2016年11月3日，长征五号运载火箭从海南文昌发射场1号工位发射升空的那一刻，在场的航天人心潮澎湃。

 

“航天一甲子，长五三十年”。没错，从1986年在国家863计划支持下开展新一代运载火箭的论证，到新一代运载火箭中第一个立项研制的型号长征五号首飞成功，他们已经等了30年。

 

作为我国新一代运载火箭系列的基本型，也是目前我国体格最大、推力最大、运载能力最大的火箭，长征五号采用全新设计的箭体结构、动力、电气和发射支持系统，大幅提升我国进入空间的能力，性能进入世界先进之列，为我国新一代运载火箭系列化、型谱化发展奠定坚实的技术基础。

 

“长征五号具有更新换代的意义。毫不夸张地说，这是我国自1975年首次采用3.35米直径运载火箭，41年后在运载火箭领域迎来的又一次跨越。”航天科技集团一院长征五号火箭副总设计师朱曦全说，“这场能力之战、跨越之战、信心之战、未来之战，我们打赢了!”

 

为何航天人如此在意长征五号的首飞任务？　火箭发射前夕，记者走进文昌发射场，采访了任务相关的专家和领导，邀请他们对该问题进行了解答。

 

“大火箭”源自航天工业体系的跨越

 

“长征五号有几个突破，包括新结构、新动力、无毒无污染、高可靠。其中，最核心的突破便是‘大火箭’的结构。”朱曦全说。

 

作为长征系列家族的第17个孩子，与它的兄弟相比，最直观的变化就是长五更高，也更胖了，是家族之中当之无愧的巨无霸。

 

长征五号总长约57米，站起来有20层楼那么高；起飞重量约870吨，相当于170只成年非洲象。它的腰更粗，直径从过去的3.35米增加到5米，因此又被人形象地称为“胖五”。

 

想把火箭“吃胖”，可不是那么容易的事情，长征五号的增肥计划足足实施了30年。哪怕不算前20年的研制期，仅仅是2006年立项后的砺“箭”，长五就花了10年时光。在新一代运载火箭中，长五是最先启动研制的型号，但却比他的两个“弟弟”长六和长七更晚出鞘。

 

“我们常说，航天发展，运载先行，火箭的运载能力有多大，航天的舞台就有多大。而大块头方能有大力气，‘大火箭’是火箭实现运载能力重大跨越的基础。”朱曦全说，“之前我国火箭箭体直径最大的只有3.35米，5米直径大型箭体结构为我国运载火箭首次采用。从3.35到5，需要整个航天工业体系的提升。因此长征五号设计、制造、试验难度之大，前所未有。”

 

“可以说，从设计的能力、加工焊接的技艺，再到地面各种试验，都是一个个飞跃。”航天科技集团一院长征五号火箭副总设计师娄路亮告诉记者，5米直径的箭体结构，意味着从基础的机械加工、贮箱的焊接、铆接所有的工装，都要经受考验。就拿连接贮箱的铝合金环这样一个零部件来说，制造必须有5米的数控机床，焊接必须有支撑基础。再拿火箭的管路来说，是现役火箭的两到三倍，而且跨度大、距离长，容易累积误差，如果克服不了，就导致无法装配。

 

被“大火箭”逼出来的创新包括成功生产我国最大的5米直径贮箱高精度全自动大型焊接设备；实现搅拌磨擦焊技术在火箭贮箱生产中首次应用；制造出难度极大的5米直径的长21米的大型液氢贮箱，是我国目前最大的运载火箭结构件；5米贮箱采用工艺性好的球冠底形状，取消了锁底焊结构，工艺性、可制造性大大提高，为我国火箭史上的首创；改进贮箱液压试验技术，采用液氮进行低温贮箱的地面内压试验，大幅减轻结构重量……

 

大块头光生产出来不行，还得运出去。此时，文昌发射场的建成，恰好解决了这一难题。“正因为长五立项，才有文昌发射场。因为对长五以及今后的大推力火箭而言，空运不行，没有这么大的飞机；陆运也不行；过不了部分隧道；只有海运有可行性。”中国文昌航天发射场工程建设指挥部主任周凤广说，“可以说，航天大国到航天强国的这条路，只有从文昌发射场才能跨出去。”

 

不要小瞧可靠性“0.01”的提升

 

和以往火箭相比，长五是一枚全新研制的火箭，核心技术具有完全自主知识产权。全箭采用了247项核心关键新技术，新技术比例高。而国际上研制新型火箭，包括卫星飞船，采用新技术的比例一般不超过30%。因此，长五的研制复杂程度超过以往任何一个型号的长征系列火箭。

