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長征五號運載火箭

長征五號運載火箭,又稱“大火箭”、“冰箭”,是我國為滿足進一步航天發展需要,彌補中外差距,在2006年立項研制的一次性大型低溫液體運載火箭。

長征五號運載火箭由中國航天科技集團公司研制,采用通用化、系列化、組合化思想設計。長征五號系列運載火箭由二級半構型的基本型長征五號運載火箭(代號:CZ-5)和不加第二級的一級半構型長征五號乙運載火箭(代號:CZ-5B)組成,運載能力將分別達到地球同步轉移軌道13噸,近地軌道23噸。中國未來天宮空間站的建設、探月三期工程及其它深空探測的實施都將使用該火箭系列發射。

長征五號運載火箭于2016年11月3日在海南文昌航天發射場成功首飛,將實踐十七號技術試驗衛星成功送入預定軌道。

2017年7月2日,長征五號的第二次發射失利,火箭起飛后,因一級火箭發動機問題,發射失敗,火箭與箭上搭載的東方紅五號衛星平臺的首星——實踐十八號技術試驗衛星一起墜入太平洋。受此影響,將于2017年年底發射的嫦娥五號月球探測器被迫推遲。

火箭名稱長征五號運載火箭火箭外號大火箭、冰箭
研制單位中國航天科技集團公司首飛時間2016年11月3日20時43分13.9983秒
LEO運載能力25噸GTO運載能力13噸
箭體長度56.97米起飛質量約869噸
起飛推力約1078噸發射場海南文昌衛星發射中心

火箭設計思路

指導思想

瞄準世界先進水平,實現跨越式發展,努力縮小與先進國家的差距。

實現通用化、系列化、組合化設計,形成高可靠、低成本、無污染、好使用的新型運載火箭。

堅持獨立自主開發,爭取國際合作。

既繼承又創新,力求整體優化,不追求過高的單項技術性能。

設計思想

系列化、通用化、組合化,即不是為某一特定的任務設計火箭,而通過不同模塊的不同組合形成覆蓋各個運力區間的火箭系列。

設計原則

一個系列:即長征五號系列及其衍生的長征七號系列和長征六號

兩種發動機:即120噸級YF-100液氧煤油火箭發動機及50噸級YF-77液氧液氫火箭發動機。

三個模塊:即5米直徑模塊、3.35米直徑模塊和2.25米直徑模塊。

長征五號乙運載火箭

長征五號乙運載火箭(CZ-5B)是長征五號的子型火箭,主要承擔我國空間站艙段發射任務。不同于長征五號基本型火箭,長征五號乙是一級半構型,全箭總長53.7米,芯級直徑5米,助推器直徑3.35米,起飛重量837.5噸,近地軌道運載能力大于22噸。

預計2019年,長征五號乙運載火箭將在文昌航天發射中心首飛,發射我國新一代多用途載人飛船的試驗飛船。

火箭布局結構

長征五號運載火箭分為六種構型,用字母A-F表示,分別對應其下屬的六款火箭。其中構型A、B、C為帶助推器的一級火箭結構(即“一級半”),主要用于發射近地軌道航天器;構型D、E、F為帶助推器的二級火箭結構(即“二級半”),主要用于發射高軌道航天器。其中構型D為基本型。

長征五號采用模塊化設計,火箭各組成部分對應不同的模塊:芯一級對應5米直徑火箭芯級模塊,芯二級對應5米直徑火箭上面級模塊,3.35米直徑助推器對應3.35米直徑火箭助推級模塊,2.25米直徑助推器對應2.25米直徑火箭助推級模塊。四種基礎模塊根據不同方式搭配再加上整流罩等火箭部件就可以形成六種不同構型火箭。

長征五號基本型(即構型D)包含了上述所有4個模塊,涵蓋了系列火箭所有關鍵技術項目,結構具有代表性,下面以它為例進行火箭總體布局介紹。

長征五號運載火箭基本型為帶助推的兩級火箭。火箭由頂至下依次為衛星整流罩、子二級(上面級)、子一級、2個3.35米和2個2.25米直徑助推器。

衛星整流罩采用馮·卡門氣動外形泡沫夾層結構和橫向線性分離裝置。

在芯一級配置2臺50噸級以液氫液氧為燃料的YF-77火箭發動機,第一級燃料箱旁捆綁了四個助推器,3.35米和2.25米直徑助推器交替排列。3.35米直徑助推器配置2臺120噸級以液氧煤油為燃料的YF-100火箭發動機,2.25米直徑助推器配置單臺120噸液氧煤油發動機。芯二級(即上面級)采用改進的長征三號甲三子級膨脹循環氫氧發動機YF-75D作為主動力。每個助推器上有一個穩定尾翼。

