長征5號：集萬千寵愛于一身的“胖五”

（作者：火亮，航天科普專家，本文來自科普中國頭條推送）

我國新一代運(yùn)載火箭長征5號計(jì)劃于11月初擇機(jī)首飛。它是我國目前推力最大的運(yùn)載火箭。其地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力達(dá)13噸，近地軌道運(yùn)載能力達(dá)25噸，這比我國現(xiàn)役火箭的運(yùn)載能力提升了2.5倍以上，火箭整體性能和總體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

（垂直總裝中的長征5號火箭）

昵稱“胖五”

長征5號首次采用5米直徑箭體結(jié)構(gòu)，首次使用無毒無污染的液氫/液氧與液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)組合起飛方案，因而力大無比。此前，我國火箭芯級直徑都是3.35米。由于體格粗壯，所以長征5號的綽號叫“胖五”。其體格之所以粗壯是為了容納更多的推進(jìn)劑，產(chǎn)生更大推力。這樣也可以減少火箭的級數(shù)，從而減少火箭的分離次數(shù)，提高火箭的可靠性。

該火箭的芯一級、二級發(fā)動(dòng)機(jī)都采用液氫/液氧燃料，而助推器采用液氧/煤油燃料。這種同時(shí)采用兩種無毒無污染的低溫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)組合起飛方案在我國是首次。為什么采用這種復(fù)雜的組合起飛方案，這是因?yàn)樾疽患墶⑿径壒ぷ鲿r(shí)間長，所以適宜采用高比沖的液氫/液氧動(dòng)力系統(tǒng)；助推器工作時(shí)間相對較短，因此適宜采用推力大、推進(jìn)劑密度大的液氧/煤油動(dòng)力系統(tǒng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的密度比沖增加。采用這種方案，火箭規(guī)模最小，使用的發(fā)動(dòng)機(jī)臺數(shù)最少，從而可以有效提高運(yùn)載能力與運(yùn)載效率。

其芯級全部采用低溫推進(jìn)劑，這在我國運(yùn)載火箭的研制歷史上也是頭一次。由于液氫溫度為-253℃，液氧為-183℃，所以長征5號內(nèi)部是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于冰點(diǎn)的超低溫，是名副其實(shí)的“冰箭”。由于其燃燒產(chǎn)生的是水，所以實(shí)現(xiàn)了無毒、無污染，這也標(biāo)志著我國在運(yùn)載火箭的可靠性、安全性、適應(yīng)性及環(huán)境友好性方面又上了一個(gè)新臺階。

（長征5號垂直轉(zhuǎn)運(yùn)）

“三化”是寶

長征5號系列火箭采用“一個(gè)系列、兩種發(fā)動(dòng)機(jī)、三個(gè)模塊”的總體思路，貫徹了“通用化、組合化、系列化”的設(shè)計(jì)思想。

“兩種發(fā)動(dòng)機(jī)”是指研制50噸液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)和120噸液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)；“三個(gè)模塊”是指裝有2 臺50噸液氧/液氫發(fā)動(dòng)機(jī)的5米直徑模塊、裝有2 臺120 噸液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的3.35米直徑模塊、裝有1 臺120噸液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的2.25米直徑模塊。采用模塊化的設(shè)計(jì)思想可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)共用，提高可靠性，節(jié)省成本，縮短研制周期。

長征5號在執(zhí)行地球同步轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射任務(wù)時(shí)采用兩級半構(gòu)型火箭直接入軌，在執(zhí)行近地軌道發(fā)射任務(wù)時(shí)采用一級半構(gòu)型火箭直接入軌。這不僅能大幅度提高運(yùn)載能力，而且可以降低成本。其中所謂的半級是指捆綁的助推器。

在長征5號系列的6種構(gòu)型中，推力最大的是以下兩種：

一種是帶4個(gè)助推器的兩級半構(gòu)型,其芯一級、二級直徑均為5米。芯一級采用5米直徑模塊；芯二級采用2臺9噸級推力液氫/液氧發(fā)動(dòng)捆綁；芯一級還捆綁了4個(gè)3.35米直徑模塊。其地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為14噸。它主要執(zhí)行地球同步轉(zhuǎn)移軌道航天器的發(fā)射任務(wù)，將在2017年發(fā)射嫦娥5號月球采樣返回器等。

