航天人常說(shuō):火箭運(yùn)載能力有多大,航天舞臺(tái)就有多大。正因如此,作為我國(guó)推力最大、劃時(shí)代的重型火箭,長(zhǎng)征五號(hào)受到了前所未有的關(guān)注。2016年11月首發(fā)成功,2017年7月第二次發(fā)射失利,在沉寂的這兩年半中,下一代寬帶通信衛(wèi)星、探月工程、空間站、火星探測(cè)等重要的航天任務(wù)只能眼巴巴等著。此番“胖五”再次一飛沖天,重新開(kāi)啟了國(guó)人開(kāi)拓航天大舞臺(tái)的憧憬。

長(zhǎng)征五號(hào)遙三火箭的成功發(fā)射,是長(zhǎng)征五號(hào)火箭從失敗中走出的一小步,卻是中國(guó)航天事業(yè)前進(jìn)的一大步!

長(zhǎng)征五號(hào)補(bǔ)齊了中國(guó)航天藍(lán)圖大運(yùn)載的關(guān)鍵短板

圖1:中國(guó)航天實(shí)力圖譜

2018年,中國(guó)航天發(fā)射總次數(shù)達(dá)39次,排名世界各國(guó)航天發(fā)射次數(shù)之首,創(chuàng)造了中國(guó)航天事業(yè)的新高峰。加上此次長(zhǎng)五遙三發(fā)射,2019全年34次發(fā)射依然名列全球第一。以此來(lái)看,我們無(wú)疑是航天大國(guó)。我們已擁全球覆蓋的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——北斗,成功發(fā)射了全球首顆量子科學(xué)衛(wèi)星“墨子號(hào)”等(詳見(jiàn)圖1)。但成熟的重型運(yùn)載火箭缺位,一直是一塊短板。有了成熟可靠的重型運(yùn)載火箭,中國(guó)的航天實(shí)力無(wú)疑可躋身世界航天第一梯隊(duì)(表1)。

表1:世界主要航天大國(guó)實(shí)力對(duì)比

數(shù)據(jù)分析:華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院分析

從運(yùn)載能力上看(圖2),長(zhǎng)征五號(hào)是我國(guó)運(yùn)載能力最強(qiáng)的火箭,通過(guò)與遠(yuǎn)征二號(hào)上面級(jí)組合,可實(shí)現(xiàn)近地軌道25噸級(jí),地球同步轉(zhuǎn)移軌道14噸級(jí),在目前世界所有現(xiàn)役的火箭中排名第三位,僅次于美國(guó)SpaceX的獵鷹重型火箭和ULA的德?tīng)査�重型火箭�?/p>

圖2:世界現(xiàn)役火箭運(yùn)載能力一覽

數(shù)據(jù)來(lái)源:華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院分析

長(zhǎng)五的發(fā)射次數(shù)雖然不多,但由于重型運(yùn)載火箭的重要性以及后續(xù)任務(wù)的迫切性,衍生型號(hào)也趨于成熟。長(zhǎng)征五號(hào)乙取消了第二級(jí)氫氧結(jié)構(gòu),直接利用一級(jí)半火箭發(fā)射,具有更高的可靠性和安全性。其近地軌道的運(yùn)載能力將達(dá)25噸,主要用于發(fā)射載人空間站等高價(jià)值的大型近地軌道載荷。預(yù)計(jì)2020年,我國(guó)將利用長(zhǎng)五乙發(fā)射“天和號(hào)”核心艙,完成天宮二號(hào)空間站的主要構(gòu)造。

圖3:長(zhǎng)征五號(hào)和長(zhǎng)征五號(hào)乙結(jié)構(gòu)圖和核心參數(shù)對(duì)比

長(zhǎng)征五號(hào)奠定了我國(guó)新一代重型火箭的技術(shù)基礎(chǔ)

長(zhǎng)征五號(hào)火箭立項(xiàng)于2006年,屬于一次性大型低溫液體捆綁式運(yùn)載火箭,也是中國(guó)新一代運(yùn)載火箭中芯級(jí)直徑為5米的火箭系列。由于技術(shù)難度大,長(zhǎng)五雖然比長(zhǎng)征六號(hào)、七號(hào)早立項(xiàng),而如今后者早已建功立業(yè),長(zhǎng)五時(shí)至今日才得以煥發(fā)生機(jī)。在研制攻關(guān)中,長(zhǎng)征五號(hào)成功跨越了多只“攔路虎”:

火箭整體技術(shù)——30%到90%的跨越:長(zhǎng)征五號(hào)火箭采用了全新的技術(shù),不同于以往新一代火箭30%的新技術(shù)替代,長(zhǎng)征五號(hào)火箭在關(guān)鍵核心部分應(yīng)用了247項(xiàng)新的技術(shù),新零部件產(chǎn)品替換比例高達(dá)90%,幾乎是從零開(kāi)始,另起爐灶,打造了一款不同以往的全新火箭。而新技術(shù)的應(yīng)用就需要更多次的試驗(yàn)驗(yàn)證,并面臨著更多的風(fēng)險(xiǎn)。公開(kāi)信息顯示,僅長(zhǎng)征五號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)就經(jīng)歷了114次試車(chē),其中失敗4次,還爆炸過(guò)1次,不可謂不艱難,不危險(xiǎn)!

