背锅、填坑、救火……那款火箭为应急发射而生

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  出品:科普中国

  长征5号与其他国家部分火箭参数对比

摘要:
“长五”90%的重量都是燃料,将会在发射过程中消耗掉,可谓是“皮薄馅大”。
长征五号是中国起飞质量最大、起飞推力最大、箭体结构最大、运载能力最大的运载火箭,被亲切地称为“胖五”。
…  昨晚20时43分,长征五号在海南文昌发射场发射升空。观海解局记者了解到,“长五”90%的重量都是燃料,将会在发射过程中消耗掉,可谓是“皮薄馅大”。
长征五号是中国起飞质量最大、起飞推力最大、箭体结构最大、运载能力最大的运载火箭,被亲切地称为“胖五”。  据了解,“胖五”具有25吨的运载能力,可以一次性将16辆小轿车送上距离300到400公里左右的太空中。其单台发动机可以产生500倍大气压,这相当于把上海黄浦江的水抽到海拔5000米高度的青藏高原。此次,“胖五”就搭载了一个神秘的“舰船组合体”。  搭载实践十七号卫星  开展地球同步轨道通信广播业务  观海解局记者在央视播出的长征五号发射升空的画面中注意到,在点火后17秒左右,火箭不再垂直向上飞行,而是进行程序转弯,沿着地球倾斜度飞行,主要是为了节省火箭燃料。在飞行到170秒左右,火箭四个助推器燃料耗尽,与火箭主体脱离……最终火箭将有效载荷送到预定轨道,长征五号完成使命。  记者从国防科工局、国家航天局获悉,此次长征五号运载火箭释放了一个组合体,即由远征二号上面级和实践十七号卫星组成的载荷组合体。据介绍,远征二号上面级是我国目前规模最大、变轨能力最强的液体动力上面级,与长征五号运载火箭组合使用后,可有效提升一箭多星发射并直接入轨的能力,进一步提高长征五号运载火箭发射任务适用性和使用灵活性。  此外,实践十七号卫星是由中国航天科技集团公司五院抓总研制的地球同步轨道新技术验证卫星。卫星入轨后,中国卫通集团有限公司将开展地球同步轨道通信广播业务,并择机开展空间碎片观测、新型电源、电推进等多项新技术验证工作。  国防科工局总工程师田玉龙介绍,“胖五”发射成功使得我国运载火箭近地轨道运载能力由8吨级大幅提升至25吨级,实现质的飞跃。重型火箭是我国航天强国的重要标志,将目标瞄准未来低轨具备100吨级以上,使我国更大、超大型的航天器具备升空的能力。  专家解读  “带的载荷多了,能做的事也更多了”  据观海解局记者了解,“胖五”身长57米,芯极直径5米,捆绑4个3.35米直径助推器,起飞重量约为870吨,运载能力达到近地轨道25吨,地球同步轨道14吨,地月轨道8吨。而25吨运载能力相当于可以一次性将16辆小轿车送上距离300到400公里左右的太空中。  航天科技集团一院长征五号火箭总设计师李东介绍,目前,我国长征三号甲火箭能将1吨多的载荷送入地火转移轨道,而“胖五”的地火转移轨道运载能力达5到6吨。下一步进行火星探测,“胖五”大约能将一个5吨量级的探测器送到火星上。  “这个探测器就不再是简单围绕地球转了,而是要带一个火星车,直接落下去,在火星表面巡视。火箭能力的反应,不仅是说火箭能飞到哪里去,而是取决于到哪个位置能带的载荷重量。长五带的载荷多了,能做的事也更多了”,李东表示。  “以前,中国运载火箭只有2吨运载能力时,还不能承担载人航天的工作。把一个航天员送上天,也得要一个7、8吨级的飞船,否则航天员的生活保障不了。中国现在有了7、8吨运载能力的火箭,才有了载人航天。同样中国现在有了长征五号,才能实施空间站计划,因为空间站要长期有人照料,在天上长时间生活,规模肯定很大。”李东打了个比喻:“这就像家里人口多了,一个小房子住不下。”  从“神五”到“神十一”,我国长征二号F火箭把11名航天员送入太空,也把中国一步步推向航天大国。这一次,“胖五”肩负的使命是推动我国向航天强国迈进。航天科技集团一院长征五号运载火箭总体副总师杨虎军介绍,探月三期的任务要进行绕落回以及空间站的建设,这些任务都需要大火箭,长征五号未来将成为中国航天的主力运载工具,运载我国计划于2017年发射的嫦娥五号。“长五”新技术比例超九成  据了解,长征五号运载火箭核心技术具有完全自主知识产权,其研制复杂程度超过以往任何一个型号的长征系列火箭,全箭采用了200多项核心关键新技术,新技术比例达到92.5%。而国际上研制新型火箭,包括卫星飞船,采用新技术的比例一般不超过30%。以往长征火箭使用零部件最多几万个,而长征五号运载火箭使用的零部件达十几万个,它的设计量和制造量是以往长征火箭的3.5倍以上。  此外,长征五号具有25吨的运载能力,比现役火箭的运载能力提升2.5倍以上,还能够与其他家族新成员共享其研制过程中产生的创新成果。在我国未来航天工程计划中,20吨左右的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、超重型应用卫星等发射任务,对长征五号来说都不在话下。  据了解,火箭主体采用超低温液氢、液氧作为燃料,在它身旁捆绑的四个小火箭,也就是助推器,同样采用超低温液氧和煤油作燃料,煤油燃烧产生水和二氧化碳氢燃烧只产生水,这不但对于环境来说更加环保,同时煤油的获取很方便,氢也可以通过电解水来制造。著名的美国“土星五号火箭”,所采用的就是液态氢氧燃料。  助推器在火箭起飞阶段提供主要推力,体积加大就能够储存更多的燃料,提供更强的动力,长征五号上搭载的四个助推器就是我国有史以来长度最长、直径最大的,长27.6米,直径3.35米,单个助推器加注质量超过100吨。  此外,值得一提的是,“长五”助推器的脑袋是“歪”的,斜头锥设计能够较好地减少飞行过程中气动阻力,同时也能减少一些气动的干扰。当火箭以超音速飞行时,箭体前方的空气受到压缩,就会形成激波,产生集中的强扰动,而斜头锥的设计就可以有效减少激波对火箭飞行的影响。  我国长征系列运载火箭发射过哪些航天器?  