長征五號火箭創新記

　　長征五號是長征系列火箭中第一個直徑達到5米的大胖子，被火箭研制者們親切地稱為“胖五”。想知道這個外表憨厚的“胖五”有哪些精巧有趣的技術創新嗎？請看中國經濟網記者從中國文昌航天發射場發回的報道。

　　新型動力，綠色環保

　　“胖五”作為我國目前最大推力的運載火箭，其最大亮點就是擁有強大的綠色環保的中國芯——三型兩種新型火箭發動機。它們就是2001年立項的50噸級氫氧發動機、2006年立項的9噸級膨脹循環氫氧發動機和2000年立項的120噸級液氧煤油發動機。這是航天科技集團六院“長征五號”新動力研制人員歷經20余年創新攻關交上的優秀答卷。

　　三型發動機各有特色

　　50噸氫氧發動機是“胖五”的芯一級主動力，是我國首臺大推力、高性能、地面起動直接入軌的氫氧發動機，由兩臺獨立工作的單機通過機架并聯構成，地面推力達100 噸。具有完全自主知識產權、100%國產化，綜合性能達到國際先進水平。它的研制成功，填補了我國大推力氫氧發動機空白，使我國液體火箭推進技術的整體水平跨上一個大的臺階。

　　膨脹循環氫氧發動機在工作過程中，全部推進劑都能無損失地燃燒產生推力，性能高，也因此被業內稱為“最優動力循環”。作為“胖五”的芯二級主動力發動機，9噸級膨脹循環氫氧發動機采用先進的閉式膨脹循環系統，且可以通過多次啟動，助推火箭進入地球轉移軌道。它的研制成功，標志著我國上面級氫氧發動機達到了世界先進水平，實現了重大技術跨越。研制過程中獲得了超高轉速氫渦輪泵技術、主動引射高空模擬試車技術等為代表的一批具有自主知識產權的先進成果。

　　“胖五”的助推級采用了120噸級液氧煤油火箭發動機。這款發動機，是我國單管推力最大、技術最先進、應用前途最廣泛的新型動力裝置，該發動機的研制，填補了我國補燃循環發動機技術空白，使我國成為繼前蘇聯之后第二個掌握高壓補燃循環液氧煤油發動機技術的國家，實現了從常規有毒推進劑開式循環液體推進技術至綠色無毒推進劑閉式循環液體推進技術的巨大跨越。以液氧煤油發動機為主動力的長征五號新一代系列運載火箭，運載能力與國外最先進的“阿里安5”、“宇宙神5”、“德爾它4”、“安加拉”運載火箭達到同一水平。

　　薄皮大餡，堅不可摧

　　長征五號運載火箭這個大胖子，身高約57米，起飛時體重約870噸。大家肯定會覺得，“胖五”外殼必須特別厚重，才能足夠堅固。可是你知道嗎？火箭殼體“蒙皮”厚度是毫米級。

　　火箭的外殼專業術語稱為“蒙皮”，“蒙皮”的主要材料為鋁合金，這種材料強度高、耐腐蝕、重量輕、成本低，在長征三號甲系列、長征二號F等火箭飛行過程中綜合性能最好，是做“蒙皮”的最佳選擇。而且，最重要的一點，鋁合金材料輕，可以為火箭減輕重量，人們形容火箭是“薄皮大餡”，“蒙皮”薄了，就可以裝更多的燃料，“舉”起更重的衛星。

　　火箭要外殼輕薄，更要堅不可摧。為此，航天科技集團中國運載火箭技術研究院的設計人員在設計時，會在“蒙皮”內部用一個個框環和桁條組成一個圓柱型的框架，把框架與蒙皮鉚接在一起，組成火箭的殼段。該院火箭箭體結構設計師邵英翠介紹：“火箭‘蒙皮’很薄、很軟，但根據受力分析進行科學計算、結構優化后，用鉚釘把‘蒙皮’和框架固定，每一殼段有上千個鉚釘，就保證了整體結構的強度和剛度。”

　　當然，如果“蒙皮”過薄，靠不斷加密內部框架來保證堅固性的話，反而會使體重增加，達不到預期效果。因此，設計人員要計算出蒙皮和框環、桁條的最佳配比。隨著技術不斷進步，設計人員計算得越來越精確，火箭結構也越來越優化，“蒙皮”的厚度也隨之變得越來越薄。

