长征五号系列火箭

中国发射器系列

长征五号系列运载火箭中国航天科技集团公司研制的新一代五米直径低温液体捆绑式重型运载火箭系列。其到达近地轨道的最大理論載荷為32~33噸(海南文昌發射場出發)[1],而到达同步转移轨道的最大有效载荷能力为14.4噸[2][3]

长征五号系列运载火箭
Long March 5 Logo.jpg
长征五号遥二火箭转场.jpg
转场中的长征五号遥二火箭
用途 可/不可重复使用的重型运载火箭
製造商 中国航天科技集团公司(CASC)
天津航天长征火箭制造有限公司
製造國家  中华人民共和国
外型及質量參數
高度 CZ-5: 56.97 米
CZ-5B: 53.66 米
CZ-5/YZ-2: 56.97 米
直徑 5 米
質量 CZ-5: 867 吨
CZ-5B: 849 吨
级数 CZ-5: 2.5 级
CZ-5B: 1.5 级
CZ-5/YZ-2: 3.5 级
酬載量
有效載荷-LEO CZ-5B: 25 吨
有效載荷-GTO CZ-5: 14.4 吨
有效載荷-TLI CZ-5: 7.8~9.4 吨
有效載荷-GEO CZ-5/YZ-2: 6吨
有效載荷-SSO CZ-5: 15 吨 (700千米)
CZ-5/YZ-2: 6.7 吨 (2000千米)
有效載荷-MTO CZ-5/YZ-2: 13 吨
有效載荷-TMI CZ-5: 6 吨
相關火箭
本系列火箭 长征系列运载火箭
發射歷史
现状 服役中
發射場 文昌航天发射场一号发射工位
19°36′53″N 110°57′04″E / 19.614691°N 110.951004°E / 19.614691; 110.951004
總發射次數 6
成功次數 5
首次發射 CZ-5: 2016年11月3日
CZ-5B: 2020年5月5日
助推器
助推器數 4 枚
高度 27.6米(91英尺)
直徑 3.35米(11.0英尺)
總重 156,600公斤(345,200磅)
燃料重量 142,800公斤(314,800磅)
发动机 YF-100发动机
单发推力 2×1199.18 千牛 (海平面)
2×1340.5 千牛 (真空)
比冲 2942 米/秒 (海平面)
3286.2 米/秒 (真空)
推進時間 173秒
燃料 液氧/煤油
第一级
高度 33.16米(108.8英尺)
直徑 5米(16英尺)
總重 186,900公斤(412,000磅)
燃料重量 165,300公斤(364,400磅)
发动机 YF-77发动机
单发推力 2×509.6 千牛 (海平面)
2×700 千牛 (真空)
比冲 3058 米/秒 (海平面)
4214 米/秒 (真空)
推進時間 475秒(遥一、遥二)497秒(遥三及后续)
燃料 液氧/液氢
第二级(可選)
高度 11.54米(37.9英尺)
直徑 5米(16英尺)
總重 36,000公斤(79,000磅)
燃料重量 29,100公斤(64,200磅)
发动机 YF-75D发动机
单发推力 2×88.36 千牛
比冲 4340 米/秒
推進時間 700秒
燃料 液氧/液氢
上面級(可選) - 远征二号
直徑 3.8米(12英尺)
发动机 YF-50D发动机
单发推力 2×6.5 千牛
比冲 3150 米/秒
推進時間 1105秒
燃料 四氧化二氮/偏二甲肼

长征五号系列为中国第一个从总体到分系统均采用最新技术的大型液体运载火箭系列[4],是中国目前研制规模和技术跨度最大的航天运输系统工程,新技术比例達95%以上。目前是中國现役起飛質量最大、芯级直径最粗、運載能力最強的火箭[5]

