科普---中国新型运载火箭长征五号 -6parkbbs.com

长征火箭系列1970到2008

长征五号效果图长征五号是中国研制的新一代重型运载火箭系列，与欧洲阿丽亚娜5基本同级。其设计思想以通用化、系列化、组合化为重点。可搭载两种专门为其设计的火箭发动机，分别为推力为120吨的YF-100液氧煤油发动机和推力为50吨的YF-77氢氧发动机。长征五号系列实行模块化设计，由直径为5米、3.35米和2.25米的三种模块构成。其中5米模块包含两个50吨级的YF-77发动机，3.35米模块则包含两个120吨级的YF-100发动机。模块化设计的好处是可以根据需要把不同模块组装成不同推力的火箭，以执行不同的任务。例如系列中最为强大的型号，以两个5米模块为主推进器，另配有4个3.35米模块为助推器。在长征五号运载火箭和位于海南岛的海南文昌航天发射基地问世后，中国将具备25吨的近地轨道运载能力和12吨的地球同步轨道运载能力，可发射20吨级长期有人照料的空间站、大型空间望远镜、返回式月球探测器、深空探测器、超重型应用卫星等。已于2012年7月29日成功测试120吨级的YF-100发动机，预计将于2014年首次发射。

进入21世纪，随着中国航天事业的发展，对大型运载火箭的需求越来越多。航天五院的东方红四号卫星质量达到了5.1吨，下一代的东方红五号通信卫星将达到更大的6.5~7吨，这已经远超中国同步转移轨道运载能力最大的长征三号乙5.5吨的运载能力。中国载人航天工程在2017年后将进行大型空间站的建设，核心舱质量将达到20吨级别，这更远超现有长征二号F火箭9.2吨的LEO轨道运载能力。嫦娥探月工程在完成嫦娥一号二号的绕月，三号四号的落月后，采样返回的三期工程也需要更大运力的火箭才能实现。再往后的深空探测方面，对火星，木星，近地小行星和小行星带探测，也需要更大运力的运载火箭。因此发展大推力火箭，改变21世纪初大幅度落后于世界运载火箭先进水平的局面，也是迫在眉睫。面对国际商业卫星发射市场和国内未来卫星发射、深空探测的更高需求，同时考虑环境保护、发射安全等因素，发展中国大直径、大推力、高可靠、低成本、无污染的新一代运载火箭被提上重要日程。长征-5号运载火箭问世后，中国航天将具备25吨的近地轨道运载能力和12吨的地球同步轨道运载能力，可发射20吨级长期有人照料的空间站、大型空间望远镜、返回式月球探测器、深空探测器、超重型应用卫星，推动中国空间应用产业、载人航天技术和天文科学的发展，也必将大大提高中国在国际航天发射市场上的竞争能力。

助推器吊装 发展历程: 20世纪90年代中期，中国就开始了新一代120吨级液氧煤油发动机（YF100）的开发工作。 2000年，120吨级液氧煤油发动机项目通过国家立项。 2006年7月3日，中国新一代大型运载火箭120吨液氧煤油发动机（YF100）进行了首次600秒试车并获成功。 2006年10月，长征五号火箭项目被国防科工委和财政部联合立项，由中国航天科技集团下属的中国运载火箭技术研究院研制，成为中国实现载人空间站工程，探月三期工程的重大航天工程项目的关键支柱和发展基石，同时也支撑中国未来深空探测工程的发展。 2007年5月10日，国务院审议通过了《航天发展“十一五”规划》，明确新一代运载火箭为中国航天重大科技工程。 2007年9月6日，中国运载火箭技术研究院与天津开发区管委会签订了《新一代运载火箭产业化基地建设协议》。 2007年10月30日，长征五号运载火箭产业化基地于在天津经济技术开发区西区开工，一期工程于2009年年底竣工并投入使用。[1] 2012年3月，中国大推力运载火箭长征五号进入初样研制的攻坚阶段，计划在2012年12月转入试样研制阶段、2014年实现首飞。[2] 2012年5月31日，“长征五号”助推器大型分离试验在天津顺利完成，这标志着中国“大火箭”初样研制阶段最重要的大型地面试验之一获得圆满成功。同时，“长征五号”亚洲最高的93米全箭振动塔、120吨级液氧煤油发动机项目也分别封顶和通过国家验收。