火箭結(jié)構(gòu)技術(shù)——3．35米到5米的跨越:我國(guó)大載荷運(yùn)載火箭長(zhǎng)征三號(hào)乙、長(zhǎng)征三號(hào)丙、長(zhǎng)征二號(hào)F以及長(zhǎng)征七號(hào)火箭的芯級(jí)直徑均為3．35米,從未突破。而長(zhǎng)征五號(hào)是唯一一款直徑5米的大火箭,因?yàn)榘虼笱鼒A,所以被稱(chēng)為“胖五”�；鸺�芯級(jí)直徑從3．35米到5米,并不是簡(jiǎn)單的放大50%,這其中涉及到超大型結(jié)構(gòu)件的整體制造技術(shù)。要想制造5米直徑的芯體結(jié)構(gòu),需要攻克超大型結(jié)構(gòu)件的金屬鑄造、加工、焊接、鉚接等諸多基礎(chǔ)工裝技術(shù),還需要超大型金屬鑄造設(shè)備、機(jī)床加工設(shè)備及性能檢測(cè)設(shè)備等,這是制造能力上一次大的跨越。此外,5米直徑芯體火箭的地面試驗(yàn)也面臨新的需求,之前的試驗(yàn)工位無(wú)法滿(mǎn)足新的助推器分離試驗(yàn)、整流罩分離試驗(yàn)、靜力試驗(yàn)等。

圖4:中國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)主要技術(shù)參數(shù)列表

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火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)——75噸到120噸的跨越:發(fā)動(dòng)機(jī)是火箭最核心的部件,決定了運(yùn)載能力和軌道高度,被稱(chēng)為火箭的“心臟”。之前我國(guó)單臺(tái)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的最大推力只有75噸,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足長(zhǎng)征五號(hào)的動(dòng)力需求。長(zhǎng)征五號(hào)采用了新一代無(wú)毒無(wú)污染的氫氧和液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)組合方式,8臺(tái)120噸液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)分布裝配在四個(gè)助推器上,兩臺(tái)50噸、兩臺(tái)9噸氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)分別裝配在一級(jí)和二級(jí)火箭上。研發(fā)120噸級(jí)的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、燃燒室等幾十種新材料和新工藝。而中國(guó)是世界第二個(gè)全面掌握液氧煤油高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的國(guó)家。

長(zhǎng)征五號(hào)為中國(guó)下一步航天任務(wù)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步

沒(méi)有大推力的重型運(yùn)載火箭,很多大型的空間結(jié)構(gòu)(如空間站),以及更遠(yuǎn)距離的深空探測(cè)就無(wú)法實(shí)施。而長(zhǎng)五的成功將為中國(guó)的航天事業(yè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展打開(kāi)新的大門(mén)。

實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星——升級(jí)版東方紅五號(hào):實(shí)踐二十號(hào)是基于東方紅五號(hào)衛(wèi)星公用平臺(tái)研制的通訊實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星,也是我國(guó)目前研制的最大人造衛(wèi)星,起飛重量8噸,雙翼展開(kāi)達(dá)40多米。實(shí)踐二十號(hào)搭載了多型全新的衛(wèi)星通信設(shè)備,包括我國(guó)目前能力最強(qiáng)的星地激光通訊終端,其傳輸速率可達(dá)每秒4．8G,將滿(mǎn)足未來(lái)5至15年內(nèi)通信、微波遙感和光學(xué)遙感等載荷對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的需求。

此外,“實(shí)踐二十號(hào)”將對(duì)“東五”平臺(tái)的八大項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行全面驗(yàn)證,不僅提升平臺(tái)技術(shù)成熟度,還將推動(dòng)牽引以下一代高容量寬帶通信衛(wèi)星為代表的型號(hào)立項(xiàng)工作。

圖5:實(shí)踐二十號(hào)示意圖

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嫦娥五號(hào)——登月三步走之“回”:嫦娥五號(hào)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)月球的無(wú)人采樣返回,是我國(guó)探月工程規(guī)劃三步走“繞落回”的最后一步,也是我國(guó)探月工程系列任務(wù)中的關(guān)鍵一環(huán)(圖6)。探月工程三期立項(xiàng)于2011年,計(jì)劃由長(zhǎng)征五號(hào)火箭將嫦娥五號(hào)送入地月轉(zhuǎn)移軌道,并在月球表面實(shí)現(xiàn)軟著陸。嫦娥五號(hào)上升器在采集完月球表面樣品后與軌道器對(duì)接并返回地球軌道,最后由返回飛行器進(jìn)入大氣層著陸。