历史编辑

长五问世编辑

长征五号早於1986年在863計劃支持下开展前期论证和攻关,2001年5月国防科工委开展预先研究。2000年至2001年,120噸級液氧煤油發動機YF-100及50噸級液氫液氧發動機YF-77先後开始立项研制。项目最初于2001年2月宣布。然而2007年中国东北展会期间,开发商透露直至當年才最终批准研发預算。[6]在20年的可行性研究之后,中国政府在2006年10月立项批准了火箭的开发[1],由2008年11月成立的天津航天长征火箭制造有限公司生产,制造基地设於沿海城市天津滨海新区开发区西区夏青路199号的中国运载火箭技术研究院天津产业园。歷十年磨一箭,2016年11月3日20时43分,長征五號于海南岛中国文昌航天发射场首次發射成功。[7]

遥二失利编辑

2017年7月2日19时,长征五号遥二火箭从文昌1号工位起飞,起飞后174秒助推器燃尽并抛离,指挥大厅直播画面显示其将会坠入东沙群岛与瓦拉格市之间的海域,整流罩于起飞后286秒抛离,至此飞行一切正常。

起飞后346秒,芯一级的一台YF-77发动机液氧泵发生损毁,这一幕被一台安装于芯二级(上面级)三四助推方向的摄像机捕捉到,全箭姿态仅靠剩余一台YF-77维持。由于引擎失效,芯一级直到起飞后572秒才与芯二级分离,而正常情况下应为475秒,因此使得軌道高度過低,到624秒时,网络直播画面左下角出现橙黄色的光亮,且随着时间推移,亮度,范围不断加大,表示星箭组合体已经开始再入大气层,最终于708秒时画面卡死,顯示進入黑障而通讯中断。[8]不久后,CCTV13报道了发射失败的消息。[9]

故障归零编辑

由于芯一级坠入马里亚纳海沟,故障难以定位,加上中国航天自有的军事属性带来的较其他国家更加严格的保密措施,除了发射失败的消息之外,官方在早期唯一放出的消息是“芯一级液氢液氧发动机一分机涡轮排气装置在复杂热力环境下,局部结构发生异常”。[10]中国国防科工局曾于2017年10月协调国家海洋局派出蛟龙号尝试对残骸进行打捞,但无功而返,故障定位只能依靠大量的仿真完成,最终第一次“归零”在次年4月才完成,其中进行了200余项技术改进,以及13次长程试车,准备在2018年年底进行复飞。[11]

2018年11月30日,在火箭总装即将完成之时,与遥三上安装的同一批次的YF-77引擎在北京云岗进行试车时再度发生故障,根据遥三成功后官方透露的情况,这一次参数与遥二引擎失效前的相似,沒有找出原因的情況下,归零再次进入第二轮,这一次相关专家认为应当发动机的结构进行强化,确保发动机在火箭高温、强振动等恶劣工况下的可靠性,引擎在很快通过了两次试车,新的发射时间也被定于2019年年底。

2019年4月4日,当用于遥三火箭的YF77进行最后一次试车时一位设计团队的员工发现引擎存在异常震动,引擎在拆解后发现液氧泵存在细微裂纹,相同的故障不久后也在同批次其他引擎的试车中发现,这一次故障也被长征五号火箭副总师王维彬评价为“击中要害”,但问题的解决仍困难重重,设计团队有多种各有利弊的设计方案,加强结构的改进幅度难以量化;绕过单一故障点也需要全系统的改动;最终团队认为最现实的方案是对引擎进行“小改”最终通过结构设计优化的方式来提高发动机的可靠性以及性能。

第三次归零的引擎试车考核于同年7月31日展开,这一次引擎没有再出现故障,试车获得成功,遥三的发射准备工作随即展开。[12]

