威武，“胖五”家族新猛将！——长征五号B运载火箭首战告捷

○文 闵

2020 年5 月5 日18 时0 分，随着海南文昌发射场一声巨响，长征五号B运载火箭搭载新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱点火升空。约488 秒后，伴随着指挥大厅内雷鸣般的掌声，载荷组合体与火箭成功分离进入预定轨道，标志着我国空间站阶段飞行任务首战告捷，拉开了我国载人航天工程“第三步”任务序幕，为后续空间站核心舱、实验舱发射奠定了坚实基础！

建设具有国际先进水平的空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题，是我国载人航天工程“三步走”发展战略中第三步的任务目标。而长征五号B运载火箭（以下简称“长五B火箭”）就是专为我国载人空间站工程研制的运载火箭，从立项到首飞，经历了近十年的研制历程。

链接：中国载人航天工程“三步走”的发展战略。

中国载人航天工程是我国空间科学实验的重大战略工程之一，始于20 世纪90 年代初期，并确定了“三步走”的发展战略，最终目标是建造属于中国的近地轨道、大型多舱段、具备实用价值的太空站。第一步：掌握载人航天飞船技术。即发射无人和载人飞船，将航天员安全地送入近地轨道，进行对地观测和科学实验，并使航天员安全返回地面。第二步：突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术，发射空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题。第三步：建造空间站。即建立大型多舱段空间实验室，建成中国的空间工程系统，航天员和科学家可以来往于地球与空间站，进行规模比较大的空间科学实验。

长征五号系列火箭，由于火箭芯级直径大，被大家亲切地称为“胖五”。习近平主席在对全球直播的2020年新年讲话中，特别高兴地提到了“长征五号遥三”（以下简称“长征五号火箭”）于2019 年12月27 日在海南文昌成功发射的消息。而此次出镜的长五B 火箭与长征五号火箭同属“胖五”家族。长五B 火箭是以长征五号火箭为基础改进研制而成。兄弟俩虽然外形上有些相似，但两型火箭在设计、用途等方面却大不一样。

我们先来看看两者的基本信息（见下表）。

从表中我们可以看到二者有很多相似点：首先，它们都很“胖”，这体现在芯级直径和助推器直径上；其次，它们有五十多米伟岸的身高，同时具有4 个助推器；第三，它们都是“冰箭”，身体里流淌着-253℃的液氢和-183℃的液氧；第四，它们都是采用数字化、模块化、组合化设计，庞大的身躯里都是满满的“黑科技”，如大推力液氧液氢发动机技术、大推力液氧煤油发动机技术、大型活动发射平台技术、系统级冗余控制技术等。

但是这兄弟俩毕竟不是“双胞胎”，它们都有各自的“特质”和“绝活”。从构型上看，长征五号火箭采用两级半构型，由芯一级+助推器+芯二级+整流罩组成；长五B火箭采用一级半构型，由芯一级+助推器+整流罩组成。从外观上看，长五B 火箭比大哥长征五号火箭个头矮了约3米，“体重”轻了约20吨。两者的最大区别在于整流罩，长征五号火箭的整流罩长度大约12.3 米，而长五B 火箭拥有目前我国最长、最大的整流罩，整流罩长度达到20.5 米、直径5.2 米。这样超大的整流罩，是为装载空间站舱段而量身打造的。从用途上看，长征五号火箭一般用于发射高轨道的大型卫星以及各类深空探测器，例如实践二十号卫星、嫦娥五号月球探测器、火星探测器等；长五B火箭则主要用于发射近地轨道的大型卫星及飞船，例如载人空间站的核心舱和实验舱等，还能用于载人航天发射。从运载能力上看，长征五号火箭地球同步转移轨道（GT0）运载能力约为14 吨，长五B火箭近地轨道（LEO）运载能力约为22吨。

就运载能力而言，长五B 火箭在全世界处于一流水平，位列现役火箭第三，仅次于美国太空探索公司的猎鹰重型运载火箭和美国宇航局的德尔塔-4 重型运载火箭。此前，我国近地轨道运载能力约为14 吨（长征七号）。长五B 火箭首飞成功，使我国大型运载火箭的技术水平进入世界第一梯队，与俄罗斯“质子-M”火箭、美国“猎鹰-9”火箭、“德尔塔-4”火箭、欧洲“阿丽亚娜-5”火箭的运载能力相当。同时，长五B火箭也是我国新一代运载火箭系列化发展的代表，将为后续重型运载火箭的研制提供重要技术积累。

