不简单！从“长五”到“长五B”，必须攻克4大关键技术

北京时间2022年7月18日上午，“问天”实验舱与“长征五号B”遥三运载火箭组合体自文昌发射场垂直总装厂房转场至101发射工位，发射任务准备工作进入最后阶段。

“问天”实验舱的起飞质量达到了20余吨，在我国现役火箭当中只有“长五”的运力能够胜任发射工作。针对空间站任务，我国在“长五”基本型基础上研制了“长五B”火箭，后者沿用了前者的芯一级和助推器，去掉芯二级，换用了长达20.5米、直径5.2米的整流罩。从“长五”到“长五B”，看似只需去掉芯二级、换大整流罩这么简单，实则需要突破4大关键技术！

超大整流罩研制

“长五”基本型的整流罩直径达到了5.2米，其中有效载荷最大包络直径4.5米，长度12.267米，如果用于执行空间站任务，直径够了，长度不够。为了能够胜任长度超过15米的空间站舱段运输任务，“长五B”配备了长达20.5米、直径5.2米的国内最大尺寸整流罩，从表面上看似乎只是简单加长了柱段，实则该整流罩的研制是4大关键技术之首！

“长五B”整流罩是世界上规模最大的采用旋转分离方式的整流罩，需要突破气动作用下弹性整流罩分离动力学技术瓶颈，进而掌握空间站大型整流罩可控分离技术。“长五B”运载火箭结构总体副主任设计师冯韶伟，负责长五系列运载火箭结构及分离总体设计工作，他完成了数十项关键参数的协调和优化，解决了低刚度整流罩分离预示难题，验证了分离系统设计的正确性。最终，冯韶伟带领研制团队顺利完成各项功能的闭环设计，并在首飞任务中完成验证。

大直径舱箭分离

任务中，空间站舱段和“长五B”火箭的连接接口直径超过4米，舱段和火箭质量较大，舱箭分离需要考虑可靠性、冲击环境等多个方面的因素。为此，“长五B”需要配置承载能力更强、可靠性更高的线性分离装置，但这种连接方式对机械接口设计、界面降冲击设计提出了新的要求，技术跨度和研制难度前所未有。冯韶伟提出非直接接触式星箭接口设计方案，突破了大直径线性分离装置对有效载荷的降冲击设计难题，实现冲击量级降低70%。

针对空间站任务提出的大吨位舱箭的近场安全分离需求，冯韶伟牵头设计了高可靠、无污染的分离系统方案，实现了世界上在役火箭最大规模星箭分离系统的安全分离。

大推力直接入轨

“长五B”火箭采用一级半构型，末级火箭即芯一级没有单独的调姿和末速修正系统，仅仅依靠芯一级火箭就直接将航天器送入预定轨道。当芯一级2台YF-77液氢液氧发动机关机时，1400千牛（约143吨）的推力在几秒钟之内消失，相当于一辆高速行驶的列车突然“刹车”，并要稳稳地进入指定位置，这要求火箭停得住、停得稳、停得准，对火箭飞行控制提出了很高的要求。

在世界现役其它火箭当中，末级发动机推力最大的是“猎鹰”系列火箭，其芯二级配备了1台“真空默林”液氧煤油发动机，真空推力为981千牛（约100吨），其余大部分火箭的末级发动机推力不到50吨，甚至还有一些中大型火箭上面级发动机推力不足10吨，这些与“长五B”末级（芯一级）发动机推力存在较大差距，没有“长五B”力气太大的烦恼。相较而言，推力更小的发动机通常更容易精准控制推力，以实现载荷精准入轨，而让“长五B”实现大推力直接入轨看起来就像“张飞绣花”，难度可想而知。

“零窗口”发射

作为执行空间站任务的火箭，空间交会对接任务对“长五B”火箭提出了“零窗口”的发射需求，发射时间精度误差要控制在正负1秒以内。但是作为低温火箭，“长五B”面临着低温推进剂加注问题和复杂的发射前流程，实施“零窗口”发射相比常温火箭难度大得多。为了解决这个问题，研制团队对箭上控制系统迭代制导方案进行了优化改进，将“零窗口”拓展到正负1分钟的“窄窗口”，火箭可以在飞行过程中修正偏差，将空间站舱段精准送入目标轨道。

从“长五”到“长五B”遵循了模块化、系列化的研制思路，实现了助推器和芯一级模块的完全共用，不仅降低了研制成本，而且实现了对共性技术的最大验证，提升了火箭的可靠性和任务适应性。空间站任务是中国载人航天工程大舱段近地轨道运输任务，约束条件较多，从“长五”到“长五B”绝不仅仅是构型上的部分变化，而是需要突破超大整流罩研制、大直径舱箭连接分离、大推力直接入轨偏差精确控制、“零窗口”发射等4项关键技术，也就才有了中国运载火箭现役近地最强运力。

放眼世界，“长五B”是一个很特别的存在，是目前世界在役火箭中唯一一级半直接入轨的火箭。虽然研制“长五B”面临较大的技术难度，但是火箭系统简洁，所有发动机的点火都在地面完成，也无需进行级间分离、高空发动机启动等动作，降低了故障发生的概率，拥有更高的可靠性。目前，“长五B”已经先后成功执行了新一代载人飞船、“天和”核心舱等2次发射任务，并在遥二开始进入应用性发射阶段，接下来还将先后执行“问天”实验舱、“梦天”实验舱以及“巡天”望远镜的发射任务，发发皆重磅！

作者：大白高国

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