芯一級

芯一級采用5米直徑火箭芯級模塊。5米直徑模塊采用全新的大直徑技術,使用液氫和液氧作為推進劑,使用2臺50噸級YF-77發動機雙擺,以及相應的新的增壓輸送系統和伺服機構等。

為了簡化操作、提高可靠性、降低成本,芯級采用獨立結構的貯箱,而不采用共底結構。

長征五號一級氫箱生產中運用銑焊一體技術、內撐外壓技術和輔助支撐技術等手段。長征五號在箭體加工上使用了先進的攪拌摩擦焊技術。

直徑 5.0米
推進劑 液氧液氫
總長度 31.7米
液氧加注量 133.3噸/117.28立方米
液氫加注量 24.7噸/350.69立方米
推進劑加注總量 158.3噸
結構質量 17.8噸
加注后總質量 175.6噸
發動機 兩臺YF-77氫氧發動機
海平面推力 2×510kN
真空推力 2×700kN
海平面比沖 3085m/s
真空比沖 4179m/s
發動機工作時間 480秒

助推器

助推器與芯級的捆綁連接采用成熟的靜定連接方式,為提高火箭的運載能力并改善結構的動特性,采用前支點傳力方式,前支點設在箱間段。為降低分離過程中的沖擊、提高可靠性,火箭的分離系統采用線性分離裝置。助推器與芯級相同采用獨立結構的貯箱。長征五號火箭推進劑儲箱使用2219鋁合金。

1、3.35米直徑助推器

繼承中國長征二號等火箭芯級已有的3.35米直徑技術,使用液氧和煤油推進劑,安裝兩臺120噸級YF-100液氧煤油發動機,再加上與發動機配套的增壓運輸系統和伺服機構等。

直徑 3.35米
推進劑 液氧煤油
總長度 27.6米
煤油加注量 97.5噸/85.78立方米
液氧加注量 37.5噸/44.83立方米
推進劑加注總量 144.0噸
結構質量 12.0噸
加注后總質量 155.7噸
發動機 兩臺YF-100液氧煤油發動機
海平面推力 2×1200kN
真空推力 2×1340.5kN
海平面比沖 2942m/s
真空比沖 3286.2m/s
發動機工作時間 180秒

2、2.25米直徑助推器

2.25米直徑模塊繼承長征二號等火箭助推器已有的2.25米直徑技術,使用液氧煤油推進劑,安裝一臺120噸級YF-100液氧煤油發動機,再加上與發動機配套的增壓運輸系統和伺服機構等。

直徑 2.25米
推進劑 液氧煤油
總長度 25.0438米
煤油加注量 45.5噸/40.03立方米
液氧加注量 17.5噸/20.92立方米
推進劑加注總量 63.0噸
結構質量 6.0噸
加注后總質量 69.0噸
發動機 一臺YF-100液氧煤油發動機
海平面推力 1200kN
真空推力 1340.5kN
海平面比沖 2942m/s
真空比沖 3286.2m/s
發動機工作時間 150秒

芯二級

芯二級采用5米直徑火箭上面級模塊。同樣作為5米直徑模塊,其采用全新的大直徑技術,使用液氫和液氧作為推進劑,采用改進的長征三號甲三子級膨脹循環氫氧發動機YF-75D作為主動力,2次啟動,發動機雙擺,以及相應的新的增壓輸送系統和伺服機構等。另外芯二級采用無毒、無污染輔助動力系統,配有氣氧煤油姿控發動機。

芯二級的液氫箱采用與芯一級氫箱相同的結構形式,液氧箱則采用直徑3.35米懸掛貯箱。

直徑 5.0米
推進劑 液氧液氫
總長度 10.6米
液氧加注量 19.1噸/16.54立方米
液氫加注量 3.8噸/53.95立方米
推進劑加注總量 17.1噸
結構質量 4.8噸
加注后總質量 22.2噸
發動機 兩臺YF-75D氫氧發動機
真空推力 2×81.3kN
真空比沖 4340m/s
發動機工作時間 700秒

整流罩

長征五號有效載荷整流罩外形是馮·卡門外形(原始卵形)+圓柱形,由兩個半罩組成,直徑為5200毫米,分為12.267米、20.5米兩個長度系列,分別用于長征五號和長征五號乙。

整流罩依結構可劃分為端頭帽、前錐段、前柱段、基本圓柱段和橫向分離段五個模塊。

端頭帽采用帶加強框架的層壓玻璃鋼半球殼結構形式,屬中國運載火箭成熟技術。

前錐段為馮卡門外形,采用由碳/環氧面板和聚甲基丙烯酰亞胺(PMI泡沫)芯子組成的夾層結構。PMI泡沫與鋁蜂窩相比具有較高的彎曲剛度和側壓強度,且有較好的熱變形能力,能很好地吻合馮·卡門不可展開曲面成型工藝,而成本可降低20%~25%。