长五B 运载火箭专注于地球附近约200 千米～400 千米的轨道，这里是我国空间站建设的主战场，后续空间站核心舱等主要舱段都要由长五B 火箭送上天。为了当好运送空间站舱段的“专属列车”，长五B 火箭开展了多项技术攻关和创新，掌握了一批具有自主知识产权的核心技术。为保证未来空间站建设顺利实施，长五B火箭采用四大“黑科技”。

一是超大整流罩。整流罩是运载火箭的重要组成部分，用于保护卫星或其他有效载荷免受气动力、气动加热及声振等有害环境的影响。为改善气动特性，长五B火箭的整流罩采用流线型的冯·卡门曲线外形，可以更好地减小空气阻力，减轻载荷影响。另一个技术难点在于如何做到安全可靠的分离。经过多方案比较，最终确定采用旋转式分离方案。

二是“零窗口”发射。载人空间站工程的交会对接等任务，好比在数百千米高的太空“穿针引线”，时间有丝毫误差，都有可能失之交臂，导致耗费更大的代价调整轨道。作为未来发射空间站核心舱和实验舱的火箭，空间交会对接任务对长五B火箭提出了“零窗口”发射需求，发射时间精度误差要控制在1秒以内。虽然它不是第一型实施“零窗口”发射的火箭，但作为采用液氢、液氧等低温推进剂的“冰箭”，长五B火箭的“零窗口”发射有着更高的技术含量和更大的技术难度，也开创了新一代运载火箭“零窗口”发射的先河。

三是大直径舱箭分离。空间站舱段和长五B火箭的连接接口直径超过4 米，“乘客”和火箭的分离不是“下车”那么简单，需要考虑可靠性、冲击环境等多个方面的因素，既要确保安全分离，又要尽量将分离过程中出现的冲击环境等不利影响降到最低。长五B火箭研制团队围绕降低和改善冲击环境开展了专题攻关，对多种降冲击方案进行比较和试验后，采用了“隔冲框＋阻尼盒”的降冲击方案，并应用了“颗粒阻尼技术”。因此，长五B火箭可以像把婴儿抱出婴儿车那般轻柔、谨慎地完成空间站舱段与火箭的分离。

四是大推力直接入轨。作为一级半构型的火箭，长五B火箭没有单独的调姿和末速修正系统，而是利用一级火箭直接将有效载荷送入预定轨道。经过仿真分析、系统综合实验、半实物仿真实验等考核评估，大推力直接入轨精度控制和分离安全控制技术的有效性得到了验证，长五B火箭成为第一型只靠助推器及一级飞行就能实现有效载荷精确入轨的火箭。要知道，我国现役火箭都是多级火箭，原理是先通过下面级火箭点火加速，再通过上面级的火箭调节入轨的姿态和入轨精度。这就好比接力赛，不同级次的火箭分别承担“起跑、加速跑、冲刺跑、撞线跑”的“接力”过程。而长五B火箭则只用一级半火箭直接入轨，相当于一个运动员跑完全程，“一步登天”。虽然级数减少了，但是长五B火箭的运载能力却没有降低，而且是我国现役火箭中近地轨道运载能力最大的火箭。

我国航天事业的进一步发展离不开新一代火箭和载人飞船，这是我们探索深邃太空的有力保证。长五B火箭首飞成功，验证了火箭总体方案、各分系统方案的正确性、协调性，突破了大尺寸整流罩分离技术、低温火箭“零窗口”发射技术、大直径舱箭连接分离技术、大推力直接入轨偏差精确控制技术等一系列关键新技术，为我国空间站在轨建造任务奠定了重要基础。只有通过推力强大的长五B火箭，才能把质量在20吨级别的各个空间站舱段送入太空中。长五B火箭的成功发射，预示我国的空间站建设将要拉开大幕。

长五B火箭的首飞任务是把中国新一代载人飞船试验船送入近地轨道。那么，我们来看看长五B火箭的乘客——新一代载人飞船究竟是什么样的。新一代载人飞船试验船，是面向我国空间站运营及未来载人探月需求而研发的新一代天地往返运输器。本次任务将对飞船高速再入返回的防热、控制、群伞回收及部分重复使用等关键技术进行验证。柔性充气式货物返回舱试验舱，是我国新型空间运输飞行器的试验器。本次任务对充气展开式返回飞行器轨道再入关键技术进行验证。