　　箭體結構設計人員李操說：“在滿足箭體剛度和強度的前提下，火箭殼體薄了，整個火箭的重量就減輕了，既能保證有效承載，也讓火箭飛行地更完美。”

　　邵英翠說：“以‘長五’火箭為例，火箭整流罩的‘蒙皮’面板厚度只有0.3毫米，在相同剛度下，火箭殼段的重量將減少10%以上。”

　　“冰箭”不冷，三層防寒

　　“胖五”也稱冰箭，因為它肚子里裝滿深低溫液氫液氧燃料，其中液氫溫度達零下253攝氏度、液氧達零下183攝氏度。

　　火箭體內90%以上都是這種深低溫燃料，但火箭并不冷，外表面溫度依然可以保持在0℃以上，這是因為火箭的燃料貯箱外都穿著“防寒服”，讓火箭內部的儀器、設備、電纜等正常工作。

　　“防寒服”有里有面共3層，一共不到30毫米，卻是給火箭保持體溫的利器，“冰箭”不冷全靠它。“防寒服”中的“棉花層”不能直接涂在貯箱金屬表面，因為貯箱受冷收縮時，“棉花”層因收縮性能比金屬小會導致脫粘，影響隔溫效果。所以，它有“里”有“面”。

　　“防寒服”的“里”是一層膠粘劑，不到1毫米厚，比“棉花”層更適應金屬材料的熱脹冷縮，且摩擦力大，能同時與金屬材料的貯箱和“棉花”完美貼合，設計人員又叫它“緩沖層”。

　　“防寒服”的“面”是一層蘸膠玻璃纖維織物，0.9毫米厚，它也叫保護層，可以保護“棉花”不吸收外界水氣、不被損壞，更好地發揮隔溫性能。

　　“棉花”層全稱“低密度全閉孔泡沫塑料絕熱層”，氫箱外表的“棉花”層厚20毫米，氧箱外表的“棉花”層厚10毫米。這種棉花層由近10種原材料按照配比高速撞擊混合反應而成，航天科技集團中國運載火箭技術研究院703所防隔熱材料設計師申雄剛介紹說，這近10種材料分成兩組，都是液體，就像“哥倆好”膠水一樣，一旦混合，會在10秒鐘之內發生發泡反應、固化成形。

　　“長五”火箭“棉花”層與其他火箭不同，因為選用了新型發泡材料，其他材料的比例等也變了，申雄剛說，材料研制人員為此做了千余次試驗，研究新型“棉花”層的性能。

　　數字總裝，自動合體

　　過去，我國運載火箭芯級的貯箱、箱間段“合體”靠手動完成。現在，“胖五”大火箭卻實現了數字化總裝、“自動”對接。

　　過去，我國現役運載火箭芯級的最大直徑是3.35米，貯箱長10米左右，它們的貯箱、箱間段“合體”時，需要有人用肉眼辨別貯箱和箱間段的對接處是否吻合，再由多名總裝工人手動調整貯箱和箱間段的位置和姿態。但“胖五”的貯箱直徑5米、長20米、重5噸，“眼看、嘴喊、手工推”的老辦法不管用了，不僅費時費力，難以實現精確對接，還可能給大火箭造成損傷。

　　2012年，航天科技集團中國運載火箭技術研究院所屬的天津火箭公司成立了集合多名“精兵強將”的“智能制造總體技術組”，負責數字化總裝對接裝備的研制和技術攻關工作。

　　人們設想著：用測量系統代替人的眼睛觀察箭體位置和姿態；用控制系統代替“喊號手”處理測量系統的數據，并向機械設備系統傳送控制指令，讓機械設備系統調整箭體位置、姿態，完成對接。

　　攻關展開后卻冒出了“攔路虎”。數字化總裝對接技術負責人李新友回憶說：“由于貯箱是‘弱剛性’部件，在停放和調姿時，可能會因機械設備系統的擠壓而受損。同時，由于箭體質量重達5噸，研制人員還要考慮機械設備的承重問題。作為總裝對接裝備的‘大腦’，控制系統要向機械設備系統的各‘關節’發號施令，而每個‘關節’的動作又不相同，這就加大了控制系統的壓力……”

　　技術組的研制人員一方面創新思路，一方面積極與相關科研院所、高校、生產單位展開協同，最終成功“斬虎”。2013年底，他們完成了測量系統、控制系統、機械系統的生產及驗收，并開展相應的試驗和改進工作。