长征五号及其衍生型号征五号运载火箭的技术可以归纳为：一个重点、两种动力系统、三个模块，即以发展5米直径芯级的大型运载火箭作为重点，发动机采用50吨级推力氢氧发动机和120吨级推力液氧煤油发动机这两种全新的动力系统，发展了5米直径、3.35米直径和2.25米直径箭体为基本模块，通过不同模块的组合，形成系列化通用化组合化的新一代运载火箭系列。长征五号火箭通过多种组合形成不同的构型长征五号火箭通过多种组合形成不同的构型早期的新一代运载火箭设计中包含5米、3.35米和2.25米三种直径为芯级的火箭，三种火箭合计14种构型，统一在长征五号的型号下，可谓家族庞大，不过只有5米直径芯级的运载火箭使用氢氧发动机。在后继发展中，5米直径火箭2006年正式立项获得了长征五号的编号，它使用2台YF-77氢氧发动机做为5米直径芯级发动机，外部捆绑总计4个3.35米和2.25米助推模块，3.35米和2.25米模块分别使用2台和1台YF-100液氧煤油发动机。通过捆绑类型不同的助推模块，长征五号各种构型覆盖了GTO 6-14吨，LEO 10-25吨的运力范围：（1）、5米直径模块包含两个50吨级的YF-77发动机，是长征五号运载火箭的核心模块。（2）、3.35米直径模块包含两个120吨级的YF-100发动机，它既可以作为5米直径大推力运载火箭的助推器，也是3.35米火箭系列的芯级。（3）、2.25米直径模块采用一台120吨的液氧煤油发动机YF100，既可以作为大推力火箭的助推器，也是小型火箭的芯级。长征五号运载火箭 - 运载能力覆盖LEO（近地轨道）约1.2吨到25吨，GTO（地球同步转移轨道）约1.8吨到14吨的范围，不仅可以完全取代原来的各型运载火箭，而且扩大了LEO和GTO的运载能力。截至2012年，LEO 运载能力最大的长征二号F型火箭不过8吨多，GTO运载能力最大的CZ-3B不过是5.1吨，新一代火箭对运载能力的扩展很大的。 运载能力： 盖LEO（近地轨道）约1.2吨到25吨，GTO（地球同步转移轨道）约1.8吨到14吨的范围，不仅可以完全取代原来的各型运载火箭，而且扩大了LEO和GTO的运载能力。截至2012年，LEO 运载能力最大的长征二号F型火箭不过8吨多，GTO运载能力最大的CZ-3B不过是5.1吨，新一代火箭对运载能力的扩展很大的。

长征五号可发射大型空间站 动力系统 按照设计，长征五号火箭在芯级上使用的是YF-77氢氧发动机，而助推器则使用的是YF-100液氧煤油发动机，这两款发动机都是属于全新研制的火箭发动机。

YF-100 发动机 20世纪80年代，中国对新一代运载火箭的发动机进行了预研，以此为基础中国开始开发国产YF-100高压补燃液氧煤油发动机，1999年120吨地面推力的大推力液氧煤油发动机正式立项，这就是后来人们熟知的YF-100发动机。到2012年，共研制该型发动机61台，突破了70余项关键技术。技术上，YF-100液氧煤油发动机并不突出。YF-100发动机地面推力约120吨地面比冲约300秒，真空推力约136吨比冲约335秒，喷口直径约1.4米。YF-100推力在高压补燃液氧煤油发动机中属于偏下水平，比苏联时代开发的的RD-171/180//191都要小得多，比参照的原型RD-120发动机倒是高出50%以上。虽然燃烧室压力略低，但比冲上YF-100和先进液氧煤油发动机如RD-180/191处于伯仲之间。总体技术上说YF-100的技术起点和档次相当不错，只是推力偏小，而且为了兼容3.35米和2.25米直径箭体的原因，无法改动喷管设计。到2012年6月，YF-100发动机的可靠性已经得到了充分的检验。