前柱段采用由碳/環氧面板和鋁蜂窩芯組成的蜂窩夾層結構,結構質量輕,結構簡單,屬中國運載火箭成熟技術。

基本圓柱段采用鋁合金半便殼式結構形式,結構適應性強、承載能力大,組合方便、屬于中國成熟技術。

由于氣流的沖刷,在有效載荷整流罩的外表面,特別是端頭帽和前錐段的外表面會產生比較大的熱流,因此有效載荷整流罩需采取防熱措施。有效載荷整流罩的防熱結構,是在外表面粘貼特制的低導熱系數復合材料。

火箭發動機

YF-100發動機

YF-100是一種液氧煤油分級燃燒循環火箭發動機,是中國1990年代中期研發的八十五噸推力發動機的挖潛型。在長征五號系列運載火箭中它將被安裝在火箭的助推器上。YF-100采用先進的富氧預燃分級燃燒循環。YF-100發動機地面推力約120噸,地面比沖約300秒,真空推力約136噸,比沖約335秒,噴口直徑約1.4米,可以65%節流以調節推力。

YF-100可以回收重復利用,指一臺發動機在臺架試驗階段可以進行多次試車,而且試車后仍可用于發射,以減少研制成本。

YF-77發動機

YF-77是一種液氧液氫燃氣發生器循環火箭發動機,將被用于長征五號系列運載火箭的芯一級。YF-77采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,地面推力約52噸,比沖約310秒,真空推力約70噸,比沖約419秒,噴口直徑約1.45米。

YF-75D發動機

YF-75D發動機是中國新一代氫氧上面級發動機,采用膨脹燃燒循環。YF-75D發動機性能現有的YF-75發動機相近,均為真空推力約80千牛和真空比沖約440秒,但可靠性有了很大提高,還可能具備更多的啟動次數,將用于長征五號系列運載火箭的上面級。

系列子型號

  長征五號甲 (CZ-5A) 長征五號乙 (CZ-5B) 長征五號丙 (CZ-5C) 長征五號丁 (CZ-5D) 長征五號E 或長征五號(CZ-5E / CZ-5) 長征五號F (CZ-5F)
其它名稱 CZ-522 CZ-504 CZ-540 CZ-522/HO CZ-504/HO CZ-540/HO
對應火箭構型 構型A 構型B 構型C 構型D(基本型) 構型E 構型F
5米直徑芯級模塊數量/個 1 1 1 1 1 1
3.35米直徑助推級模塊數量/個 2 4 0 2 4 0
2.25米直徑助推級模塊數量/個 2 0 4 2 0 4
5米直徑上面級模塊數量/個 0 0 0 1 1 1
整流罩直徑/米 5.2
整流罩長度/米 約18 約20.5 約13 約18 約20.5 約13
高度/米 約50 53.66 約45 60.5 63.2 約54
起飛推力/千牛 約8200 10780噸 約5800 8350 約10600 約5800
起飛質量/噸 約620 837.5 約460 675 850 約480
發動機臺數/臺 8 10 6 10 12 8
運載能力/噸 LEO:18 LEO:25 LEO:10 GTO:10 GTO:14 LTO:10 火星探測軌道:6 GTO:6
應用   執行中國天宮空間站的艙段、超重型應用衛星等低地球軌道任務     發射嫦娥五號、深空探測器、超重型應用衛星、北斗導航衛星等中高軌道任務  

研制歷史

論證與預研階段

1986年11月中國啟動實施了高技術研究發展計劃,簡稱863計劃。“863計劃”中的第二個重要的高技術領域航天技術領域主題項目之一為大型運載火箭和天地往返運輸系統主題(簡稱為204主題項目)。

90年代,擔任863計劃火箭發動機和大型運載火箭專家組組長的朱森元提出中國新一代運載火箭,必須是低成本、高可靠、無污染、模塊化研制、積木式發展的。該建議在經過論證和完善后,成為中國新一代運載火箭發展的基本原則。

2001年中國新一代大推力運載火箭研制計劃正式立項。這一時期,火箭研制專家組確定了兩條火箭模塊確定原則:一是以火箭發動機推力來確定模塊,包括助推模塊,推力為120噸力(正負20噸),采用液氧煤油發動機,和箭身模塊,推力為50~70噸力(地面推力50噸,真空推力70噸,正負20噸),采用液氫液氧發動機;二是以火箭箭身直徑為模塊,包括2.25米、3.35米和5米箭身模塊。

