空間站核心艙發(fā)射在即，這次還是它！

據(jù)中國(guó)載人航天工程辦公室消息，2021年4月23日，中國(guó)空間站“天和”核心艙與長(zhǎng)征五號(hào)B遙二運(yùn)載火箭組合體已轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)，并按計(jì)劃開展發(fā)射前的各項(xiàng)功能檢查、聯(lián)合測(cè)試等工作。

長(zhǎng)征五號(hào)的近地軌道運(yùn)力達(dá)到25噸，同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力達(dá)到14噸，地月轉(zhuǎn)移軌道達(dá)到8噸級(jí)，能執(zhí)行多種航天發(fā)射任務(wù)，將是中國(guó)空間站建設(shè)過程中最核心的運(yùn)載器具。然而，長(zhǎng)征五號(hào)這種級(jí)別的火箭研制在世界范圍內(nèi)都是個(gè)極大的挑戰(zhàn)，對(duì)中國(guó)而言，亦是如此。

造出長(zhǎng)征五號(hào)火箭，有多難？我們只要對(duì)比一下長(zhǎng)征五號(hào)火箭與傳統(tǒng)的長(zhǎng)征家族火箭的差別，就能知道答案，并且也將能理解，為什么它能擔(dān)負(fù)起中國(guó)空間站發(fā)射任務(wù)。

Part.1

新火箭推進(jìn)劑

傳統(tǒng)的長(zhǎng)征家族火箭，包括長(zhǎng)征二、三、四號(hào)火箭都使用四氧化二氮/偏二甲肼推進(jìn)劑組合，它們毒性大、發(fā)射準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、價(jià)格昂貴、比沖偏低。比沖是衡量單位質(zhì)量推進(jìn)劑產(chǎn)生沖量的指標(biāo)，一般來說，這個(gè)數(shù)據(jù)越大意味著火箭推進(jìn)能力越強(qiáng)。相比較而言，液氧煤油、液氧液氫推進(jìn)劑更優(yōu)，也是世界主流大型火箭的選擇。

因而，長(zhǎng)征五號(hào)一大變化是它的核心推進(jìn)劑是由液氧煤油（助推器）和液氧液氫（核心芯一級(jí)、二級(jí)）組合使用。由于液氧液氫的穩(wěn)定儲(chǔ)存溫度極低，分別為零下183和零下253攝氏度，長(zhǎng)征五號(hào)也因而得名為“冰箭”。

Part.2

新火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

更新了推進(jìn)劑，就意味著發(fā)動(dòng)機(jī)也要更新。而一枚火箭發(fā)動(dòng)機(jī)要同時(shí)做到推力大、爆發(fā)力強(qiáng)、材料耐熱也耐冷（從極低溫到數(shù)千攝氏度的燃燒溫度）、結(jié)構(gòu)強(qiáng)、控制精細(xì)、穩(wěn)定性強(qiáng)、質(zhì)量輕等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，談何容易？

這也是發(fā)動(dòng)機(jī)被叫做“火箭心臟”的原因，它的研發(fā)難度直接導(dǎo)致全世界能做出大型火箭的國(guó)家屈指可數(shù)。

展覽中的YF-100K發(fā)動(dòng)機(jī) （開源圖片）

而為了長(zhǎng)征五號(hào)，需要同時(shí)研發(fā)出YF-77（液氧液氫推進(jìn)劑，用于核心級(jí)）、YF-100（液氧煤油推進(jìn)劑，用于助推器）和YF-75D（液氧液氫推進(jìn)劑，用于二級(jí)）三型發(fā)動(dòng)機(jī)，難度可想而知。

Part.3

新火箭上面級(jí)

長(zhǎng)征五號(hào)定位為一種多用途系列火箭，在執(zhí)行高軌和深空探測(cè)任務(wù)時(shí)，還需要攜帶第三級(jí)、或者又可以叫做上面級(jí)，它類似太空擺渡車的效果。為長(zhǎng)征五號(hào)配套的上面級(jí)是遠(yuǎn)征二號(hào)。

在航天領(lǐng)域，一箭N星“撒土豆”并不稀奇，因?yàn)橹亓績(jī)H幾十克的皮衛(wèi)星也叫衛(wèi)星，但如果一次性發(fā)射多個(gè)大質(zhì)量衛(wèi)星進(jìn)入不同軌道則非常復(fù)雜，對(duì)上面級(jí)的要求極高。例如，北斗建設(shè)過程中，就數(shù)次依靠遠(yuǎn)征一號(hào)實(shí)現(xiàn)一箭雙星任務(wù)，節(jié)省發(fā)射次數(shù)。而遠(yuǎn)征二號(hào)實(shí)現(xiàn)了中國(guó)航天上面級(jí)的新一個(gè)重大突破，首次的雙發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)也讓它擁有了極強(qiáng)的機(jī)動(dòng)變軌能力，比遠(yuǎn)征一號(hào)更強(qiáng)，能夠助力航天器進(jìn)入更遠(yuǎn)、更高、更復(fù)雜的軌道。

