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长征五号运载火箭设计理念全解读

2016-12-19
倪伟
关键词: 长征五号 设计理念

 万丈高楼,起于设计。

  长征五号运载火箭的设计没有太多经验可以直接拿来,它是真正的跨代研制项目,是在一张白纸上重新画下每一根线。

  运载火箭专家、中国工程院院士龙乐豪说,长五火箭是新一代运载火箭的老祖宗。从这个意义上说,在我国火箭发展史上,长征五号运载火箭与长征二号运载火箭有着相似的意义。长五火箭启动研制是为了全面提升我国进入空间的能力,而不是以发射某个特定载荷为目标。

  “以前是两地之间需要一条路,于是就修这么一条路。而研制长五火箭是修一条高速公路,把沿线地点都带动起来。”长五火箭总设计师李东说,这是设计理念上最重要的突破,表明了顶层决策的重大进步。

  从2006年10月到2009年2月,用时约29个月,长五火箭在中国航天科技集团公司设计师的计算机里逐渐成型。

  “像一棵树,慢慢长,越来越清楚。”长五火箭副总指挥曲以广形容这一过程。

  12项核心关键技术,247项关键技术,接近100%的技术创新,从设想逐步走进现实。高可靠性、低成本、无毒无污染、高适应性、高安全性……长五火箭跻身国际最先进火箭之列,起步于设计理念的先进。

一:大火箭之大

  “实现大运载能力,一靠大发动机,一靠大结构。”李东说,火箭要么“长高”,要么“长胖”,太高就变得细长,结构强度减弱。所以,大直径变成了必须突破的屏障。

  设计师的难题在于,不仅要大,还要轻。与其他工业产品相比,设计火箭最关键的约束就是重量。

  好钢用在刀刃上,火箭设计师将重量一边省给燃料,一边省给载荷,箭体自身则越轻越好。这一主题贯穿设计始终。

  长五火箭副总设计师娄路亮回忆,为了给箭体减重,设计师曾经历过压力相当大的一段时间。通过智能减载、优化结构、更换材料、创新工艺等措施,他们最终成功为火箭减重。“过程当中,我们大胆趟出了很多前人没有走过的路。”

  长五火箭的创新设计,是从总体优化开始的。

  研制之初,长五火箭就确定了系列化、组合化、模块化的研制思路,力争以最小的投入得到最大的产出。

  长五研制带动的大推力液氧煤油发动机、控制系统的系统级冗余等,已经被新一代运载火箭所共享。

  按照系列化思想,长五同时开展了6种构型的总体设计,从低轨道到高轨道的运载能力实现全覆盖。

  最初设计时,包含5米直径芯级、3.35米直径助推器、2.25米直径助推器几个标准模块,以不同的组装方式可以实现不同的运载能力。

  当年统称为长五火箭的6种构型中,后来分出了长征六号和长征七号,并早于长征五号访问太空。像一棵树,慢慢长,枝叶越来越繁茂。

二:大火箭之力

  大,太大,当然是长五火箭与其他长征火箭相比最重要的外形特征。除了这一点,最明显的差异当属助推器的斜头锥。斜头锥有着优异的气动外形,是减少空气阻力的不二之选。

  但助推器设计的高超之处,远不止如此。

  研制之初,长五火箭总体与助推器分系统经过长时间联合论证,最终定下包括斜头锥、前捆绑主传力、助推主支撑等全新技术在内的助推器方案。当时欧洲阿里安5火箭已经使用了这些技术,但大量关键技术在国内还是空白。

  斜头锥和前捆绑传力,使得助推器从内而外成为一个非对称结构。箭体非对称结构比对称结构的设计更为复杂。

  长五火箭副总指挥兼副总设计师鲍国苗说,一个长五助推器的研制难度,不亚于其他常规火箭的芯级。

  最终,助推器研制时间长达10年,“小小的”斜头锥也经历了六七年才定型。

  助推器设计的唯一宗旨,就是在起飞时提供足够大的推力,克服地球引力。以往的长征火箭,助推器依靠接近尾部的后捆绑点向芯级传力,实现较为容易,但效率不及前捆绑点传力。采用前捆绑点传力,还可以为芯级减轻负担,将节省下来的重量用于载荷与燃料。长五火箭果断选择了前捆绑主传力方案。

  长五火箭竖立时,依靠4个助推器底部共12个支撑点“踮脚”站立。所以在发射瞬间,每个助推器需要将底部3个支撑点的推力最高效地传送到头锥内侧的那个前捆绑点上,带动火箭起飞。助推器内部的力“先扩后收”,轨迹复杂,设计更复杂。

  “这种偏置集中力的计算,在仿真和试验时难度极大。”鲍国苗说。

  难度到底多大?当他们将数字仿真计算的任务交给国内实力最强的高校时,对方起初坦言难以胜任。

  可以说,长五火箭带动了国内复杂结构大偏置力设计、仿真与试验能力的大跨度进步。

三:大火箭之智

  由箭载计算机、传感器、线缆等组成的控制系统,遍布火箭全身,源源不断传输着庞大的数据,并迅速计算出结果,指挥火箭向哪飞、怎么飞。

  “简洁、智慧、靠谱,是长征五号控制系统的设计理念,也是最明显的优点。”长五火箭副总设计师李学锋说。

  长五火箭控制系统采取了大量首创的控制策略,突破了26 项重大关键技术,综合性能指标达到全球先进水平。

  火箭飞行时,要实时控制飞行姿态,保证不偏航,尤其是在飞越大风区时,要避开对箭体结构造成的最大应力,并精确分离、精准入轨。这是控制系统的职责;

