長征五號B火箭：“大塊頭”的獨門絕技

7月24日14時22分，長征五號B運(yùn)載火箭在中國文昌航天發(fā)射場，成功將當(dāng)今世界最大單體載人航天器中國空間站問天實驗艙發(fā)射升空。

長征五號B運(yùn)載火箭發(fā)射問天實驗艙 （中國航天報記者 王磊 攝）

在2020年首飛成功的長征五號B運(yùn)載火箭，是一種在“長征五號”基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的，專門用于發(fā)射近地軌道大型有效載荷的運(yùn)載火箭。簡單來說，就是將“長征五號”的兩級半構(gòu)型變?yōu)榱艘患壈霕?gòu)型，即保留芯一級和四個助推器不變，僅是去掉了芯二級。目前，它的主要任務(wù)是發(fā)射我們國家天宮號空間站的各個組成艙段。“長征五號B”飛行任務(wù)的成功與否，直接關(guān)系著我國首個空間站的建設(shè)成敗。

盡管“長征五號B”相比于“長征五號”身高矮了約3米、“體重”輕了約20噸，但是卻繼承了“長征五號”的大部分優(yōu)秀“基因”。與“長征五號”一樣，“長征五號B”芯一級直徑為5米，捆綁4個直徑3.35米的助推器。盡管去掉了芯二級，但是為滿足空間站艙段的包絡(luò)需求整流罩長度增加；火箭全長約53.7米，起飛質(zhì)量約849噸，近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到25噸。

長征五號運(yùn)載火箭發(fā)射問天實驗艙 （中國航天報記者 王磊 攝）

與擅長長途運(yùn)輸，專注于地球同步軌道及以遠(yuǎn)的“長征五號”不同，“長征五號B”更像是一位舉重選手，擅長處理更大質(zhì)量的載荷。它專注于300～500千米的近地軌道，服務(wù)于我國空間站建設(shè)的主戰(zhàn)場。為了完成好我國空間站的建設(shè)任務(wù)，“長征五號B”也修煉了一些獨門絕技。

絕技一：“大腦袋”整流罩

我國的天宮號空間站由一段核心艙及兩段實驗艙以T字形布局組成。天和號核心艙、問天號實驗艙和夢天號實驗艙這3個大型艙段，依次由“長征五號B”送入近地軌道，進(jìn)行空間站基本構(gòu)型的在軌組裝建造。盡管已經(jīng)進(jìn)行了分解，但各個艙段的尺寸依舊驚人。天和號核心艙長16.6米、直徑4.2米、重22.5噸。問天號實驗艙軸向全長17.9米，比天和號核心艙還要長1.3米，直徑和重量相似。夢天號實驗艙的重量稍輕，約21噸，但長度和直徑與問天號實驗艙基本一樣。

為了容納如此大尺寸的空間站艙段，“長征五號B”就配置了目前我國長度最長、體積最大的整流罩。整流罩長度達(dá)到20.5米，直徑達(dá)到5.2米。整流罩相當(dāng)于6層樓的高度，為發(fā)射空間站核心艙和實驗艙量身打造了寬敞的空間。整流罩可以保證空間站艙段在從地球表面到達(dá)太空這一段旅程中，不會受到氣動力、氣動加熱及聲振等有害環(huán)境的影響。

長征五號B運(yùn)載火箭整流罩 （中國航天報記者 王磊 攝）

為了使這樣巨大的整流罩既能夠減少火箭飛行過程中受到的氣動阻力，又有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，整流罩還采用了流線型的馮·卡門曲線外形。由于馮·卡門曲線外形的回轉(zhuǎn)體表面展開后并不是一個平面，因此不能簡單使用以前錐形整流罩的制造方法，制造難度又提升了一級。

絕技二：大直徑艙箭分離能力

運(yùn)載火箭在發(fā)動機(jī)工作的主動段飛行期間，會產(chǎn)生巨大的振動和過載，為了保證所運(yùn)輸?shù)挠行лd荷的安全，需要在火箭和有效載荷之間進(jìn)行穩(wěn)固可靠的連接，就像汽車上的“安全帶”固定住“乘客”保證安全一樣。但是比汽車上的“安全帶”要求更高的是，運(yùn)載火箭還需要在入軌之后利利索索的一下子把有效載荷釋放出去，一點拖泥帶水都來不得，否則就可能會對有效載荷造成一定的傷害。

“長征五號B”最特殊的一點在于其與空間站艙段的連接接口直徑超過4米，在這么大的直徑以及復(fù)雜載荷和環(huán)境條件下，既需要考慮連接的可靠安全，又要確保分離的快速可靠，以及盡量將分離過程中出現(xiàn)的沖擊環(huán)境等不利影響降到最低。為此，“長征五號B”采用了“隔沖框＋阻尼盒”的降沖擊方案，并在阻尼盒上應(yīng)用了“顆粒阻尼技術(shù)”，有效改善了艙箭分離界面的分離沖擊和振動。

“顆粒阻尼技術(shù)”是一種新型的振動被動控制技術(shù)，是在振動體有限封閉空間內(nèi)充填了大量的微小顆粒，利用振動時微小顆粒間的摩擦和非彈性碰撞，迅速地耗散振動能量，實現(xiàn)降低沖擊的效果。

絕技三：大推力直接入軌能力

運(yùn)載火箭為了保證能夠以精確的位置、姿態(tài)和速度將有效載荷釋放到位，一般在火箭末級使用小推力的火箭發(fā)動機(jī)，而且還要裝備一套末速修正和姿態(tài)調(diào)節(jié)動力系統(tǒng)。但我們知道，相比于“長征五號”，“長征五號B”去掉了芯二級，這樣部署在芯二級上的小推力火箭發(fā)動機(jī)、末速修正和姿態(tài)調(diào)節(jié)動力系統(tǒng)也就一起都被去掉了。

“長征五號B”利用一級火箭將空間站艙段直接送入預(yù)定軌道。在一級火箭發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)時，約140噸的推力會在幾秒鐘之內(nèi)消失，這相當(dāng)于一輛高速行駛的火車突然“剎車”。那么“長征五號B”怎么保證空間站艙段能夠精確入軌，將火箭穩(wěn)穩(wěn)?？吭谥付ㄎ恢蒙夏?？

為了實現(xiàn)這一功能，“長征五號B”通過采用姿態(tài)控制增益優(yōu)化和復(fù)合制導(dǎo)方法，提高了火箭姿態(tài)控制精度，降低了制導(dǎo)誤差對精度的影響。通過采用這種控制方法，確?；鸺诜蛛x時處于最佳的姿態(tài)和最準(zhǔn)的位置。更進(jìn)一步，“長征五號B”還安裝了兩枚離軌火箭，使得火箭一級箭體在分離釋放空間站艙段之后，可以及時進(jìn)行在軌機(jī)動，躲避開空間站艙段運(yùn)行的軌道面，避免可能發(fā)生的碰撞，提高了艙箭分離的安全裕度。通過采取這些措施，“長征五號B”成為第一型只靠助推及一級飛行就能實現(xiàn)有效載荷精確入軌的火箭。