遥三复飞 东方红五号卫星平台首飞编辑

2019年10月22日,由远望21号、22号船组成的火箭运输船队从天津港启航并于27日抵达文昌清澜港。[13]随后由公路运输至文昌发射场,在完成了总装,测试等准备工作后于12月21日上午8时离开垂直测试厂房,当日10时抵达发射区。同月27日,海南省公安厅对文昌市部分路段进行交通管制 ,发射前3小时开始对外来车辆逐步采取限制。[14]此次发射央视新闻在中国大陆几家网络直播平台上对此次发射进行了直播,无电视台直播,也有一些中国大陆网民将央视的直播画面转播至YouTube上。[15]此次发射搭载着东方红五号平台实践20号(亦为遥二所搭载的实践18号补发),由于此首飞星搭载着包括电推进、10Gbps激光通信,可展开式热辐射器等尖端技术。[16]保密性较强,网络直播的发射场信号直至起飞前1分钟才开始。

27日20时45分,火箭点火升空,174秒后助推器分离,195秒后抛整流罩,由于“归零”后的YF-77为了提高工作的稳定性,导致推力少量下降,一二级分离由遥一的475秒延长到了495秒,T+774秒,二级一次关机,此时星箭组合体位于菲律宾海,关岛以西的海域上空,2200秒后,星箭分离,实践20号进入超同步转移轨道。[17]次年1月6日,发射任务搭载的实践20号完成定点,在轨验证工作开始。[18]

此次发射也是2019年全世界最后一次发射任务。[19]

遥四 天问一号火星绕落巡任务编辑

长征五号系列火箭的第一次应用性发射即为天问一号火星探测任务。此次任务也是中国大陆自东方红一号发射以来的第一次行星际飞行任务,用于此次任务的YF-77引擎于2020年1月19日完成100秒校准试车[20],而探测器则于同年4月24日,被命名为天问一号。星箭组合体于7月17日转运至文昌发射场101工位,在对箭体完成检查之后开始低温燃料加注[21]

2020年7月23日12时41分,中国在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场,用长征五号遥四运载火箭携中国第二次火星探测任务“天问一号”探测器发射升空,383秒后,星箭组合体离开大气层,整流罩被抛离,一级关机时间与遥三相同,T+708秒,二级一次关机,滑行952秒后二级二次点火,开始火星转移变轨,飞行2086秒后,二级二次关机,在调整姿态后进行器箭分离,此时天问一号高度已经达到470km,2530秒后太阳翼展开成功。[22][23],这是中国第一次完全自主实施的火星探测任务,也是第一次行星际飞行任务。

遥五 嫦娥五號月球采样返回任务编辑

2020年11月24日4时30分,在中国文昌航天发射场,“长征五号”遥五运载火箭成功发射探月工程“嫦娥五号”探测器,顺利将探测器送入预定轨道,开启中国首次地外天体采样返回之旅。长征五号遥五运载火箭发射升空后,先后实施了助推器分离、整流罩分离、一二级分离以及器箭分离等四次分离。

“嫦娥五号”探测器由轨道器、返回器、着陆器、上升器四部分组成,后续在经历地月转移、近月制动、环月飞行后,着陆器和上升器组合体将与轨道器和返回器组合体分离,轨道器携带返回器留轨运行,着陆器承载上升器择机实施月球正面预选区域软着陆,按计划开展月面自动采样等后续工作[24]

研发目标编辑

长征五号系列火箭的主要目标是满足在未来20-30年中国到达近地轨道同步转移轨道任务的大型有效载荷要求。[6] 长征五号运载火箭服役和位于海南岛的文昌航天发射场落成使得中国具备25吨的近地轨道运载能力和14吨的地球同步轉移轨道运载能力,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。[7]

设计编辑

长征五号系列火箭現任總設計師是李東,首任總設計師(2001年1月-2006年1月)是徐盛華。中國運載火箭技術研究院上海航天技術研究院分別承擔芯级及助推器的研制任務。