  长五点火起飞时,10台发动机一起发力,推力超过1000吨。让这些发动机在飞行中始终提供最大推力,这也是控制系统的职责。

   长五火箭控制系统设计师将火箭飞行控制和燃料利用集成这两个功能统一在了一个数字化网络平台上,既控制飞行姿态,又控制发动机的利用。这种“总线控制技术”为我国新一代运载火箭首创。

  为了提供最大推力,液氧煤油和液氢液氧两种发动机需要被合理分配,甚至点火时间也有毫秒级的先后之分,这就需要采用不同的控制策略。为此,设计师全球首创了大推力发动机精准关机技术。

  类似的全球首创技术,长征五号控制系统一共有5项,打造了全球先进的“火箭大脑”。看起来,火箭一点火,“轰隆”一声就飞了。其实,火箭全身上下都被控制系统精确地调控着。

  “ 这都是精细活儿。”李学锋说,长五火箭里,控制系统的电缆线总重超过1吨。

  而完美干出这些精细活儿的并不是地面上的人,是箭载计算机。

  火箭一旦点火升空,就进入了“自动驾驶”模式。“火箭之眼”——惯性测量组合每20毫秒感知一次火箭的速度、位置和姿态,传送给箭载计算机。计算机飞快运算,指挥火箭实时作出调整。

  长五火箭的高可靠性也有着控制系统的卓越贡献。长五火箭全面采用了系统级冗余技术,核心控制仪器均采用三取二冗余技术,主流的可靠性技术长征五号一应俱全,即使发生了小故障也不影响成功。

  “既然要搞新一代,就搞可靠性最高的。”娄路亮说,长五火箭的设计可靠性达到我国火箭的最高值:0.98。也正因为这么高的可靠性,研制团队对高风险的首飞信心很足。

四:大火箭之助

  液氧煤油发动机和液氢液氧发动机早就被认可为环保、高效、受欢迎的两类液体火箭发动机。半个世纪前出版的《星际航行概论》中,“中国航天之父”钱学森就盛赞过它们。

  但纵观国际航天界,点火起飞时使用异型液体发动机,还要追溯到苏联的能源号火箭。异型发动机“脾气”不同,从点火到建立推力再到平稳起飞,控制难度大于同类发动机同时工作。

  长五火箭芯一级的氢氧发动机推力为50吨级,助推器使用的液氧煤油发动机推力为120吨级。既然如此,芯一级为什么不干脆也使用推力更大的液氧煤油发动机呢?不仅外行人会感到疑惑,在方案落定之前,一些业内人士也曾提出过这个问题。

  这是设计团队在1000多种方案中筛选出的最合理搭配。原因在于,绝对推力并非运载能力的决定性因素。

  当火箭升空之后,火箭对比冲的要求提升,对推力的要求降低。燃烧同样质量的液氢液氧混合物产生的气流速度比液氧煤油更高,能将火箭送往更高的轨道。

  液氢与液氧是当前火箭燃料中最高能的物质,大推力液氢液氧发动机是航天科研水平的标志。我国大推力液氢液氧发动机2001年立项,比长五火箭立项还要早5年。

  发动机是航天航空工业中的一道难关,被称为“ 工业桂冠上的那颗明珠”。为什么这么难?

  长五火箭副总设计师王维彬说,就氢氧发动机来说,它将低温、高温、高压、高转速、高热流密度等极端特性集于一身,在极短时间内发生难以想象的剧烈变化。而大推力比之小推力,又难上加难,“就像建一座普通体育馆和鸟巢的区别”。

  以人为本、安全可靠、绿色环保,是长五火箭研制初期就定下的设计原则。在设计长五火箭时,设计师努力实现了液氢加注时不需要人值守。他们通过应用大量新技术,减轻了人的工作强度,使得发射前准备工作简化。否则,如此大体量的低温火箭,射前准备工作会让人忙碌得难以想象。

五:大火箭之美

  被昵称为“胖五”的长五火箭,身材健壮但比例匀称。

  “很多人感觉看起来很舒服、很漂亮,整流罩和斜头锥都很漂亮。”但设计之初其实并没有考虑到这种美感,李东说,“设计师们只是在寻找一种最合理的设计。”

  整流罩采取了冯·卡门曲线设计,这一由“ 导弹之父”发现的曲线,可以有效地减小空气阻力,减轻载荷影响;助推器采取斜头锥设计,与芯级优美衔接。长五火箭的外形因而圆润而饱满。

  “合理、协调的东西都是美的,人长得漂亮肯定也是比例匀称的。通过设计获得了最合理的外形、最小的气动阻力、最有效的传力方式,各分系统互相协调也是最和谐的,自然就美了。”李东说。

  大火箭之美,其实并非完全由它的曲线和比例判断,与它的色彩、喷绘关系也不大。

  当高达20层楼、壮如小山的长征五号真正矗立在面前时,你会感到:大即是美。在发射一瞬间,地动山摇的时候,这种感觉更加强烈。看到它的人情不自禁赞叹它“ 漂亮”的时候,其实是在说它的“大”。

  因为大火箭的背后,是国家科技能力、制造水平的全面体现,是我国向航天强国、科技强国、制造强国目标前进的实实在在的一步。所以,火箭越大,就越是航天科研实力的壮大,就越是国家实力的强大,就越能在探索宇宙的道路上再跃进一大步。

  荣耀的起点,归于长五火箭的设计师。他们人数多达上万,其中核心人员也多达上千,正值壮龄。副总设计师杨虎军、娄路亮等一批航天青年干将,伴随了长五火箭10年,至今也才40岁左右。

  一位全程参与长五火箭组织工作的人见证了他们的付出,说:“他们把最好的10年献给了这枚火箭。”