 

不过，它的设计可靠性却达到了历史最高：0.98，比过去最高的执行载人航天任务的长二F火箭的0.97还高，达到或领先国际水平。

 

对0.01，很多人不以为然。可是，对于可靠性而言，这已经是一个不得了的突破了。

 

“火箭的可靠性是一个系统工程，由很多方面构成，涉及到发动机、箭体结构、控制系统、火工品等。全箭的设计可靠性一般要先分配到各个系统，再分配到各个单机。全箭0.98的可靠性意味着部分单机的可靠性可能达到0.9999或者更高。”朱曦全说，“或许换个角度也方便理解，火箭的可靠性是0.98，不可靠性就是0.02，与过去0.03的不可靠性相比，降低了1/3，反过来可以说可靠性标准提高了1/3。如果将来实现0.98到0.99的进步，可靠性标准就将再提升50%。”

 

“火箭的可靠性不会达到1，但可以在设计、生产、试验、管理等方面努力，向1不懈追求。”他说。

 

为了提高设计可靠性，长征五号的核心控制仪器普遍采用了“三取二”的冗余技术。娄路亮对此进行了解释：“双冗余就是有备份，比如一只表不准，还有另一只表可以参照，如果取两者的平均值，结果的准确度也会受一定影响；而三冗余先要进行一次筛选，‘少数服从多数’。比如当三只表出现了不同的示数，可以将偏差较大的那个值去掉，取剩下两个的平均值。这样一来，产品的可靠性就会大大提高。”

 

同时，长五火箭由于具有更大的推力，可以减少火箭的级数，从而减少火箭的分离次数，提高火箭的可靠性。

 

此外，充分的地面试验，可以验证运载火箭的设计方案和生产工艺的合理性，尽可能地暴露问题，检测火箭的各种故障，提高火箭的可靠性。“不仅要找到问题，还要弄清机理，并采取有效的改进措施，同时还要举一反三，看看其他型号有无类似问题。”朱曦全说。

 

对于火箭而言，每减少3公斤的自重，就能增加1公斤的运载能力。“胖五”为了减肥，已经在壳体使用强度高、耐腐蚀、重量轻、成本低的铝合金材料。它还想继续“瘦”下去，就看了看自己的肚子，觉得太肥，就想让肚子里的燃料贮箱先瘦下来。到最后，贮箱的铝合金内壁最薄处只有3毫米。

 

有时，火箭设计师就是要在大推力和轻结构上找平衡。5米直径的薄壁低温贮箱，系我国第一次使用，原先的设计方案行不行呢？

 

朱曦全告诉记者，通过贮箱低温静力试验，贮箱的焊缝出现了一道约300毫米的裂缝，如果裂缝在实际飞行中出现，整个箱体的结构会失稳，飞行就会失败。找准了问题，科研人员就开始攻关，他们发现贮箱箱体能应对的压力虽然超过实际飞行的压力，但没有达到设计压力的要求，后来通过改善受力设计和焊接工艺的综合办法，终于攻克了这个难题。

 

为了让火箭更可靠，长五研制经历了6储箱液氢状态低温静力试验、贮箱的声发射技术试验、助推器分离试验、振动试验、整流罩分离试验等关口，在试验中掌握了第一手的数据，为设计、生产、制造提供了有效地解决方案。

 

探月探火还是要看“胖五”

 

“本次发射是长征系列火箭第238次发射，可以说，这次任务是我国航天史上最具挑战的一次发射。”长征五号首飞任务指挥部质量监督组组长毛万标说，“长征七号运载火箭只是部分检验发射场设备设施，长五首飞任务依然是新火箭、新设施、新保障、新要求，难度大、风险大。从上世纪九十年代开始，国际上航天发射首飞成功率是67%。”

 

最终，长五完美发射。未来，它还将吹响我国运载火箭迈向“新长征”的号角。

 

“长五在绿色、大推力，研发体系，系列化、组合化、模块化，液体发动机技术，运载能力等五个方面实现了重大突破，其中，运载能力的突破非常关键。”国防科工局系统工程司副司长赵坚表示，长征五号具有高达0.0146的运载效率，以及极强的运载能力：它的近地轨道运载能力为25吨级，地球同步转移轨道运载能力为14吨级，地月转移轨道运载能力为8吨级，地火转移轨道运载能力为5吨级。

 

