長征五號技術參數解讀：可同時將16輛小轎車送入太空

「長五、長六和長七，後面來了個長十一。要說哪個最威武？還要看我們長五。」這是中國航天科技集團長征五號火箭研製團隊的一句口頭禪。自1970年長征一號首飛以來，長征系列火箭已經出色地完成了200餘次發射任務。在2016年11月即將迎來首飛任務的長征五號，為什麼能成為功勛卓著的長征家族中最「威武」的一員呢？我們一起認識一下這個「高大上」的帥小伙吧！

長征五號轉運至發射區

長征五號之「高」

長征五號之「高」，首先體現在其腰圍之「高」。我國現役火箭之前都是通過鐵路運輸，受鐵路隧道大小的限制，腰圍（芯級直徑）最大為3.35米。而長征五號的研製、產業化基地選在了靠海比較近的天津市濱海新區，發射基地則選在了海南文昌，可以通過海路進行運輸，所以長征五號直徑可以達到了5米。

長征五號之「高」，也體現在其身材之「高」。長征五號的個頭在長征家族中也是最高的，有20層樓那麼高，絕對算得上家族裡的「大高個」。

長征五號之「高」，還體現在其噸位之「高」。它不僅是個「大高個」，還是個「大胖墩」，有近869噸重，比家族中第二重的長征七號還要重200多噸。

長征七號於2016年6月25日成功發射升空

長征五號不僅「高」，而且「冷」。不同於目前使用化學燃料的常規火箭，長征五號採用液氫液氧作為推進劑，其燃燒產物是水，對環境不會造成污染。在長征五號800度噸重的身體里，90%是零下252℃的液氫和零下183℃的液氧，這已經接近低溫的極限，長征五號「冰箭」一名也正是來源於此。

長征五號的「高」，更體現在其技術含量「高」之上。

我們知道，火箭每減少3公斤的自重，就能增加1公斤的運載能力。為了給這個「大胖墩」減肥，長征五號的燃料箱採用2219鋁合金材料，這是美國土星五號火箭到太空梭，蘇聯能源火箭和歐盟日本新一代運載火箭廣泛使用的材料。長征五號燃料箱的內壁最薄的地方只有3毫米。如果等比例縮放我們生活中常見的雞蛋的話，這個雞蛋殼的內壁厚度只有正常雞蛋殼的十萬分之四。同時，「消漩防塌裝置」的運用，使得長征五號推進劑剩餘量減少了50%。

箭體加工上使用了先進的攪拌摩擦焊技術。這項技術發明於1991年，1998年才在美國的運載火箭上首次使用。日本則是在2009年發射的H-IIB火箭才首次使用該技術。攪拌摩擦焊和輕質鋁合金的同時使用大大減輕了結構質量，提高了長征五號的運載能力。

長征五號還可以實現一箭多星的發射。這個「大胖墩」一次可以發射更多更重的、功能更全的衛星，將在完成相同發射任務的情況下，使每次的發射費用降低20%-30%。

此外長征五號火箭還是用了電氣一體化設計與冗餘，光纖通道火箭控制系統匯流排等先進技術，這些點點滴滴的進步奠定了新一代運載火箭高水平的基礎。

長征五號之「大」

長征五號之「大」主要體現在其推力大！

長征五號具有25噸的運載能力，可以同時將16輛小轎車送入太空，其運載能力是家族其他成員運載能力的兩倍以上。我國未來航天工程計劃中20噸左右的長期有人照料的空間站、大型空間望遠鏡、返回式月球探測器、深空探測器、超重型應用衛星等發射任務，對長征五號來說都不在話下。

長征五號結構圖（YF-77和YF-100發動機位於火箭最下方）

長征五號巨大的推進力來源於其底部動力強大的兩款發動機——YF-77和YF-100。

我國新一代運載火箭的特點可以用「一個重點、兩種動力系統、三個模塊」來概括，即以發展5m箭體直徑的大型運載火箭基本型為重點，採用50噸級推力氫氧發動機和120噸級推力液氧煤油發動機兩種新型動力運輸系統，以5m、3.35m和2.25m三種直徑火箭為三個基本模塊，通過模塊化的不同組合，形成不同數量的新一代運載火箭系列，滿足各種發射任務的需求。其中，50噸級推力氫氧發動機和120噸級推力液氧煤油發動機兩種新型動力運輸系統都在長征五號上得到了體現。