動力系統方面,二十世紀80年代中國張貴田院士就提出發展高壓補燃液氧煤油發動機的設想,經過其努力863計劃將液氧煤油發動機列入規劃。1988年他率領隊伍開始研究性試驗,到1990年全面開展關鍵技術攻關,1990年從前蘇聯引進了2臺RD-120高壓補燃液氧煤油發動機進行原理研究,此后1995年進行全系統發動機試車。以此為基礎中國開始開發國產YF-100高壓補燃液氧煤油發動機,1998年動力部門取得渦輪泵聯試的成功,為開展高壓補燃液氧煤油發動機鋪平了道路。

2000年9月YF-100大推力液氧煤油發動機通過研制和技術保障條件國家立項,2001年10月轉入初樣研制階段,2005年12月轉入試樣階段。

上世紀90年代中國開始大推力氫氧發動機的研制工作,最終YF-77于2001年12月研制立項獲得批復,發動機關鍵技術攻關全面展開。

方案設計階段

2006年10月國防科工委、財政部聯合批復了新一代運載火箭基本型工程研制的立項進入工程研制。

初樣研制階段

2009年2月20日,長征五號運載火箭通過方案轉初樣階段評審,進入初樣研制階段。

2011年,一級半最大構型長征五號乙立項進入工程研制。

2012年,長征五號系列運載火箭進入大型地面驗證最后階段。

2012年1月11日,長征五號系列運載火箭首件一級氫箱研制成功。

2012年2月,長征五號系列運載火箭順利完成初樣第二輪全箭數字樣機模裝協調工作,在中國火箭史上首次實現了全型號數字工程化應用。

2012年5月31日,長征五號系列運載火箭研制在天津順利完成助推器大型分離試驗,這是初樣研制階段最重要的大型地面試驗之一。

2012年6月,長征五號火箭芯級二級氫箱全面展開液氫狀態低溫靜力試驗。

2012年12月初,長征五號系列火箭首個整流罩在中國運載火箭技術研究院211廠成功下線。

2012年12月28日,長征五號運載火箭全箭振動試驗拉開了序幕。

2013年3月,長征五號系列運載火箭貯箱首次聲發射技術試驗成功。

2013年4月10日,長征五號運載火箭一級氧箱完成了低溫靜力試驗。

2013年6月27日,完成5.2米直徑整流罩分離試驗,是迄今為止中國進行的最大直徑的整流罩分離試驗。

2013年6月29日,長征五號在北京成功進行助推器動力系統試車。

動力系統方面,2009年12月,YF-77轉入試樣研制階段。

2012年5月28日,120噸級液氧煤油發動機項目通過國家國防科工局驗收。

2012年7月29日,YF-100大推力液氧煤油發動機在西安成功進行了極限工況熱試車。

2012年8月17日,YF-77氫氧發動機500秒長程熱試車取得圓滿成功,標志著2014年長征五號火箭首飛發動技術狀態已經確定。

試樣研制階段

2013年7月11日,長征五號運載火箭通過初樣轉試樣階段評審,進入試樣研制階段。

2013年8月21日,長征五號首個箭體總裝進入收尾階段。

2013年10月,長征五號芯一級箭體裝載用大型集裝箱成功研制。

2013年10月16日,長征五號全箭振動特性試驗全面展開。

2013年10月,長征五號火箭助推模塊超大尾翼研制成功。

2014年03月,中國航天科技集團公司一院成立了新一代運載火箭聯合指揮部,統籌管理協調長征五號、長征五號乙、長征七號和固體運載火箭的研制工作。

2014年12月,助推器斜頭錐靜力試驗。

2015年2月9日,芯一級發動機第一次點火試驗。

2015年3月24日,芯一級發動機第二次點火試驗。

2015年4月2日,輔助動力系統試車。

2015年4月14日,上面級分離試驗。

動力系統方面,2014年4或5月,長征五號火箭芯二級氫氧發動機YF-75D進入驗收階段。

2014年6月23日,YF-100通過了工藝鑒定試車,進入工程應用階段。

2014年7月,YF-75D完成高空模擬校準試驗。

發射階段

2016年11月3日,長征五號火箭成功首飛,將實踐十七號技術試驗衛星成功送入預定軌道。

2017年7月2日,長征五號的第二次發射失利,火箭起飛后,因一級火箭發動機問題,發射失敗,火箭與箭上搭載的東方紅五號衛星平臺的首星——實踐十八號技術試驗衛星一起墜入太平洋。受此影響,將于2017年年底發射的嫦娥五號月球探測器被迫推遲。

長征五號運載火箭
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最新更新:2017-11-01 10:47
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