Part.4

新殼體、新結(jié)構(gòu)、新模塊化組合

航天領(lǐng)域有個(gè)著名但又不失真的“笑話”——“馬屁股決定了運(yùn)載火箭的運(yùn)力”，大意是：當(dāng)初的鐵軌設(shè)計(jì)參照了馬屁股并排時(shí)的寬度，鐵軌寬度決定了車廂設(shè)計(jì)寬度，車廂設(shè)計(jì)寬度決定了隧道設(shè)計(jì)寬度，隧道設(shè)計(jì)寬度決定了最大允許通過火箭箭體直徑，火箭尺寸自然決定了最后的火箭運(yùn)力。

最終的結(jié)果是，此前主力長(zhǎng)征火箭的最大殼體直徑一般為3.35米，再寬就無法運(yùn)到三大發(fā)射中心（酒泉、太原和西昌）。

大國(guó)工匠：高鳳林，圖源：CCTV

而為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)力提升的需求，長(zhǎng)征五號(hào)要求做到5米直徑的箭體，第一級(jí)外還捆綁了4個(gè)3.35米的助推器，總質(zhì)量飆升到了869噸級(jí)別，遠(yuǎn)超長(zhǎng)征三號(hào)B系列的426-459噸級(jí)別[2]，它成了名副其實(shí)的“胖五”，這意味著嶄新的殼體和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。關(guān)于它的難度，推薦讀者們觀看著名紀(jì)錄片《大國(guó)工匠》，第一集就講述了為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和大型殼體做焊接的大國(guó)工匠高鳳林工程師的故事。

此外，長(zhǎng)征五號(hào)還實(shí)現(xiàn)了大型火箭的模塊化設(shè)計(jì)理念，火箭級(jí)數(shù)、是否攜帶上面級(jí)、助推器捆綁方案等都可以按照發(fā)射需求變化，從而衍生出一個(gè)適合多種任務(wù)的長(zhǎng)五家族。

Part.5

新配套發(fā)射場(chǎng)、火箭運(yùn)輸船、生產(chǎn)基地

但顯然，長(zhǎng)征五號(hào)已經(jīng)無法繼續(xù)使用傳統(tǒng)的三大火箭發(fā)射場(chǎng)，需要建設(shè)新的火箭發(fā)射場(chǎng)，這就是位于海南的文昌火箭發(fā)射基地。實(shí)際上，它還有另外兩個(gè)重大好處：周邊都是大洋，火箭殘骸不會(huì)造成任何損失；緯度更低，能更大程度借助地球自轉(zhuǎn)的力量，減少推進(jìn)劑消耗、提升運(yùn)力。

遠(yuǎn)望21和22航天運(yùn)輸船（圖片來源：央廣網(wǎng)和中國(guó)軍網(wǎng)）

2019年年底，長(zhǎng)征五號(hào)發(fā)射飛行試驗(yàn)取得圓滿成功。當(dāng)時(shí)，為了將長(zhǎng)征五號(hào)從海路運(yùn)往文昌，我國(guó)還先后服役了兩艘遠(yuǎn)望21/22航天運(yùn)輸船；為將組裝好的火箭轉(zhuǎn)場(chǎng)至發(fā)射架，還需要建造大型特種火箭運(yùn)輸平臺(tái)；長(zhǎng)征五號(hào)的生產(chǎn)與組裝都在天津的濱海新區(qū)完成（天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司），這里也將成為中國(guó)未來火箭生產(chǎn)體系的靈魂。

這些只是長(zhǎng)五相關(guān)的一部分，但已然可以想象每一點(diǎn)背后都有無數(shù)科研人員常年攻克難關(guān)，也需要國(guó)家強(qiáng)大的人力物力資源、科研和工程技術(shù)實(shí)力作為后盾，缺一不可。

揚(yáng)帆起航，逐夢(mèng)九天！近期，長(zhǎng)征五號(hào)B遙二運(yùn)載火箭將承擔(dān)起我國(guó)空間站核心艙的發(fā)射任務(wù)，祝中國(guó)空間站核心艙發(fā)射成功！

出品：科普中國(guó)

制作：太空精釀監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心（本文中標(biāo)明來源的圖片已獲得授權(quán)）

來源：中國(guó)科普博覽