長征五號「三模塊」構造

YF系列火箭發動機是中國為長征系列運載火箭研發的火箭液態發動機系列，YF取自液態和發動機第一字的首字母。YF-77火箭發動機是中國航天推進技術院（中國航天科技集團公司第六研究院）為新一代大運載火箭長征五號芯一級研製的燃氣發生器循環大推力氫氧發動機。採用雙渦輪分別驅動液氫泵和液氧泵工作方式，具有混合比和推力調節功能，以提高火箭運載能力。發動機於2001年立項研製，歷經十年艱苦攻關，發動機關鍵技術全部突破。YF-77作為氫氧發動機，和其他常規發動機相比有以下特點：

1.高能，單位質量的液氧液氫反應放出的能量高於一般火箭推進劑；

2.零污染，氫氧燃燒產生的唯一物質是水，和推進劑一樣都不是有毒有害物質；

3.推進劑超低溫，液氫的沸點為-252℃，這樣的低溫給發動機工作帶來挑戰；

4.大推力，是中國推力最大的氫氧火箭發動機。

YF-77火箭發動機

YF-100火箭發動機，也是由中國航天推進技術研究院研製，是具有自主知識產權的中國第一代120噸級高壓補燃（又稱分級燃燒循環）液氧煤油火箭發動機。YF-100火箭發動機可以產生高達500個大氣壓的壓強，相當於把上海黃浦江的水抽到5000多米高的青藏高原。

YF-100火箭發動機採用自身啟動，混合比和推力可調節，單渦輪泵布置，其性能達到了國際液氧煤油發動機的先進水平，是中國上世紀90年代中期研發的85噸推力發動機的挖潛型，其前身是90年代中國從前蘇聯獲得的RD-120發動機。2000年YF-100通過中國國家立項，於2012年5月28日通過中華人民共和國國家國防科技工業局驗收。

YF-100液氧煤油發動機具備諸多優點：

1.沒有污染，液氧和煤油都是環保燃料，而且易於存貯和運輸；

2.經濟，推進劑比常規發動機的便宜60%；

3.可靠性高；

4.推力大，研製成功即成為中國推力最大的液體推進劑發動機；

5.採用了世界上最先進的高壓補燃循環系統；

6.性能高，在最高壓力、渦輪功率、推進劑流量等設計參數上，比中國現役主力發動機高出數倍；

7.可重複使用，在台架試驗階段可以進行多次試車，而且試車後仍可用於發射，不必每次測試都報廢一台昂貴的發動機。

YF-100火箭發動機

長征五號之「上」

長征五號之「上」體現在其綜合性能的優異之上。長征五號的綜合性能已經可以比肩歐美同類型火箭。

在火箭綜合指標上說，長征五號的近地軌道（Low Earth Orbit,LEO）軌道運載能力不僅超過了歐洲空間局阿里安5和日本H-IIA/B，也超過美國的阿特拉斯V火箭和俄羅斯的安加拉火箭，尤其是由於文昌發射場緯度較低外加高性能氫氧發動機的優勢，在地球同步軌道（Geostationary Transfer orbit, GTO）軌道運載能力上以14噸對7.5噸的優勢遠遠超過安加拉火箭。反觀印度研製全新的GSLV MKIII火箭，其LEO運載能力只有10噸，GTO運載能力不到4.5噸。可見，長征五號優異的綜合性能使得長征家族在世界火箭家族中的地位得到了進一步的提高。

火箭的運載能力有多大，航天的舞台就有多大。運載火箭技術水平不僅代表一個國家自主進入空間的能力，也體現著其最終利用空間和發展空間技術的能力和水平，是一個國家航天能力的基礎。長征五號的發射，將大幅提升我國探索深度空間的能力，標誌著我國的航天事業進入嶄新的階段。

作者：宋傑，清華大學航空航天學院博士、《環球科學》雜誌特邀科學撰稿人。

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