在他看来，长五首飞是我国运载火箭升级换代的里程碑工程，是我国由航天大国向航天强国迈进的重要支撑和显著标志之一。从此，中国航天进入大火箭时代，未来，还会有长征八号等重型火箭的出现，实现国人进军深空的梦想。而且也是头一次步入“航天产业以人为本”的发射时代———高可靠、高安全，绿色、无污染。而且由于长征五号采用“三个模块、两种发动机、一个系列”的发展思路，6种构型同时优化，为客户提供了更多的选择，在国际化上开创了新的发展空间。

 

此次长五首飞的目标很明确，在于验证长征五号运载火箭全箭设计方案正确性：考核全箭完整飞行程序；考核火箭全过程环境适应性；获取火箭全过程飞行数据，全面检验技术指标实现情况；验证运载火箭与发射场、测控系统工作流程合理性。

 

“在新一代运载火箭发展计划里，为了如期实现探月三期的目标，长五遥一、遥二都是试验发射，直到遥三才开展应用发射。”赵坚说。

 

“试验发射必不可少。”娄路亮说，“现在所设0.98的可靠性，只是设计可靠性。拿发动机来说，芯级发动机和助推级发动机单独测试都没问题，但两者联合工作时有什么新情况会发生，只有真正飞天了才知道。”

 

目前，长五的任务定位是为后续探月工程三期、载人航天、火星探测等国家重大科技专项和重大工程的顺利实施提供有力保障。根据国家的规划，长五首飞成功后，长五遥二在明年还有一次试验发射；到了明年年底，长五遥三就将迎接一场硬仗，正式执行探月三期采样返回任务；到2020年，在“胖五”的支持下，中国的火星探测计划就将成为现实。

 

(本报海南文昌11月3日专电)

 

 

 

专家访谈

 

“冰箭”射天，两代航天人锻成“中国芯”

 

———访长征五号运载火箭总体主任设计师黄兵

 

发展航天，运载先行；运载发展，动力先行。作为我国目前最大推力的运载火箭，长征五号最大的亮点之一，就是三型两种新型火箭发动机，提供的总推力达到了1078吨。其中，助推级采用8台120吨液氧煤油发动机，该型发动机已经在长征七号、长征六号首飞任务中表现完美；此外，作为长五火箭一、二级芯级主动力，芯一级为2台起飞推力50吨，共计100吨的氢氧发动机，填补了我国大推力氢氧发动机的空白，芯二级为2台真空推力9吨，共计18吨的高性能膨胀循环氢氧发动机，我国氢氧发动机研制实现了技术上的跨越。

 

“冰箭”比冲大

 

文汇报：为何大家都把长征五号称为“冰箭”?

 

黄兵：因为火箭肚子里装了满满的超低温液氧液氢燃料，那是一个远比冰雪世界更冷的环境。其中液氧达-183℃，液氢温度达-253℃，十分接近绝对零度-273.15℃，我们平时都用热力学温标(K)来表现类似的超低温。

 

文汇报：为何氢氧发动机能成为长征五号的一级主动力，而不是我国现阶段所能掌握更大推力的液煤发动机?

 

黄兵：今年6月已实现成功首飞的长征七号芯一级采用的也是如今作为长征五号助推级的120吨液煤发动机，产生的最高压强达500个大气压，相当于把黄浦江的水抽到5000米高度的青藏高原。以目前的技术来看，推力上要比50吨氢氧发动机大。的确，大火箭离不开大推力，但发动机性能还有一个非常重要的考核指标，即比冲，指单位推进剂的量所产生的冲量，描述的是效率。

 

为了打造新一代运载火箭，上世纪七十年代起，老一辈航天人就开始了液氧液氢发动机的研究；到了上世纪九十年代，在长五的研制过程中，部分专家曾提出新一代运载火箭可使用研制风险较低的液煤发动机；但最后，在对运载火箭的性能进行综合评判之后，还是加紧研发氢氧发动机。

 

因为液氢液氧燃料比冲比液氧煤油高，高比冲意味着高效率，即达到一定推力可使用较少的推进剂，推进剂节约的重量便可分配到运载物上，使火箭的运载能力大大提高。对长五这样的运载火箭而言，我们要追求运载能力，必须使用高比冲的燃料。

 

目前，是否采用氢氧发动机，也成为运载火箭先进性的重要标志之一，掌握大推力氢氧火箭发动机技术，是一个航天大国的必然要求。

 

文汇报：相较常规燃料发动机，超低温的氢氧发动机最大的优势是什么?