长征五号系列火箭的设计思想以通用化、系列化、组合化为重点。长征五号整流罩直徑5.2公尺,长12.3米,长征五号B型長度更達20.5公尺,可搭载三种专门为其设计的火箭发动机,完全采用无毒无污染的液氢煤油液氧推进剂,分别为推力为120吨的YF-100液氧煤油高压补燃循环发动机、推力为50吨的YF-77燃氣循環氢氧发动机和推力为9吨的YF-75D膨脹循環氢氧发动机。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(芯一级)或两个9吨级的YF-75D发动机(芯二级),3.35米模块包含两个120吨级的YF-100发动机,2.25米模块包含一个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长征五号,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。

其120噸級液氧發動機設計難度大,必須獨力開發上百項新技術或新材料,中国航天推进技术研究院製造初始四台樣機在高台測試時,兩台啟動爆炸,兩台燃油系統燒毀,[25]第五台樣機才成功,液態燃料槽在2012年6月30日靜力測試時也發現焊接口裂縫,薄壁大直徑燃料槽是國際高端機密技術,焊接工藝和結構設計全靠自力摸索,最終研製成功。

120吨级的YF-100液氧煤油发动机於2012年7月29日測試成功[26]。但此前研发遭遇一些困难,进度数次推迟[27][28][29][30]。长征五号火箭已于2015年3月23日完成芯一级动力系统第二次试车[31];2016年1月起,长征五号在文昌航天发射中心进行合练,共計140天。[32]长征五号歷時十年研制,于2016年11月3日完成首飞。

意义编辑

长征五号不只有纸面数据上取得突破,中国的下一阶段探月工程、载人航天工程和火星探测计划,都亟需大推力运载火箭。例如,旨在实现月球表面着陆并返回地球这一目标的嫦娥五号重达8吨,除了长征五号,没有其他现役中国火箭能将其送上月球。重达20吨的空间站核心舱只能由长征五号B型送入近地轨道。火星探测器天问一号也同样于2020年7月23日由长征五号发射升空。此外,旨在取代神舟系列的中国新一代载人飞船、太空望远镜同样需要更大吨位的火箭。

未來长征五号将用于完成嫦娥五号等发射任务;长征五号乙运载火箭已于2020年5月5日完成首飞,2021年至2023年间将用于发射天宫号空间站天和号核心舱问天号实验舱夢天号实验舱巡天号光學舱[33][34][35]

衍生构型编辑

长征五号运载火箭编辑

长征五号运载火箭为二级半构型,芯级直径5米,捆绑4个3.35米直径斜头锥助推器,是系列中性能最高的型号。全箭总长56.97米,起飞质量878.556吨,起飞推力约1062吨,主要承擔地球同步转移轨道任務,运载能力14吨,較中国原有运载火箭提升2.5倍,其整流罩長度达12.3公尺[36]

长征五号B运载火箭编辑

长征五号B运载火箭為此系列的近地轨道版本,取消第二级,为一级半构型,是中國首款一級直接入軌火箭,全箭总长53.7米,起飞重量837.5吨,近地轨道运载能力达22吨,主要承担中国空间站舱段发射任务等近地轨道任務。长征五号乙运载火箭整流罩長度為20.5公尺[36]。其一级燃尽后在不受控状态下逐渐落回大气层焚毁。[37]

發射記錄编辑

已发射编辑

飞行次序 火箭型號 火箭序号 上面級 起飞时间(UTC+8 发射工位 有效载荷 卫星轨道 发射结果 備註
1 五號 遥一 远征二号 2016年11月3日
20時43分13秒998毫秒
文昌航天发射场一号工位 实践十七号卫星 地球静止轨道 成功[38] 發射過程中二級故障提前關機[39],但上面級透過延長燃燒時間成功把衛星送入預定軌道
2 五號 遥二 2017年7月2日
19時23分23秒425毫秒
文昌航天发射场一号工位 实践十八号卫星 地球同步轉移軌道 失败[40] 一級引擎液氧泵损毁导致一台引擎停车,最终因推力不足入轨失败,坠毁于关岛以东,马里亚纳海沟附近的海域
3 五號 遥三 2019年12月27日
20時45分10秒526毫秒
文昌航天发射场一号工位 实践二十号卫星 超地球同步轉移軌道 成功[41] 遥三所搭载的实践20号卫星为原遥二搭载的实践18号补发[42][43]
4 五乙 遥一 2020年5月5日
18时00分27秒092毫秒
文昌航天发射场一号工位 新一代载人飞船试验船
柔性充气式货物返回舱试验舱
近地轨道 成功[44] 火箭发射成功,其携带载荷之中的柔性充气式货物返回舱试验舱在5月6日返回过程中出现异常。[45]

