我国新一代大型运载火箭长征－5首飞大捷

李东 王珏 李平岐 牟宇 李国爱 (中国运载火箭技术研究院)

我国新一代大型运载火箭长征－5首飞大捷

New Generation of Large Launch Vehicle CZ-5 Launched Successfully

李东 王珏 李平岐 牟宇 李国爱 (中国运载火箭技术研究院)

2016年11月3日晚，“5、4、3、2、1，点火！”伴随着指挥员喊出的起飞、助推分离、整流罩分离、一二级分离、二级一次关机、二级二次启动、二级二次关机、上面级组合体分离，以及测控大厅响起的阵阵掌声，我国全新研制的新一代大型运载火箭长征－5在海南文昌航天发射场托举着远征－2上面级和实践－17卫星，经过约1783s的飞行，成功进入预定轨道。长征－5的首飞成功标志着我国历时10年研制的大型低温运载火箭的工程研制成功，也标志着我国从此步入了拥有大型火箭国家的行列，还标志着我国由航天大国向航天强国迈出了最为坚实的一步。

1 引言

早在20世纪90年代，在国家“863”计划的支持下，我国先后开展了长达20年的新一代运载火箭论证工作。2006年，长征－5运载火箭正式获得国防科技工业局和财政部联合立项，进入工程研制阶段。经过10年的艰苦研制，研制队伍克服重重困难、突破大量技术难关，完成了方案、初样和试样阶段的各项设计和试验工作，将新一代大型运载火箭的蓝图变成现实。

作为我国新一代运载火箭中第一个立项研制的火箭型号，“首秀”成功的长征－5是为了满足航天发展对大运载能力日益迫切需求而研制的新一代大型液体运载火箭，它大幅提升了我国进入空间的能力。未来将承担探月工程三期、载人空间站工程空间站舱段的发射，以及火星探测等重大专项工程的发射任务。

长征－5按照“通用化、系列化、组合化”的设计思想，以“一个系列、两种发动机、三个模块”为基础，是瞄准中国航天发展的现实和迫切需求而规划的一个系列化运载火箭，而不是为单一特定载荷而设计的。基于5m直径、3.35m直径和2.25m直径模块，分别构建形成了我国新一代大型、中型和小型运载火箭长征－5、7和6系列。

基于5m直径模块构建的长征－5系列火箭总计有6个构型：

构型1：两级半构型，其芯级5m直径，芯一级采用2台YF－77液氧/液氢发动机，芯二级采用2台YF－75D液氧/液氢发动机，捆绑2个2.25m直径助推器，每个助推器采用1台YF－100液氧/煤油发动机和2个3.35m直径助推器，每个助推器采用2台YF－100液氧/煤油发动机。

构型2：两级半构型，其芯级5m直径，芯一级采用2台YF－77液氧/液氢发动机，芯二级采用2台YF－75D液氧/液氢发动机，捆绑4个3.35m直径助推器，每个助推器采用2台YF－100液氧/煤油发动机。首次发射的长征-5就是采用这种构型，并载有远征-2上面级。

我国“长征”系列运载火箭型谱

构型3：两级半构型，其芯级5m直径，芯一级采用2台YF－77液氧/液氢发动机，芯二级采用2台YF－75D液氧/液氢发动机，捆绑4个2.25m直径助推器，每个助推器采用1台YF－100液氧/煤油发动机。

构型4：一级半构型，其芯级5m直径，芯一级采用2台YF－77液氧/液氢发动机，捆绑2个2.25m直径助推器、每个助推器采用1台YF－100液氧/煤油发动机和2个3.35m直径助推器，每个助推器采用2台YF－100液氧/煤油发动机。

构型5：一级半构型，其芯级5m直径，芯一级采用2台YF－77液氧/液氢发动机，捆绑4个3.35m直径助推器，每个助推器采用2台YF－100液氧/煤油发动机。

构型6：一级半构型，其芯级5m直径，芯一级采用2台YF－77液氧/液氢发动机，捆绑4个2.25m直径助推器，每个助推器采用1台YF－100液氧/煤油发动机。

新一代中型运载火箭为两级半构型，芯级3.35m直径，芯一级采用2台YF－100液氢/煤油发动机，芯二级采用4台YF－115液氧/煤油发动机，捆绑4个2.25m直径助推器、每个助推器采用1台YF－100液氧/煤油发动机。

新一代小型运载火箭为两级半构型，芯一级3.35m直径，采用1台YF－100液氧/煤油发动机，芯二级2.25m直径，采用1台YF－115液氧/煤油发动机。

2 火箭特点

首射成功的长征－5由中国航天科技集团公司所属中国运载火箭技术研究院抓总研制，并且首次采用联合研制模式，其中5m直径的芯级由中国运载火箭技术研究院负责研制，3.35m直径助推模块由上海航天技术研究院负责研制，三型主发动机由中国航天推进技术研究院负责研制。长征－5将是我国未来航天发射任务的主力军，在未来大载荷地球同步转移轨道、中高轨道等发射任务中，也将担当主要角色。

