火箭有多大，舞台就有多大：中國長征五號重型運載火箭
圖：即將首飛的長征五號火箭
11月初我國新一代運載火箭系列中的大型火箭長征五號即將首飛，長征五號火箭使用無毒無污染的新一代高能推進劑組合，採用了大量高新技術，運載能力比老一代運載火箭提高了兩倍多。長征五號是我國運載火箭更新換代的里程碑，顯著提高了我國進入空間的能力，是我國從航天大國邁向航天強國的標誌。
大火箭的研製歷程
冷戰結束前後，歐美日等發達國家競相研製新一代運載火箭，如美國的宇宙神4和德爾塔4，歐洲的阿里安5和日本的H-II系列火箭。即使是歐美的老一輩運載火箭也和彈道導彈項目有著千絲萬縷的聯繫，而新一代運載火箭立足軍民用航天發射，不僅運載能力有了很大的提高，還應用了更先進的技術和設計，具有更高的可靠性、安全性和環保性能。
20世紀80年代，我國第一代運載火箭逐漸完成發展的同時，中國航天也在醞釀新一代運載火箭的論證和研製，863計劃中就專門提到要研製新一代運載火箭。從1986年開始，中國航天進行了長時間的論證，進行了關鍵技術的預先研究，完成了新一代火箭的總體方案的初步論證。早期完成關鍵技術突破後，2000年和2001年120噸級液氧煤油發動機和50噸級液氧液氫發動機正式立項，進入工程研製階段，並陸續開始熱試車點火。各項分系統的研製步入正軌後，2006年新一代運載火箭中的頂樑柱，也就是被我們稱為大火箭的長征五號運載火箭正式立項，此時距離新一代運載火箭開始論證已經過去了20年。
圖：YF-100型120噸級液氧煤油發動機是新一代運載火箭的主發動機
長征五號火箭研製過程中，先後完成了120噸級YF-100液氧煤油發動機和50噸級YF-77液氧液氫發動機的定型，以及5米大直徑液氧和液氫儲箱的試驗，又分別通過了5米液氧液氫芯級和第二級的動力系統全程熱試車試驗。大火箭還進行了助推器分離試驗和整流罩分離試驗，並在新建的亞洲最大的振動塔上完成了大火箭的全箭振動特性試驗，循序漸進的為火箭的首飛鋪平了道路。長征五號火箭助推器使用的YF-100型120噸級液氧煤油發動機也是新一代火箭的長征六號和長征七號的主發動機，2015年9月20日和2016年6月25日，長征六號火箭和長征七號火箭先後首飛成功，YF-100液氧煤油發動機通過實際飛行試驗的考驗，也為長征五號火箭的首飛成功奠定了堅實的基礎。
圖：芯級的5米低溫儲箱靜力測試試驗曾是長五研製的攔路虎
2015年9月20日，長征五號火箭在天津港上船，遠望21和22號將其運送到文昌衛星發射場。2015年底到2016年初，長征五號運載火箭在文昌發射場進行了首飛前最後的實戰演練-發射場合練工作。長征五號火箭的合練進行了我國規模最大的低溫推進劑的加註、停放和泄出演練，完整考察了長征五號火箭從測試到發射的全部流程，測試了火箭和發射場以及地面系統介面的匹配性。毫不誇張地說，長征五號火箭年底的首飛試驗和年初的發射場合練的區別，只在於最後是否按下了點火發射按鈕。歷時3個月的發射場合練工作的順利完成，為長征五號運載火箭的首飛做好了最後的準備。
大火箭的總體設計
長征五號火箭進行了一系列技術創新，總體設計方案的可靠性和安全性都有了大幅提高。通過一系列關鍵技術的突破，我國運載火箭的研製經驗和技術水平完成了一次飛躍，火箭總體水平達到了國際先進水平。
圖：長征五號的三種標準模塊，通過搭配組合實現通用化系列化和組合化
長征五號火箭緊隨國際主流運載火箭的發展趨勢，按照「通用化、系列化、組合化」的設計思想，提出了「一個系列、兩種發動機和三個模塊」的總體設計思路。一個系列指新一代運載火箭，兩種發動機指50噸級液氧液氫發動機和120噸級液氧煤油發動機，三個模塊指使用液氧液氫推進劑的5米直徑模塊，以及使用液氧煤油推進劑的3.35米和2.25米模塊。21世紀初的規劃中，我國新一代運載火箭都是這三種模塊的搭配組合的產物，其中長征五號火箭以5米模塊為芯級，3.35米和2.25米直徑模塊為助推器，組合出6種不同的構型，近地軌道運載能力為10到25噸，地球同步轉移軌道運載能力為6到14噸。長征五號火箭是我國運載火箭沿著歷史上首次同時開展6種構型的總體設計，也是同時優化這麼多的構型，為我國運載火箭的未來發展積累了豐富研製經驗，奠定了堅實的技術基礎。
圖：長五最初設計方案包括6種構型，但目前只有長征五號（構型E）和長征五號B（構型B）的消息