而另一载荷,新一代载人飞船试验船自主提升到大椭圆轨道,其返回舱于5月8日13时49分在东风着陆场安全着陆。[46]

5 五號 遥四 2020年7月23日
12时41分15秒167毫秒
文昌航天发射场一号工位 天问一号 地火转移軌道 成功[47] 此系列火箭首次应用性发射[48]
6 五號 遥五 2020年11月24日
04时30分21秒806毫秒
文昌航天发射场一号工位 嫦娥五号 地月轉移軌道 成功
成功率:83.33%


計划中编辑

飞行次序 火箭型號 火箭序号 上面級 预计起飞时间(UTC+8) 发射工位 有效载荷 卫星轨道 发射结果
7 五乙 遥二 2021年3月 文昌航天发射场一号工位 天和号核心舱 近地轨道
五乙 遥三 2021年-2023年 文昌航天发射场一号工位 问天号实验舱 近地轨道
五乙 遥四 2021年-2023年 文昌航天发射场一号工位 梦天号实验舱 近地轨道
五號 2023年 文昌航天发射场一号工位 嫦娥七号 地月轉移軌道
五乙 2024年 文昌航天发射场一号工位 巡天太空望远镜 近地轨道
五號 2024年 文昌航天发射场一号工位 嫦娥六号 地月轉移軌道
五号 2024-2025年 文昌航天发射场一号工位 太阳轨道太空望远镜 日心轨道

火箭規格编辑

 
长征五号系列火箭家族:CZ-200,CZ-300,CZ-340,CZ-500核心(无助推器无法起飞)和CZ-522型号。
版本[33] CZ-5-504 CZ-5-200 CZ-5-320 CZ-5-522 CZ-5-540
助推器 4xCZ-5-300, YF-100 -- 2xCZ-5-200, YF-100 2xCZ-5-200 2xCZ-5-300, YF-100 4xCZ-5-200, YF-100
第一级 CZ-5-500, 2xYF-77 CZ-5-200, YF-100 CZ-5-300, YF-100 CZ-5-500, 2xYF-77 CZ-5-500, 2xYF-77
第二级(不用于近地轨道) CZ-5-HO, 2xYF-75D CZ-YF-73, YF-73 CZ-5-KO, CZ-5-HO, 2xYF-75D CZ-5-HO, 2xYF-75D
第三级 (不用于近地轨道) -- -- CZ-5-HO, YF-75D -- --
推力 (海平面)[33] 10.565 MN(百万牛顿)[49] 1.34 MN 7.2 MN 8.24 MN 5.84 MN
发射重量[33] 878.556 t 82 t 420 t 630 t 470 t
最大高度 56.97 m [49] 33 m 55 m 58 m 53 m
载荷(近地轨道[33] 25 t [49] 1.5 t 10 t 20 t 10 t
载荷(地球同步转移轨道[33] 14 t [49] -- 6 t 11 t 6 t