采用二级半构型的长征－5火箭总长约57m，捆绑4个助推器，起飞质量约878t，由箭体结构、动力系统、控制系统、测量系统、总控系统和地面发射支持系统等六大系统组成。地球同步转移轨道运载能力位居世界前三。

芯一级采用5m直径模块，2台地面推力510kN的YF－77液氧/液氢发动机双向摆动。助推器采用4个3.35m直径模块，每个模块配置2台地面推力1200kN的YF－100液氧/煤油发动机，每个助推器摆动靠近芯级内侧的1台发动机。芯二级采用改进的新型膨胀循环液氧/液氢发动机YF－75D作为主动力，真空推力89.267kN，2次启动，发动机双机双向摆动。二级采用辅助动力系统完成末修、分离前调姿和滑行段姿态控制、推进剂管理。整流罩直径5.2m，长12.267m，有效净空间直径4.5m；长征－5火箭头锥采用冯·卡门外形，有效减小了脉动压力等气动力干扰；整流罩分离方案采用旋转式分离；整流罩分离能源采用分离弹簧。横向解锁装置采用了膨胀管＋削弱槽的线性解锁装置，纵向解锁装置采用膨胀管＋凹口螺栓＋爆炸螺栓解锁装置。助推器与芯级之间的传力路线采用前捆绑传力、助推器支撑的传力方案；助推器分离采用横向分离方案；助推器分离能源采用侧推火箭。芯二级氧箱采用了悬挂贮箱的方案；为了减少一二级分离过程中的干扰，级间分离采用了冷分离方案；分离能源采用反推火箭。长征－5火箭质量、转动惯量、干扰力矩较大，采用助推器发动机和芯级发动机摆动进行姿态控制的方案。为了解决大型低温运载火箭的跷振（POGO）问题，长征－5采用蓄压器进行POGO抑制。

长征－5的研制成功，创造了我国和亚洲多项第一，包括：

1）将我国大型运载火箭低地球轨道、地球同步转移轨道运载能力分别提升至25吨级和14吨级，是我国目前运载能力最大的火箭，其运载能力是现役运载火箭的2.5倍以上，火箭整体性能和总体技术达到国际先进水平，为我国航天进入更大的舞台提供了坚实基础。

3）采用了三型大推力无毒、无污染发动机，其中YF－100液氧/煤油发动机是我国推力最大的火箭发动机，我国也成为继俄罗斯之后，第二个掌握高压补燃循环液氧/煤油发动机全部核心技术的国家；YF－77液氢/液氧发动机是我国推力最大的液氢/液氧发动机，其推力是现役液氢/液氧发动机的9倍；YF－75D发动机是我国首个采用闭式膨胀循环方式的液氢/液氧发动机，也是我国目前比冲最高的火箭发动机，相比现役液氢/液氧发动机，其性能更高，系统更加简化，可靠性更高；同时全箭各模块均采用绿色推进剂，更加环保。

4）建成了亚洲最大的运载火箭产业基地。如今在天津滨海新区，一个大型的运载火箭产业化基地已然诞生，正逐步将中国新一代运载火箭从蓝图变成现实。

5）大直径箭体结构静力加载技术及性能评价能力获得跨越式发展，首次实现了5m直径结构千吨级静力试验，突破了大集中力、千吨级高轴压、大弯矩和高内压载荷的多点协调平衡加载技术。

6）并行建成了大型运载火箭工程研制的技术体系与工程研制的基础设施，培养了一大批技术人才，大型运载火箭的研发能力和技术水平大幅提升，为后续重型运载火箭研制提供了坚实基础。

7）首次在型号研制中全面推进先进的数字化设计手段，引进三维数字化设计工具，构建了我国运载火箭研制历史上第一个全三维数字火箭，开创了火箭型号数字化研制的先河。

8）带动了装备制造业的发展，尤其是其大型结构带动了材料、机械加工、热处理、焊接和检测等装备的发展，设计建成了我国最大的5m直径贮箱高精度全自动大型搅拌摩擦焊和熔焊焊接设备。

长征－5的首飞成功，代表了我国运载火箭研制领域经过60年发展的又一大跨越，运载火箭总体构型与优化设计水平大幅提升，全面突破了大直径箭体结构设计制造技术、大推力液氧/煤油发动机和液氢/液氧发动机设计制造技术、大型低温动力系统循环预冷技术、高可靠控制系统设计与大容量遥测数据综合与传输技术、全新的测试发射模式和发射支持技术等，并带动了材料、机械加工、焊接等装备制造业的跨越式发展。

圆圈图适用于描述物质、化学现象和概念 初中化学教师讲解某种物质、化学现象、概念的时候，需要对其相关细节或特征进行介绍，这些细节或特征并不都是物质固有的属性，或经过反应所得，或需要在某些条件下才成立，涉及的知识比较零散。如果学生对其仅进行机械记忆学习，很容易遗忘，这时教师可用上圆圈图配合讲解。圆圈图有两个圈，小圈里可填写主题，大圈里可填写与这个主题相关的细节特征。如描述金属铁在氧气中燃烧的化学现象，小圈内写铁在氧气中燃烧作为主题，大圈内可写在空气中很难燃烧、在氧气中剧烈燃烧且火星四射、放出大量热、生成黑色固体。