根據目前的報道，最近幾年實際服役發射的長征五號系列火箭包括11月初首飛的長征五號運載火箭和明年首飛的長征五號B運載火箭，前者是典型的二級半設計方案，後者是一級半設計方案。具體地說，長征五號運載火箭5米直徑芯級使用2台50噸級YF-77液氧液氫發動機，芯級外部捆綁4個3.35米直徑助推器，4個助推器各安裝了2台120噸級的YF-100高壓補燃液氧煤油發動機，長征五號火箭的助推器和芯級都在地面點火，火箭起飛總推力約為1078噸。火箭助推器工作時間約180秒，而芯級工作時間約為460秒，所以助推器被視為「半級」，這也是火箭構型二級半和一級半的由來。長征五號火箭第二級是5米直徑液氫箱加3.35米直徑的液氧箱的設計，液氧箱懸掛在液氫箱之下，這樣的設計雖然比共底儲箱性能差，但要比使用兩個5米直徑儲箱，導致液氧儲箱外形成為一個大餅質量也偏重更合理。第二級使用兩台YF-75D膨脹循環液氧液氫發動機，真空中的總推力約為18噸，工作時間約為700秒，具備二次啟動能力。YF-75D發動機比沖約為442秒，比現役長征三號甲系列火箭的YF-75發動機略有提高。至於長征五號B火箭，作為一種一級半運載火箭，顧名思義它沒有使用YF-75D發動機的第二級。
圖：二級半構型的長征五號設計布局，一級半的長征五號B火箭沒有二子級
對比我國現役的老一代長征二號和長征三號運載火箭，長征五號運載火箭對應型號的級數減少了一級，尤其是長征五號B火箭一級半構型，所有發動機都在地面點火，沒有高空/真空型發動機點火的問題，也減少了分離次數，火箭設計的固有可靠性有了一定的提高。長征五號火箭設計中還大量使用冗餘和預度等手段，進一步提高設計可靠性，同時火箭的控制系統採用了基於1553B匯流排的控制系統，實現了系統級冗餘，這也是我國有史以來第一個全面採用系統級冗餘技術的運載火箭。經過這樣精心的設計，長征五號火箭的設計可靠性達到了0.98，比載人的長征二號F火箭的0.97還要略高一籌，為未來執行各種高價值衛星和探測器的發射，以及用長征五號B火箭發射新一代多用途載人飛船奠定了基礎。
大火箭的性能和應用
長征五號火箭被稱為大火箭，為什麼要這麼說呢？長征五號火箭的大，首先體現在體積重量達大，長征五號火箭芯級直徑5米，助推器直徑3.35米，都比現役長征二號F火箭多出大約一半。長征火箭火箭高度為56.97米，僅次於使用了逃逸塔的長征二號F火箭。長征五號火箭的起飛質量879噸，比長征二號F火箭的498噸高出76%還多。從外形上，肥碩的長征五號就要比瘦削的長征二號F和長征三號B火箭大得多，長征五號也由此收穫了航天愛好者的愛稱「胖五」。
長征五號火箭作為我國十年磨一劍的產物，絕非徒有其表，它使用了高效的推進劑組合和高性能的火箭發動機，讓長征五號火箭的運載能力大有提高，大火箭的大字，還體現在運載能力大。長征五號火箭的地球同步轉移軌道運力為約14噸，長征五號B火箭的近地軌道運載能力約為25噸，是當之無愧的大型運載火箭，這兩個指標不僅比我國上一代運載火箭的紀錄保持者長征三號B和長征二號F運載火箭都提高了兩倍多，對比國際大型運載火箭也是相當出色的。長征五號系列火箭的運載能力高於俄羅斯質子號火箭和安加拉火箭，也優於歐空局的阿里安5系列火箭，對比美國的宇宙神5火箭和日本的H-IIB火箭更是有過之無不及。11月初長征五號火箭發射成功後，它的運載能力將僅次於美國現役的重型德爾塔4火箭。實際使用中長征五號火箭還將根據實際需要搭載遠征二號上面級，具有更靈活的發射能力，11月初首飛的長征五號就將使用遠征二號上面級，將實踐十七號衛星直接送入靜止軌道。
圖：長征五號系列的設計指標，它可用於發射空間站和大型衛星，以及深空探測器
根據2013年公開論文的數據，長征五號B火箭200公里X400公里近地軌道運力為23噸，可以用於發射未來天宮號空間站的大型艙段，以及其他需要部署在近地軌道的大型衛星和飛船。長征五號火箭外加遠征二號上面級，可以將約5.1噸的載荷直接送入地球靜止軌道，也可將至少4.5噸的載荷送入傾角55度高度26000公里的圓軌道。長征五號火箭不僅可以發射9噸級的東方紅五號大型通信衛星，還可以將衛星直接送入靜止軌道，目前只有美國重型德爾塔火箭擁有這樣的運載能力，它還可以用於一箭四星發射北斗導航定位衛星，加速北斗導航系統的部署速度。長征五號火箭的奔月軌道運載能力可達8.2噸以上，明年它將用於發射我國第一顆月球取樣返回嫦娥五號，大火箭運載能力的提高，還將用於發射未來2020年的火箭探測器。根據火箭總設計師李東的文章，長征五號系列運載火箭的近地軌道和地球同步轉移軌道運載能力還具有進一步提升的潛力，有需要的話可以改進火箭，適應運載能力更高的工程需求。
綜述
運載火箭的運力有多大，航天的舞台就有多大。長征五號系列火箭大幅提高了我國進入空間的能力，為我國航天事業帶來了更廣闊的發展舞台。長征五號火箭作為中國由航天大國向航天強國邁進的標誌，首飛成功將是中國航天發展的重要里程碑。
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