 

黄兵：首先就是上面提到的运载效率高。液氢是火箭化学推进剂中能量最高的燃料，氢和氧燃烧所能获得的高空比冲，比现有常规燃料发动机性能提高约50%，是当前已知推进效率最高的化学推进剂火箭发动机。氢氧推进剂的高能效、产生推力所需燃料少的特性，使火箭运载的推进剂重量大幅减少，对于提高火箭的运载能力具有至关重要的作用。

 

其次是环保。相对于普遍具有毒性和强腐蚀性的常温推进剂而言，作为低温推进剂的氢氧燃烧产物为洁净度达99.99%的纯净水，具有绿色、环保、零碳排放等优点。氢氧发动机是世界上排放种类最少、最绿色环保的发动机，因此长征五号运载火箭也被成为“绿色火箭”。

 

“冰箭”隔严寒

 

文汇报：如果用手触摸“冰箭”的外部，会把手冻住吗?

 

黄兵：当然不会。虽然火箭体内90%以上都是这种深低温燃料，但它的外表面温度依然可以一直保持在0℃以上。这是因为燃料的贮箱外都穿着一层“隔寒服”，既保住燃料的温度，又让火箭内部的仪器、设备、电缆等正常工作。

 

这件“隔寒服”不到30毫米，却有三层：“棉花层”又叫“低密度全闭孔泡沫塑料绝热层”，厚度为10-20毫米，由多种原材料按照配比高速撞击混合反应而成。在“棉花层”两侧，“隔寒服”的“里”是一层胶粘剂，不到1毫米，比“棉花层”更适应金属材料的热胀冷缩，且摩擦力大，能同时与金属材料的贮箱和“棉花”完美贴合，设计人员又叫它“缓冲层”。“隔寒服”的“面”是一层蘸胶玻璃纤维织物，非常薄，也叫保护层，可以保护“棉花”不吸收外界水气、不被损坏，更好地发挥隔温性能。

 

文汇报：使用超低温液氧液氢燃料对火箭的设计、使用和维护而言还提出了哪些更高的要求?

 

黄兵：氢氧发动机，特别是液氢，它的低温、低密度、易燃、易爆特性对设计提出了很多要求，特别是安全上的考量，因为氢的沸点和燃点很低，遇到我们肉眼看不见的火星都可能燃烧，浓度达到一定比例甚至会发生爆燃。

 

其次，氢的密度比煤油低，贮箱更大，对材料和工艺都有非常高的要求，尤其是焊接和密封，稍不留神，氢便容易漏出来。此外，不同于液煤所用的遇氧能自燃的化学点火管方式点火，氢氧是用火药点火器点火，点火前要进行预冷。氢氧发动机是典型的低温发动机，工作前要利用液氧和液氢将发动机各类部件的温度预冷至大约-180℃或-250℃，温度高了，发动机工作就会异常。长征五号的预冷模式舍弃了挤压排放遇冷模式，因为会损失燃料；最终采用围绕贮箱，自下而上的循环预冷模式，这是我国第一次采取这种预冷技术。我们从摸清低温介质的特性开始，历经10多轮试验，埋头做了3年。

 

与此同时，还有一些针对全箭安全的处理。比如，火箭操作采用“远控”；系统具有连接器自动脱落的能力；燃料加注后具备一段时间内推迟发射的能力等。

 

共有三种动力循环方式

 

文汇报：为何说长征五号在动力循环系统上也取得了极大的突破?

 

黄兵：原先的火箭，一般只用一种或者两种动力循环系统，而长征五号身上却体现了三种动力循环方式，这太不容易了。助推级液煤发动机采用了较为新颖的高压补燃循环；芯一级氢氧发动机采用了传统的、可靠性更高的燃气发生器循环；芯二级氢氧发动机采用的膨胀循环方式，系我国首次使用，是国内工作时间最长的火箭主动力发动机。

 

文汇报：无论在液氧煤油发动机，还是氢氧发动机，研制试验过程中都曾经出现过故障，您如何看待研制过程中的类似波折?

 

黄兵：发动机的工作太复杂了，组织燃料、高速旋转、低温到高温、常压到高压，极短的时间内一系列细节都要统统应对。无论在哪个国家的发动机研制过程中，前期都有可能经历一系列挫折。只有跨越了这些弯路，不断考核其性能指标，不断地进行试验，才能掌握第一手的反馈数据，不断提高结构的完整性和性能的可靠性，直至达到最完美的方案。“发动机是试出来的”，一点也不夸张。

 

文汇报：如何评价长征五号三型两种新型火箭发动机齐出的意义?

 

黄兵：对于火箭发动机这种高精尖技术而言，那些老牌航天强国的保密措施非常严格，我们只有依靠自主研发。从不会到会，这是一个巨大的跨越；只要打破了这个瓶颈，我相信，在从尝鲜到完美的这个过程，随着我国整个工业水平的提高，我们追赶世界顶尖水平的速度将越来越快。