自1970年长征一号火箭将“东方红一号”卫星送入太空以来,中国成功发射了主要用于极地轨道有效载荷的长征二号、长征四号系列火箭,和发射地球同步转移轨道的长征三号系列火箭等等。  长征一号  长征一号运载火箭是一种三级火箭,主要用于发射近地轨道小型有效载荷。1970年4月24日,长征一号成功地将东方红一号卫星送入预定轨道。  长征二号  长征二号运载火箭是一种两级火箭,是中国航天运载器的基础型号。1975年11月26日,长征二号完成了中国第一颗返回式卫星发射任务。长征二号先后有长征二号C、长征二号D、长征二号E、长征二号F等改进型。  其中长征二号F是我国的载人航天火箭,截至目前,已将我国10艘神舟系列飞船和10名航天员安全送到太空。  长征三号  长征三号运载火箭是在长征二号基础上于1984年研制成功的,增加了第三级低温高能液氢液氧发动机。为了适应通信卫星容量和重量不断增大和变化的要求,此后我国相继研制出长征三号甲、长征三号乙、长征三号丙三种运载火箭。“长三甲”系列不仅拓展了我国火箭使用范围,也成功打入国际市场。  长征三号运载火箭在1984年4月首次飞行成功地将东方红二号试验通信卫星送入预定地球同步转移轨道。在1990年4月首次执行外星发射服务合同,成功发射了亚洲一号卫星。在此之后,长征三号运载火箭成功地发射了包括亚太一号卫星、亚太一号甲卫星、风云二号卫星等在内多颗国内外卫星。  长征四号  “长征四号”系列运载火箭包括长征四号甲运载火箭、长征四号乙运载火箭、长征四号丙运载火箭三种。  1988年9月7日首次发射,长征四号甲成功地将我国第一颗气象卫星风云一号送入太阳同步轨道。随后又将第二颗风云一号气象卫星发射进入轨道。  长征四号乙主要用于发射太阳同步轨道的对地观察应用卫星,1999年5月10日,长征四号乙火箭首次发射,成功地将“风云一号C”和“实践五号”卫星准确送入轨道;截止2013年,长征四号乙火箭共发射2次,将28颗国内外卫星送入预定轨道。其中我国和巴西合作的地球资源卫星均由该火箭发射。  长四丙首发改进型运载火箭于2006年4月27日在太原卫星发射中心成功发射,将我国首颗遥感卫星准确送入预定轨道。  长征六号  长征六号运载火箭是三级液体运载火箭,动力系统采用液氧煤油发动机,具有无毒无污染、发射准备时间短等特点,主要用于满足微小卫星发射需求。  2015年9月20日,长征六号成功将20颗微小卫星送入太空,创造了我国航天一箭多星发射的新纪录。此次发射任务圆满成功,不仅标志着中国长征系列运载火箭家族再添新成员,而且创造了中国航天一箭多星发射的新纪录。也是中国新一代运载火箭的首次发射。  长征十一号  长征十一号运载火箭是我国新型四级固体运载火箭,也是我国新一代运载火箭中唯一一型固体型号,主要用于满足自然灾害、突发事件等应急情况下微小卫星发射需求,能实现24小时以内的快速发射。  2015年9月25日,长征十一号运载火箭在酒泉卫星发射中心完成首飞,成功将浦江一号和另外3颗微小卫星送入太空。  长征七号  长征七号运载火箭是我国载人航天工程为发射货运飞船而全新研制的新一代中型运载火箭,也可用于发射人造卫星等其他航天器。  今年6月25日晚8时,中国在海南文昌火箭发射中心,成功发射首枚长征七号运载火箭。这枚早期被命名为为长征-2F/H,是我国历经十年研制成功的新一代“数字化”中型火箭,采用国内最先进的高压补燃液氧煤油发动机,总长53.1米,芯级直径3.35米,“两级半”构型捆绑4个助推器,起飞重量达到近600吨,运载能力达到近地轨道13.5吨、太阳同步轨道5.5吨,总体技术水平接近日本的H2B型运载火箭。  长征七号火箭发射后,中国载人航天工程办公室随即公布了火箭首飞时搭载的六项七个载荷的具体内容,包括远征1A上面级、多用途飞船缩比返回舱、遨龙一号空间碎片主动清理飞行器、2个天鸽飞行器、在轨加注实验装置和翱翔之星立方星。  世界其他国家现役主力运载火箭都有什么?  记者了解到,11月3日晚成功发射的长征五号运载火箭的近地轨道(LEO)运载能力高达25吨,地球同步转移轨道(GTO)运载能力也达到了14吨。在目前现役的大型运载火箭中,其运载能力已经可以比肩美俄欧等国航天巨头的现役主力运载火箭。  环球时报报道,目前LEO运载能力达到20吨级别的大推力运载火箭已经成为航天器发射的主力军,目前各国这一级别的运载火箭包括美国的“德尔塔-4”、“宇宙神”5号、“猎鹰9”号运载火箭,欧洲的“阿里安5”运载火箭,俄罗斯的“质子”号、“安加拉A5”以及日本的H-2B运载火箭。与上述运载火箭比较,无论是LEO运载能力,还是GTO运载能力,长征五号均已经跻身世界前列。  美国的“德尔塔4”重型运载火箭LEO运载能力根据轨道高度不同可以达到23.6到28.4吨之间,是目前近地轨道运载能力最强的,其初期型号GTO运载能力为13.8吨,使用了升级的RS-68A发动机后达到了14.2吨。  其他各型火箭的运载能力均小于长征五号。其中,美国“宇宙神5”551构型的LEO达到18.9吨,GTO为8.9吨;俄罗斯的“质子M”运载火箭的LEO运载能力为23吨,GTO为6.9吨;俄罗斯2014年首次试射的“安加拉A5”运载火箭的LEO运载能力为24.5吨,GTO运载能力为7.5吨;欧洲航天局的“阿里安-5ES”的LEO运载能力为20吨,“阿里安5ECA”的GTO运载能力为10.7吨;日本的H2B的LEO为19吨,GTO为8吨。  此外,记者还了解到,1967年世界上最大的一种运载火箭土星5号问世。它是三级火箭,长85.6米,直径10.1米,起飞重量2950吨,近地轨道的有效载荷达139吨,飞往月球轨道的有效载荷为47吨。从1967年到1973年共发射13次,其中6次将阿波罗载人飞船送上月球,在航天史上写下了最为光辉的一页。  阿波罗11号是美国国家航空航天局的阿波罗计划中的第五次载人任务,是人类第一次登月任务,三位执行此任务的宇航员分别为指令长阿姆斯特朗、指令舱驾驶员迈克尔·科林斯与登月舱驾驶员巴兹·奥尔德林。1969年7月21日,阿姆斯特朗与奥尔德林成为了首次踏上月球的人类。