　　2016年春，長征五號首飛箭的總裝工作全面鋪開，經過反復“練兵”后，大火箭芯一級的數字化總裝對接順利完成。

　　李新友說：“大火箭芯一級貯箱告別‘手動合體’，讓我們完成了火箭制造工藝的升級，標志著我國成為繼美國等航天強國后又一個掌握數字化總裝對接技術的國家。”

　　仿真試驗，又快又省

　　“胖五”采用了全數字化三維設計方法，這讓它的研制過程又快又省。

　　“臺上一分鐘，臺下十年功”，研制人員通過先進的“數字試驗”技術，在真實試驗前，早已進行了成百上千次的“預演”。

　　一臺投影儀、一個幕布……這種在會議室才常見的設備，卻是技術人員進行“數字試驗”設計演示的常用工具。試驗件運輸、吊裝、裝配……逼真的試驗件、清晰的試驗流程，“數字試驗”呈現的是一組組視頻動畫。可有時不足一分鐘的動畫，卻要花上試驗人員好幾個月的時間。

　　“關鍵在計算！要保證仿真試驗的可信度。” 航天科技集團中國運載火箭技術研究院的試驗人員說。以前，試驗準備經常是依賴經驗、靠想象。可現在，全憑計算和仿真。試驗怎么做，要像演電視劇一樣，試驗人員得提前“寫劇本”。

　　技術人員說，長五火箭個頭兒最大，它的很多地面試驗幾乎都是全新的。就拿長五火箭全箭模態試驗來說，芯一級和助推器“進塔”不光是個力氣活兒，更是個技術活兒。雖說天津全箭振動塔幾乎是為長五火箭“量身打造”，可火箭要想一次進塔成功，試驗人員都得巧妙地“排兵布陣”。

　　通過動畫，能夠看到1、2、3、4 號助推器“四兄弟”誰先進、誰后進，得根據塔高、寬、長排次序。甚至連助推器是“頭”先進還是“尾”先進、吊裝傾斜角度等這些細節，都要靠試驗人員通過計算來確定。

　　真實試驗中，長五火箭一次進塔成功。如果沒有預先進行的“數字試驗”，這一路不知會有多少磕磕碰碰，甚至反復。

　　技術人員說，“數字試驗”不光是對試驗進行預演，更重要的還能“預見”試驗可能發生的故障，讓問題提前暴露、提前解決。在一次次試驗預演、實戰中，“數字試驗”技術不斷優化，為長五火箭等新研型號的地面試驗“一次成”發揮了重要作用。

　　全景天窗，通訊暢通

　　過去，我國在役火箭的整流罩都是金屬鋁“三明治”結構，上下兩層金屬鋁板，中間夾層是蜂窩結構，這使得內部的衛星信號受到金屬“屏蔽”，衛星裝在里面無法與外界通訊，必須在整流罩上開個“天窗”，用其它透波材料打個“補丁”，才能保持衛星與地面通訊暢通。

　　而長征五號火箭整流罩，創新性地采用了全透波結構，讓原來的“小補丁”變成了整個整流罩，就像給衛星信號開了“全景式天窗”。

　　航天科技集團中國運載火箭技術研究院長征五號火箭結構設計副主任設計師戴政介紹，長征五號火箭整流罩直徑5.2米，透波材料的泡沫層厚度只有近30毫米，全整流罩厚度必須控制精準，才能保證結構穩定性和可靠性。

　　這給生產帶來了大難題，戴政比喻說，泡沫結構要在兩個模具中填充成型，生產時，就好比要在兩個摞起來的大勺子中填充奶油，要保證奶油厚度一致，兩個勺子間間距控制必須精準，否則成型后的產品就不合格，為此，生產車間進行了幾個月的攻關才完成生產，這也換來了衛星的高質量通訊。

　　不僅如此，戴政說：“過去，衛星不同，整流罩上‘開天窗’的位置、結構就不同，沒有通用性，現在的‘全景式天窗’不用考慮‘開天窗’問題，通用性強，后續設計和生產效率都將得到提高。”

　　作為新一代火箭的奠基之作，“胖五”全身上下、里里外外都是“新”的。它應用的先進核心技術多達247項，記者所講述的只是其中一小部分。正是因為有了這樣永不滿足的創新精神，在星辰大海的征途上，中國人的太空探索夢想才能一步步變成現實。（中國經濟網記者 佘惠敏）