与神舟飞船相比，新一代载人飞船能够以第二宇宙速度（11.2 千米/秒）再入地球大气层，未来主要降落在海上，进行回收之后能多次重复使用。新一代载人飞船还可以一船多用，既可以应用在近地轨道，支撑我国空间站建设，还能胜任载人登月等更遥远深空的探测重任，更具备着载人+运货的强大本领，这将有力拓展我国载人航天器的应用范围和能力结构。与老的神舟飞船相比，新一代飞船在结构上进行了简化，采用两舱结构，分别是上部用于搭载人员和货物的返回舱和下面提供能源和动力的服务舱。返回舱是整船的指令中心，也是航天员生活居住的地方，可搭载6 名～7 名航天员；服务舱是整船的能源与动力中心。而老的神舟飞船是三个舱室，多了一个轨道舱。不过多了一个舱室，并不代表运载能力就更强。实际上新一代飞船的返回舱空间更大，尺寸更大，几乎是神舟飞船返回舱的两倍，未来里面可以根据任务需求做“隔间”，打造工作区、娱乐区、餐饮区以及卫生区，为航天员提供更舒适的生活居住环境，让航天员的太空旅行变得更加丰富多彩。神舟飞船只能运输3个人。另外新飞船返回舱的外形也改成了国际主流的钝头圆锥体。这样的设计非常有利于返回舱穿越大气层，同时它的空间利用率非常高。

由于新飞船还有重复使用的要求，据报道需要至少达到10次重复使用的能力，所以对防热隔热的要求就更高了。神舟飞船的防热设计使得它只能使用一次就报废，新飞船使用了新的防热材料和隔热设计，因此可以在多次穿越大气层后，仍然具备良好的使用条件。另外返回舱的顶部还有被整流罩保护的对接口，能够实现与空间站的对接，用于人员和货物的转运。新飞船还使用了模块化设计，主要是针对空间站运输任务和深空探测任务来进行模块组合。主要的不同模块是下部的服务舱，上部的返回舱则是通用设计，不管什么任务都可以使用同样的返回舱。在执行近地轨道空间站的运输任务时，由于不需要进行长时间的飞行，因此服务舱燃料可以少搭载，发动机的推力也可以适当减小，这时就可以使用小型服务舱。而执行深空探测任务时，则可以使用相应的大服务舱。服务舱除了配备火箭发动机，能够提供轨道转移、与空间站对接的动力外，还配备了可折叠的大尺寸太阳能帆板，它能够在飞行期间为返回舱提供所需的电力供应。由于不同的服务舱重量不同，因此用于发射的火箭也就不同。

在新一代载人飞船完成实验之后，我国的空间站也将完工。根据目前的计划，接下来直到2022年，还有12 次飞行任务，航天部门将陆续发射天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱，最后进行空间站的在轨组装建造。而在完成空间站的建造之后，新一代飞船则会承担起空间站与地球之间的人员和货物运输任务，成为真正的太空快递船，实现货物直达空间站。

长五B 火箭首飞成功后，参与我国载人航天工程建设的长征火箭“三勇士”已经全部亮相。它们分别是以13 次完美飞行，100%发射成功率，将5 艘无人飞船、6 艘载人飞船、2 个空间实验室送入太空的长征二号F；货运飞船“专属列车”长征七号；空间站建设的核心骨干长五B 火箭。后续任务中，长五B火箭主要完成载人空间站核心舱及两个实验舱的发射任务；长征七号运载火箭主要用于发射“天舟”货运飞船，为空间站和航天员运送物资；长征二号F 主要负责将航天员送入空间站。“三勇士”将携手合作，助力我国空间站早日建成，为中国航天搭建更广阔的舞台。

最后引用《中共中央国务院中央军委对长征五号B运载火箭首次飞行任务圆满成功的贺电》最后一段作为结尾。

“探索浩瀚太空永无止境，攀登科技高峰任重道远。载人航天工程后续任务艰巨繁重，面临的困难和考验严峻复杂。希望你们更加紧密地团结在以习近平同志为核心的党中央周围，以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，全面贯彻党的十九大和十九届二中、三中、四中全会精神，大力弘扬‘两弹一星’精神和载人航天精神，在航天报国和科技强国的伟大实践中，不忘初心、牢记使命，奋发有为、再立新功，为实现‘两个一百年’奋斗目标、实现中华民族伟大复兴的中国梦作出新的更大贡献！”