YF-77发动机

YF-77点火实验中国大推力氢氧发动机采用了燃气发生器循环设计，地面推力50多吨，代号YF-77，于2001年正式立项。 YF-77发动机在技术距离世界先进水平更远一些，其地面推力约52吨比冲约310秒，真空推力约70吨比冲约426秒，喷口直径约1.45米。从推力上说，YF-77可以说是长征五号运载火箭氢氧发动机中推力最小的型号，但推力不足在现有设计下影响不大，长征五号最大运载能力的构型也仅仅是使用了2台YF-77发动机，并不构成可靠性问题。总之，YF-77发动机在技术上大致相当于欧洲航空局火神发动机的水平。 YF-77发动机正式立项后进度上不尽人意，虽然2005年、2006年和2007年分别实现50秒、200秒和500秒的单次试车时间，但是试车中问题很多。截至2011年，7发动机已经实现了超过1万秒的试车时间，单台发动机试车时间达到了5000秒，按现有进度足够保证2014年长征五号首飞。 技术性能 在火箭综合指标上说，长征五号的LEO轨道运载能力不仅超过了欧空局阿里安5和日本H-IIA/B，也超过阿特拉斯V火箭和俄罗斯的安加拉火箭，尤其是由于文昌发射场纬度较低外加高性能氢氧发动机的优势，在GTO轨道运载能力上以14吨对7.5吨的优势远远超过安加拉火箭。虽然运载能力只是火箭水平的一部分，但至少比印度研制全新的GSLV MKIII火箭，LEO只有10吨运力GTO不到4.5吨要好得多。具体的火箭制造技术上，长征五号火箭推进剂储箱开始使用2219铝合金，这是美国土星五号火箭到航天飞机，苏联能源火箭和欧日新一代运载火箭广泛使用的材料。箭体加工上使用了先进的搅拌摩擦焊（FSW），这是1991发明，1998年美国才在运载火箭上首次使用的焊接技术，日本则是2009年H-IIB火箭才首次使用，搅拌摩擦焊和轻质铝合金的使用减轻了结构质量，提高了运载能力。此外长征五号火箭还是用了电气一体化设计与冗余，光纤通道火箭控制系统总线等先进技术，这些奠定了新一代运载火箭高水平的基础。

搅拌摩擦焊接示意图

长征五号样机组装 发射场

发射场位于海南文昌航天发射基地，首次发射定在2014年。由于长征五号大型运载火箭直径达到5米，很难通过铁路或公路运到已有的发射场，因此要求火箭的研制和发射必须在同一基地，海南文昌卫星发射中心纬度较低，距离赤道近，发射卫星可以节省运载火箭的燃料。同时，火箭一级落区10公里半径内都在海上，对人员和周围环境的影响较小。虽然地处海岛，文昌基本不受台风影响。因此，长征五号的研制和发射都选择在海南文昌航天发射基地。

总结虽然我国“长征”系列运载火箭已取得了举世瞩目的成就，但与上述国外新型大推力运载火箭相比存在明显差距，很难适应未来航天的发展需求。例如，我国目前使用的运载火箭近地轨道运载能力最大为9.5吨，只有国外新型大推力火箭的一半左右；由于“长征”火箭是在液体弹道导弹基础上进行适应性改进而形成的，通用化、系列化、组合化程度低，因此出现了型号多、通用性差的局面，同时限制了规模化、产业化的发展；我国火箭的第1、第2级和助推器现仍都使用有毒、有污染的推进剂，从而存在航区和人员安全及环境污染问题等等。　　一个国家进入太空的能力在很大程度上决定了其空间活动能力以及空间应用水平。因此，为了赶上国外新型大推力运载火箭的先进水平，满足未来20-30年航天发展的需求，保持我国运载技术在世界航天领域的地位，2006年10月，我国立项研制长征5号火箭新一代大推力运载火箭。它具有新型大推力运载火箭的一系列特点：大直径、大推力、少级数、系列化、低成本、高可靠、易操作、无污染、适用广等。　　长征5号的基本型为带助推器的两级火箭：芯一级采用2台推力各约50吨的氢氧发动机并联组成；助推器根据需要采用数台推力各约120吨的液氧煤油发动机；芯二级采用2台推力各约8吨的氢氧发动机并联组成。长征5号近地轨道(未来空间站、大型遥感卫星的运行轨道)运载能力覆盖1.5～25吨，地球同步转移轨道(大型通信卫星和空间探测器的运行轨道)运载能力覆盖1.5～14吨。　　火箭的运载能力有多大，航天的舞台就有多大。长征5号系列运载火箭将大大提升我国进入空间的能力，并为我国航天提供多样化的发射服务活动。例如，长征5号火箭可执行探月三期月球转移轨道和深空探测等发射任务；长征5号B火箭将把20吨级空间站舱段发射到近地轨道；长征5号M火箭能把载人登月飞船送入近地轨道；采用长征5号＋上面级，可发射大型地球静止轨道卫星、“北斗”中圆轨道导航卫星等。