长征－5作为我国新一代运载火箭中最早立项的型号，研制工作历时10年，瞄准新需求、践行新理念、采用新技术、实现新跨越，火箭整体技术达到国际先进水平，主要特点表现为12项全新的发展思路、全新的总体设计、全新的运载能力、全新的总体构型、全新的环境防护、全新的箭体结构、全新的动力系统、全新的电气系统、全新的发射模式、全新的设计手段、全新的生产发射基地、全新的运输方式。

长征－5的研制是以大幅提升我国进入空间能力为目标，按照模块化思路全新规划的一个系列化运载火箭，研制初期共规划了6种构型，首飞构型为两级半最大构型，即长征－5，地球同步转移轨道运载能力达到14吨级；用于载人空间站工程空间站舱段发射任务的长征－5B为一级半最大构型，其低地球轨道运载能力达到25吨级。长征－5采用全新的5m直径箭体结构，动力系统采用无毒、无污染推进剂，全箭广泛采用冗余、冗错设计，火箭的可靠性和安全性大幅提高。

长征－5运载火箭垂直转运

在长征－5的研制过程中，突破了以12项重大关键技术为代表的247项关键技术，包括长征－5的总体优化与设计技术，首次采用助推器支撑、前支点传力的总体布局优化设计技术，突破了大型低温运载火箭力热环境预示技术；首次采用5m直径箭体结构，突破了大型低温贮箱和多集中力壳段结构设计与验证技术，突破了千吨级集中力载荷加载试验技术等；采用了三型全新的液氧/煤油和液氢/液氧发动机，其推力和比冲等性能均是我国最高水平；采用了全新的循环预冷技术，大幅提升了火箭的应急处置适应能力，突破了大型低温运载火箭的跷振抑制技术；首次提出并采用了基于总线技术系统级冗余的运载火箭控制系统技术，突破了助推器和芯级发动机联合摇摆控制技术；首次采用10Mbit/s+5Mbit/s高码率遥测数据传输与综合技术，把我国运载火箭遥测技术大幅提升到国际先进水平；采用“新三垂”测发模式，突破了2000吨级的活动发射平台配备脐带塔方案设计制造技术，大幅缩短了火箭在发射区的测试操作时间等。

长征－5在研制过程中引入先进的数字化设计手段，实现了数字化模装替代实物模装，完成了型号数字化设计、数字化分析、数字化试验的三大数字化工作，大大缩短了研制周期，节约了研制经费。

5m直径箭体结构的制造、运输和发射，也带动了天津滨海新区大型运载火箭生产制造基地、海南文昌发射场的建设，采用全新的公路-海路-公路运输方式，由两艘专用运输船将长征－5从天津运至海南。

3 搭载载荷

为充分发挥长征－5首飞的综合效益，综合统筹有关需求，其上搭载的有效载荷有远征－2上面级和实践－17卫星2个主要载荷。

（1）远征－2：太空“摆渡车”

远征－2本身也是一种航天器，具有独立自主飞行、多次启动、长时间在轨等特点，由长征－5发射进入地球同步轨道后，能将其他有效载荷从某一轨道送入其他轨道或空间位置。

长征－5驶离技术区

远征－2的主要任务是验证多次启动、长时间在轨飞行等技术，并作为其他载荷的搭载平台，将实践－17直接送入超地球同步轨道，开展相关在轨试验。

（2）实践－17：新技术验证

实践－17共配置了20余个搭载项目，验证了30余项新技术，包括东方红－5卫星平台关键技术、新型电源、新型测量、新型测控、新型电推、新型热控等技术。

4 重要意义

长征－5的研制使我国突破并掌握了一大批具有完全自主知识产权的全新技术，推动了我国运载火箭技术的进步，实现了我国运载火箭从3.35m直径向5m直径的跨越，为我国未来大规模开发利用空间资源，以及在深空探测中发出“更强中国音”提供了坚实基础。同时，长征－5的研制也培养了一批技术人才，牵引了天津大运载火箭基地和海南文昌发射场的建设，也为后续重型运载火箭的研制打下了良好基础。

长征－5首飞任务的圆满成功，翻启了中国运载火箭发展的新篇章，标志着我国进入空间的能力大幅提升，由航天大国向航天强国迈出了坚实的一步。同时，长征－5的成功研制，对于构建我国未来空间运输体系、加快我国现役运载火箭的更新换代，都具有重要的意义。

5 结束语

作为我国新一代大型运载火箭，长征－5具有高可靠、低成本、无毒、无污染、适应性强、安全性好的显著优势，应用前景十分广阔。在未来探月工程三期、载人空间站工程、火星探测等重大专项工程任务中均将承担重要角色。同时，在未来大载荷地球同步转移轨道、中高轨道等发射任务中也将担当主要角色。借助运载能力大、适应性强的优势，长征－5将是未来更广泛深空探测任务的主力火箭。