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  (北纬28度)

  图为UR-100(SS-19)导弹(来源:wiki百科)

  安全性好:大型运载火箭各级落区都是海洋,没有国土污染。发射同步轨道卫星,射向不经过人口稠密地区

  这些“旁门左道”中,准备速度最快的莫过于前苏联的“宇宙”系列火箭。这个“宇宙”的来头不小,一开始是战略火箭军的洲际导弹,应用了当时最先进的火箭发动机技术。第一代UR-100在1960年代投入使用,不仅作为航天火箭,也作为洲际导弹威慑美国。在作为洲际导弹使用的时候,发射准备时间约莫25分钟,比第一代R-1和R-7A导弹动辄2-3小时的发射准备时间要快得多。而作为运载火箭使用,准备时间则需要几个小时至2天,取决于当地气候和发射窗口时机。如果不考虑轨道直接强行发射,也不是不不行,就是发射载荷低了很多,难以与正常运载火箭相比。

  借力腾空

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  法晚记者获悉,目前,承载发射任务的海南文昌发射场各主要工程项目已全部开工,测发、测控、通信等参试设备研制整体进入攻坚阶段,有望于2013年建成并投入使用。

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  文昌卫星发射基地是我国第四座卫星发射基地,也是我国纬度最低的发射基地,该基地投入使用后,将进一步提高我国卫星发射能力,并且增强我国在国际卫星发射市场的竞争力。

  紧急发射能力使得UR-200火箭获得了很多非凡的使命,打两颗卫星都是小意思了。其中最为典型的,还是礼炮-7号任务。之前俄罗斯上映的太空航天大片《礼炮七号》任务中,救援礼炮-7号空间站就是由UR-200火箭发射,由于发射窗口得当,包括改造联盟T-13飞船在内的整个准备时间不到2周就完成了。在苏联航天员弗拉基米尔·贾尼别科夫和航天工程师维克多·萨维内赫进行了非常规对接,最终挽救了价格不菲的空间站。

  综合开发:建在海南,在进行商业发射的同时,还能促进海南旅游业的发展

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