全球現役大型运载火箭性能比较编辑

現役大型运载火箭性能比较(截至2020年11月)
国家 型号 运载能力(吨) 起飞重量(吨) 发射价格(万美元) 运载系数(%) 成本/载荷(万美元/吨) 发射成功率 发射总数
近地轨道 同步转移轨道 近地轨道 同步转移轨道
  美國 猎鹰重型运载火箭(不回收) 63.8[50] 26.7[50] 1420[50] 15000[51] 4.49 1.88 235 100% 3
  美國 猎鹰重型运载火箭(回收) 大于28[52] 8-16[註 1][52] 1420[50] 9000[52] 1.97 0.56/1.12 321 100% 3
  美國 三角洲4號重型運載火箭 28.79[53] 14.22[54] 733.3 35000[55] 3.93 1.94 1216 100% 40
  中国 长征五号运载火箭 25[56] 14.4[57] 867 2.88 1.66 80% 5
  俄羅斯 安加拉A5運載火箭 24.5[58] 5.4/7.5[59] 768.9 10000[60][61] 3.19 0.70/0.98 408 100% 1
  俄羅斯 质子M型运载火箭 23[62] 6.92[63] 697.6 6500[64] 3.30 0.99 283 89.81% 108
  美國 獵鷹9號運載火箭FT(不回收) 22.8[52] 8.3[52] 549[52] 6200[52] 4.15 1.51 263 100% 57
  歐洲 亞利安5號ECA 20 11.115 777 17800 2.57 1.43 890 95.24% 105
  美國 擎天神5號運載火箭(551型) 20.52 8.9 574 15300 3.57 1.55 746 100% 81
  美國 獵鷹9號運載火箭FT(回收) 15.6[52] 5.5[52] 549[52] 5000[52] 3.06 1.00 297 100% 57
  日本 H-IIB运载火箭 19 8 549.25 11250 3.46 1.47 678 100% 8
  日本 H-IIA运载火箭 15 5.8 444.9 9000 3.37 1.30 600 97.50% 40
  中国 长征七号运载火箭 13.5 5.5 594 2.27 0.92 100% 2
  中国 长征三号乙运载火箭 11.5[65] 5.5[66] 472.7 7000[67] 2.43 1.16 608 97.22% 66
  印度 地球同步卫星运载火箭3型号 10[68] 4 640 5100[69] 1.56 0.62 640 100% 3

[52]

类似火箭编辑

编辑

  1. ^ 视回收助推器数量可变

参考文献编辑

引用编辑

  1. ^ 1.0 1.1 Long March 5 Will Have World's Second Largest Carrying Capacity. Space Daily. 2009-03-04 [2012-09-04]. 
  2. ^ Space.com staff. China Tests Powerful Rocket Engine for New Booster. Space.com. 30 July 2012. The more capable Long March 5 rocket is expected to help the country achieve its goal of constructing a space station in orbit by the year 2020, as well as play a key role in China's future space exploration aims beyond low-Earth orbit. The rocket's maiden launch is expected to occur in 2014. 
  3. ^ 梁小虹委员:长征5号火箭实现首次全体数字化设计. 中國政府網. 2009-3-3. 
  4. ^ 长征五号火箭. AirForceWorld.com. 2016-06-12 [2016-07-01]. (原始内容存档于2016-10-03). 
  5. ^ 张静. 飞了!长征五号遥三火箭发射!. 大河报网. [2020-04-11]. 
  6. ^ 6.0 6.1 长五运载火箭计划11月上旬发射 将承担空间站等重大发射任务-搜狐. mt.sohu.com. [2016-11-16]. 
  7. ^ 7.0 7.1 长五首飞成功!中国“奔月”“探火”靠它了-新华网. news.xinhuanet.com. [2016-11-16]. 
  8. ^ 长征五号遥二箭发射实践十八号卫星失利央视现场直播三小时完整版. bilibili.com. [2020-07-13]. 
  9. ^ 长征五号遥二箭发射实践十八号卫星失利央视首次新闻播报. CCTV. [2020-07-13]. 
  10. ^ 胖五”再战太空 与失败有关的900多个日夜,我们马不停蹄,只为一个答案. CCTV. [2020-07-14]. 
  11. ^ 长五”失利原因查明 “复飞”托举“东五”平台. 中新网. [2020-07-14]. 
  12. ^ 深度披露:“长五”走出至暗时刻的背后. 参考消息. [2020-07-14]. 
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来源编辑

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