嫦娥五號(hào)不僅首次帶回大量月球樣品,拓展我國(guó)深空探測(cè)領(lǐng)域,同時(shí)也將驗(yàn)證我國(guó)的軌道測(cè)量與飛行控制精度、上升器遠(yuǎn)程導(dǎo)引控制(軟著陸與再發(fā)射技術(shù))、飛行器遠(yuǎn)程對(duì)接等天地協(xié)同控制技術(shù)。同時(shí)將“嫦娥五號(hào)是中國(guó)下一步載人登月,以及未來(lái)建設(shè)月球基地等探月任務(wù)中的關(guān)鍵一環(huán)�！�

圖6:我國(guó)探月工程系列任務(wù)之“繞落回”

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天和號(hào)——天宮空間站核心艙:“天和號(hào)”全長(zhǎng)接近17米,直徑4．2米,重約20噸,只有長(zhǎng)征五號(hào)火箭可以完成發(fā)射任務(wù)。天和號(hào)核心艙是未來(lái)中國(guó)空間站的主控艙段,不僅承擔(dān)未來(lái)中國(guó)空間站的指揮控制中心角色,也將為航天員提供生活和實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)所。

目前,天和號(hào)核心艙已經(jīng)研發(fā)完畢,正處于“衛(wèi)星等火箭”的階段,預(yù)計(jì)2020年由長(zhǎng)征五號(hào)乙火箭發(fā)射升空�！皢�(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ和“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ正處于研發(fā)階段,計(jì)劃于2022年發(fā)射,并與“天和號(hào)”對(duì)接。待后續(xù)“天舟”貨運(yùn)飛船和“神州”載人飛船入軌運(yùn)行,屆時(shí)我國(guó)將組建與國(guó)際空間站同等規(guī)模的中國(guó)“天宮”空間站。

圖7:中國(guó)“天宮”空間站

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螢火二號(hào)——火星探測(cè)器:2011年,我國(guó)發(fā)射第一顆火星探測(cè)器“螢火蟲(chóng)一號(hào)”,但由于探測(cè)器未能按計(jì)劃變軌,導(dǎo)致任務(wù)失敗。據(jù)中國(guó)探月工程首任首席科學(xué)家歐陽(yáng)自遠(yuǎn)透露:中國(guó)將于2020年7月利用長(zhǎng)征五號(hào)火箭發(fā)射“螢火蟲(chóng)二號(hào)”,通過(guò)火星衛(wèi)星、火星著陸器、火星車(chē)聯(lián)合探測(cè)火星。螢火蟲(chóng)二號(hào)將進(jìn)行火星表面采樣返回,開(kāi)展火星構(gòu)造、物質(zhì)成分、火星環(huán)境等科學(xué)分析與研究。開(kāi)展火星探測(cè),對(duì)地球長(zhǎng)期演化研究、發(fā)現(xiàn)人類(lèi)第二住所以及深空探測(cè)具有重要意義。

圖8:螢火二號(hào)火星探測(cè)器

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巡天望遠(yuǎn)鏡——中國(guó)哈勃:據(jù)我國(guó)載人航天工程總設(shè)計(jì)師周建平介紹,我國(guó)在建成空間站后會(huì)單獨(dú)發(fā)射一個(gè)十幾噸的光學(xué)艙,將與空間站保持共軌飛行狀態(tài)。在光學(xué)艙里架設(shè)一套口徑兩米的巡天望遠(yuǎn)鏡,分辨率與哈勃相當(dāng),視場(chǎng)角是哈勃的300多倍。如果在軌10年,可以對(duì)百分之四十以上的天區(qū),約17500平方度天區(qū)進(jìn)行觀測(cè)。巡天望遠(yuǎn)鏡將是中國(guó)人的“宇宙之眼”,為宇宙構(gòu)成和演化,暗能量、暗物質(zhì)、黑洞的研究提供海量的觀測(cè)數(shù)據(jù),為我國(guó)宇宙科學(xué)站在世界前列提供有力的支撐。

圖9:中國(guó)巡天望遠(yuǎn)鏡——中國(guó)哈勃

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結(jié)語(yǔ)

深邃的太空是人類(lèi)生存發(fā)展依賴(lài)的資源,衛(wèi)星、遙感、導(dǎo)航、太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)等都與人們的生活息息相關(guān),太空還有無(wú)窮盡的秘密等待人類(lèi)去探索,飛向太空、探索太空、利用太空將會(huì)是人類(lèi)永遠(yuǎn)的追求。長(zhǎng)征五號(hào)為中國(guó)航天事業(yè)發(fā)展開(kāi)啟了一種新的能力,搭建了一個(gè)新的平臺(tái),期待著“胖五”搭載更多的航天任務(wù)飛的更高,創(chuàng)造中國(guó)航天更美好的明天。

12月20日,美國(guó)總統(tǒng)特朗普簽署《2020財(cái)年國(guó)防授權(quán)法案》,正式開(kāi)始創(chuàng)建美國(guó)第六大軍種——太空軍。此舉標(biāo)志著全球空間安全與競(jìng)爭(zhēng)邁入一個(gè)新的時(shí)代。作為進(jìn)入空間的交通工具,此舉將迫使相關(guān)國(guó)家加快發(fā)展新型火箭技術(shù),以及在此基礎(chǔ)上的空間軍事設(shè)施。

“胖五”任重而道遠(yuǎn)。