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“天问一号”发射为何非“胖五”莫属?与上海又有怎样的关系?
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来源:上观新闻 作者:刘锟 2020-07-23 13:47
摘要:长征五号不但承担探火任务,下一步的空间站建设、探月三期等都将由它当担。

离开地球,奔向火星。

2020年7月23日12时41分,长征五号遥四火箭在文昌航天发射场点火升空,成功将“天问一号”火星探测器顺利送入预定轨道。这是长征五号系列运载火箭首次应用性发射,也是我国运载火箭首次执行地球-火星转移轨道发射任务。

探火为何非长五莫属?

作为我国新一代最大推力火箭,长征五号的横空出世并不顺利。

这型寄托着中国深空梦想的大火箭,立项于2006年10月。历经十年,2016年11月3日,长征五号遥一首飞成功,标志着我国运载火箭实现了从中型到大型的跨越和升级换代。不过,长五的第二次飞行却以失败告终。经过两年“归零”攻关,中国火箭人治好了长五的“心病”,2019年12月27日长五遥三火箭,顺利将我国实践二十号卫星送入预定轨道,“胖五”王者归来。

世界航天界有一句话:“火箭的运载能力有多大,航天的舞台就有多大”。长征五号火箭是目前我国研制的起飞重量和运载能力最大的大型运载火箭,高57米,相当于20层楼;箭体直径达5米,打破了我国40余年来3.35米箭体直径结构的限制,而胖胖的身材也让它得了一个“胖五”的称呼。大块头的“胖五”起飞质量达到870吨,起飞最大推力超过1000吨,近地轨道的运载能力25吨、地球同步转移轨道运载能力14吨,比现役长征三号乙火箭运载能力提升2.5倍以上。

长征五号的巨大推力,也拉近了与世界先进水平的差距。目前,俄罗斯现有的质子-M运载火箭最大起飞重量705吨,其近地轨道的运载能力是24吨。美国的猎鹰重型火箭最大起飞重量1420吨,近地轨道运载能力63.8吨。

超强的运载实力,让“胖五”责无旁贷承担起“探火”这个极其重要、难度极高的任务。“天问一号”将一次完成火星环绕、着陆和巡视三大目标,因此其由环绕器、着陆巡视器组成,重量达到5吨左右。5吨重的航天器并不稀奇,但探火任务需要直接将这个5吨重的探测器送入地火转移轨道。也就是说,需要让探测器获得超过11.2千米/秒的第二宇宙速度,让它可以完全摆脱地球引力,去往太阳系内的其他行星或者小行星。

想要获得这个初始速度,目前只有长征五号能够做到。长征五号不但承担探火任务,下一步的空间站建设、探月三期等都将由它当担。

90%起飞推力源自“上海制造”

值得关注的是,在长五遥四火箭托举“天问一号”升空时,其四周捆绑的4个助推器为火箭提供了90%以上的起飞推力,是长征五号运载火箭起飞的主要动力源。而这四个“大块头”,出自上海航天技术研究院。

上海航天技术研究院院长张宏俊表示,长五是我国首个采用助推器支撑的捆绑火箭,4个直径3.35米助推器迄今为止都是国内最大的低温液体助推器。“助推器五脏俱全,相当于一枚单级运载火箭。”每个助推器安装了2台120吨液氧煤油发动机,并为全箭提供竖立状态的支撑。

自2006年10月立项以来,上海航天长征五号型号研制团队先后突破了低温POGO分析和抑制、氦加温增压、尾部防热技术等14项重大关键技术攻关。长征五号运载火箭副总指挥兼副总设计师鲍国苗介绍,当时最具挑战的是国内首个前捆绑点主传力舱体结构,因其能极大地改善芯级部分舱段的载荷环境,提高运载能力,上海航天便成了国内该领域首个“吃螃蟹”的。

长征五号芯级直径达5米,而助推模块直径只有3.35米,根据总体设计方案,火箭采用了助推主支撑的方式:在全箭竖立时,靠分布于4个助推上的12个支撑点停放在发射台上。鲍国苗说,“要实现这种支撑,不仅需要承受住火箭800多吨的自身质量,经受住文昌航天发射场特有的大风等考验。在火箭助推飞行中,还要将几百吨的推力有效传递给芯级并经受发动机产生的复杂热环境考验。

为有效提供全箭尽可能大的起飞推力,长征五号助推器特别采用斜头锥和前捆绑主传力结构。飞行中,助推发动机产生的推力通过头锥上的前捆绑点传递给芯级,在头锥不足0.1平方米前捆绑点处需要承受300多吨的偏置集中力载荷。 鲍国苗形容说,这就像一个人“单肩”扛重物,为了抗住劲,研制团队为头锥量身定制了一款专属的“梁式”承载偏置集中力构型,用3000多个零件铆接而成斜头锥,而锥体与芯级的前捆绑点轴承支座则采用了一体化设计,有效保证了结构的强度。

栏目主编:刘锟 文字编辑:刘锟 题图来源:国家航天局
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