另有一種是在上述方案的基礎(chǔ)上去掉第二級。其近地軌道運(yùn)載能力為25噸。它主要執(zhí)行近地軌道航天器的發(fā)射任務(wù)，將在2018年發(fā)射20噸級空間站艙段。

（長征5號和5號B）

動(dòng)力十足

長征5號火箭上配有3種12臺全新大推力發(fā)動(dòng)機(jī)，它們均采用無毒無污染的推進(jìn)技術(shù)，且分別是我國最大推力的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、最大推力的液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)和比沖性能最高的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

芯一級上的2臺50噸液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)在國際同類發(fā)動(dòng)機(jī)中處于先進(jìn)水平，使我國液體火箭推進(jìn)技術(shù)的整體水平跨上一個(gè)大的臺階。該發(fā)動(dòng)機(jī)有以下特點(diǎn)：

一是運(yùn)載效率高。它是火箭化學(xué)推進(jìn)劑中能量最高的燃料，比沖最高能夠達(dá)到465秒，比現(xiàn)有常規(guī)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高約50%。

二是推力十分大。與現(xiàn)役上面級液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)相比，50噸液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)真空推力是其9倍，推力室室壓是其2.7倍，氫渦輪泵功率是其15倍，氧渦輪泵功率是其20倍，是我國目前運(yùn)載火箭家族中“龍頭老大”。

三是綠色環(huán)保。其燃燒產(chǎn)物為潔凈度達(dá)99.99%的純凈水，具有綠色環(huán)保、零碳排放等優(yōu)點(diǎn)，是世界上排放種類最少、最綠色環(huán)保的發(fā)動(dòng)機(jī)，因此長征5號運(yùn)載火箭也被成為“綠色火箭”。

芯二級上的2臺9噸級液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)是我國首個(gè)采用先進(jìn)的閉式膨脹循環(huán)方式的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，也是我國目前比沖最高的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，能大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的自身可靠性，可以通過多次啟動(dòng)，助推火箭進(jìn)入地球轉(zhuǎn)移軌道。

4個(gè)助推器上的8臺120噸液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)是我國單臺推力最大、技術(shù)最先進(jìn)、應(yīng)用前途最廣泛的新型動(dòng)力裝置，填補(bǔ)了我國補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)空白，使我國成為世界第二個(gè)掌握高壓補(bǔ)燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的國家。

（長征5號火箭家族）

前景廣闊

按照系列化、組合化思想，長征5號系列運(yùn)載火箭首次實(shí)現(xiàn)了6種構(gòu)型同時(shí)開展總體設(shè)計(jì)，成功解決了6種構(gòu)型同時(shí)優(yōu)化與設(shè)計(jì)的難題。

長征5號火箭首次采用了5米直徑大型箭體結(jié)構(gòu)。5米直徑大型箭體結(jié)構(gòu)不僅僅是結(jié)構(gòu)外形尺寸的簡單放大，而且是從結(jié)構(gòu)形式、材料選擇、制造工藝、制造工裝、試驗(yàn)驗(yàn)證體系的徹底革新。通過長征5號火箭研制，不僅使我國掌握了5米直徑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造能力，也突破了千噸級靜力試驗(yàn)技術(shù)等，同時(shí)大型結(jié)構(gòu)制造也帶動(dòng)了材料、機(jī)械加工、熱處理、焊接、檢測等裝備制造業(yè)的大發(fā)展。

2017年，我國將用長征5號發(fā)射嫦娥5號月球采樣返回器，2018年將開始陸續(xù)發(fā)射3個(gè)20噸級的空間站艙段，2020年將發(fā)射我國首個(gè)火星探測器。它也可用于發(fā)射不同地球軌道大型載荷及其它深空探測任務(wù)載荷，同時(shí)為我國未來載人登月用的重型火箭研制奠定了良好的基礎(chǔ)。

長征5號將實(shí)現(xiàn)我國火箭運(yùn)載能力的大幅度跨越，為我國后續(xù)國家重大航天工程任務(wù)提供高可靠、低成本、無毒無污染、適應(yīng)性強(qiáng)、安全性好、運(yùn)載能力大的先進(jìn)運(yùn)載工具。

編輯：紀(jì)阿黎