射，达到“分秒不差”，也就是所谓的“零窗口”发射。

长五B火箭芯级使用的氢氧发动机，必须确保预冷等发射前工作环环相扣、步步流畅，不耽误发射窗口。

同时，长五B火箭比长五火箭更轻，但起飞推力与长五火箭相同。用同样的劲向上提更轻的东西，加速度自然更快。而在助推器分离后，火箭加速度又瞬间达到最低。

“就像深海鱼突然跳到喜马拉雅山上，巨大的压力变化会使鱼瞬间爆裂”，航天科技集团六院长五火箭副总设计师王维彬说，发动机的入口面对过山车一样大起大落的压力，给发动机的稳定、可靠工作带来巨大挑战。

为了应对这些挑战，氢氧发动机研制队伍通过大量的研究改进与试验验证，将这些难点逐一攻克，进一步提高了发动机工作的可靠性与稳定性。此外，地面设备等系统采用的远程操作方法，也保证了发动机预冷等环节的安全、顺利推进。

同一大脑，不同思路

优化弹道设计与控制方案，“氢龙偃月刀”也能做“微雕”

除了零窗口和过山车一样的压力，一级精准入轨也是一个巨大的挑战。以往末级火箭的推力都很小，再辅以推力更小的姿态控制发动机，更容易在航天器入轨前对位置与姿态进行微调，从而确保精确入轨。而这次，两台大推力氢氧发动机直接送载荷入轨，就像用大刀做“微雕”，力道极难掌握。

此外，大推力氢氧发动机关机后，还有“后效”，类似燃气灶闭火后的“余火”，这同样会对航天器入轨精度造成影响。

中国航天科技集团方面表示，为了解决大推力精准入轨问题，一方面，发动机研制队伍要确保发动机燃烧稳定，并尽可能给出“后效”预测值。更重要的是，控制系统必须把所有可能的误差考虑进去。

据航天科技集团一院长五火箭副总设计师李学锋介绍，早在长五系列火箭研制之初，控制系统研制队伍就已统筹考虑长五和长五B的任务特点。长五和长五B控制系统的硬件是通用的，已实现产品化；软件也无需大改，即能适应长五B飞行任务。

李学锋说，针对发动机后效等不确定因素，他们用随机“打靶”的方法，模拟出上万种情况，以验证控制系统设计的可靠性。“打靶”实验证明，即便预测的“后效”与实际情况有所出入，控制系统也能确保火箭精确入轨。与此同时，在火箭总体弹道设计上也要充分考虑发动机“后效”的影响，基于发动机校准试车的实际数据进行计算，进一步优化设计方案。

同一模块，不同重量

芯级、助推巧妙减重，进一步提升运载能力

对于多级火箭，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”入轨的长五B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。因此，减重对于长五B的收益是相当可观的。

长五B火箭的芯一级尾段位于火箭箭体的最后部位，不仅是发动机舱，而且在整个火箭竖立在发射台上时起到支撑作用。以前，长五尾段采用的是组合梁结合分瓣玻璃钢底板的结构方案。这次，航天科技人员把大直径大厚度碳纤维复合材料“三加二”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，通过采用轻质化碳纤维复合材料结合铝蜂窝夹层结构方案替代原方案，实现减重约400公斤。

助推器的减重也很有特色。上海航天技术研究院长五系列项目办主任张修科介绍，以前长五的4个助推器就像是4位壮汉，分别用“单肩”扛着芯级，这对“肩膀”的结构提出的要求非常高。在长五B火箭的研制过程中，团队创新采用杠杆等原理，在捆绑点上、助推器头锥中插上了4根“扁担”，变“单肩”扛为“双肩”挑，分散了受力，再辅以先进的结构计算方式，综合改进头锥的结构，实现了可观的减重。助推器头锥、气瓶等方面的改进，实现了减重600公斤。而长五B火箭的许多减重措施，也将应用在长五火箭上。