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长征五号运载火箭

长征五号运载火箭,又称“大火箭”、“冰箭”,是我国为满足进一步航天发展需要,弥补中外差距,在2006年立项研制的一次性大型低温液体运载火箭。

长征五号运载火箭由中国航天科技集团公司研制,采用通用化、系列化、组合化思想设计。长征五号系列运载火箭由二级半构型的基本型长征五号运载火箭(代号:CZ-5)和不加第二级的一级半构型长征五号乙运载火箭(代号:CZ-5B)组成,运载能力将分别达到地球同步转移轨道13吨,近地轨道23吨。中国未来天宫空间站的建设、探月三期工程及其它深空探测的实施都将使用该火箭系列发射。

目前,长征五号运载火箭的研制已经进入到试样阶段并突破全部关键技术。长征五号运载火箭将于2015年(今年)完成制造并进行合练。预计于2016年11月初在中国海南文昌航天发射场首飞。

火箭名称长征五号运载火箭火箭外号大火箭、冰箭
研制单位中国航天科技集团公司首飞时间2016年11月初(预计)
LEO运载能力25吨GTO运载能力13吨
箭体长度56.97米起飞质量约869吨
起飞推力约1078吨发射场海南文昌卫星发射中心

火箭设计思路

指导思想

瞄准世界先进水平,实现跨越式发展,努力缩小与先进国家的差距。

实现通用化、系列化、组合化设计,形成高可靠、低成本、无污染、好使用的新型运载火箭。

坚持独立自主开发,争取国际合作。

既继承又创新,力求整体优化,不追求过高的单项技术性能。

设计思想

系列化、通用化、组合化,即不是为某一特定的任务设计火箭,而通过不同模块的不同组合形成覆盖各个运力区间的火箭系列。

设计原则

一个系列:即长征五号系列及其衍生的长征七号系列和长征六号

两种发动机:即120吨级YF-100液氧煤油火箭发动机及50吨级YF-77液氧液氢火箭发动机。

三个模块:即5米直径模块、3.35米直径模块和2.25米直径模块。

长征五号乙运载火箭

长征五号乙运载火箭(CZ-5B)是长征五号的子型火箭,主要承担我国空间站舱段发射任务。不同于长征五号基本型火箭,长征五号乙是一级半构型,全箭总长53.7米,芯级直径5米,助推器直径3.35米,起飞重量837.5吨,近地轨道运载能力大于22吨。

预计2017年-2018年,长征五号乙运载火箭将在文昌航天发射中心首飞,发射我国新一代多用途载人飞船的试验飞船。

火箭布局结构

长征五号运载火箭分为六种构型,用字母A-F表示,分别对应其下属的六款火箭。其中构型A、B、C为带助推器的一级火箭结构(即“一级半”),主要用于发射近地轨道航天器;构型D、E、F为带助推器的二级火箭结构(即“二级半”),主要用于发射高轨道航天器。其中构型D为基本型。

长征五号采用模块化设计,火箭各组成部分对应不同的模块:芯一级对应5米直径火箭芯级模块,芯二级对应5米直径火箭上面级模块,3.35米直径助推器对应3.35米直径火箭助推级模块,2.25米直径助推器对应2.25米直径火箭助推级模块。四种基础模块根据不同方式搭配再加上整流罩等火箭部件就可以形成六种不同构型火箭。

长征五号基本型(即构型D)包含了上述所有4个模块,涵盖了系列火箭所有关键技术项目,结构具有代表性,下面以它为例进行火箭总体布局介绍。

长征五号运载火箭基本型为带助推的两级火箭。火箭由顶至下依次为卫星整流罩、子二级(上面级)、子一级、2个3.35米和2个2.25米直径助推器。

卫星整流罩采用冯·卡门气动外形泡沫夹层结构和横向线性分离装置。

在芯一级配置2台50吨级以液氢液氧为燃料的YF-77火箭发动机,第一级燃料箱旁捆绑了四个助推器,3.35米和2.25米直径助推器交替排列。3.35米直径助推器配置2台120吨级以液氧煤油为燃料的YF-100火箭发动机,2.25米直径助推器配置单台120吨液氧煤油发动机。芯二级(即上面级)采用改进的长征三号甲三子级膨胀循环氢氧发动机YF-75D作为主动力。每个助推器上有一个稳定尾翼。

芯一级

芯一级采用5米直径火箭芯级模块。5米直径模块采用全新的大直径技术,使用液氢和液氧作为推进剂,使用2台50吨级YF-77发动机双摆,以及相应的新的增压输送系统和伺服机构等。

为了简化操作、提高可靠性、降低成本,芯级采用独立结构的贮箱,而不采用共底结构。

长征五号一级氢箱生产中运用铣焊一体技术、内撑外压技术和辅助支撑技术等手段。长征五号在箭体加工上使用了先进的搅拌摩擦焊技术。

直径 5.0米
推进剂 液氧液氢
总长度 31.7米
液氧加注量 133.3吨/117.28立方米
液氢加注量 24.7吨/350.69立方米
推进剂加注总量 158.3吨
结构质量 17.8吨
加注后总质量 175.6吨
发动机 两台YF-77氢氧发动机
海平面推力 2×510kN
真空推力 2×700kN
海平面比冲 3085m/s
真空比冲 4179m/s
发动机工作时间 480秒

助推器

助推器与芯级的捆绑连接采用成熟的静定连接方式,为提高火箭的运载能力并改善结构的动特性,采用前支点传力方式,前支点设在箱间段。为降低分离过程中的冲击、提高可靠性,火箭的分离系统采用线性分离装置。助推器与芯级相同采用独立结构的贮箱。长征五号火箭推进剂储箱使用2219铝合金。

1、3.35米直径助推器

继承中国长征二号等火箭芯级已有的3.35米直径技术,使用液氧和煤油推进剂,安装两台120吨级YF-100液氧煤油发动机,再加上与发动机配套的增压运输系统和伺服机构等。

直径 3.35米
推进剂 液氧煤油
总长度 27.6米
煤油加注量 97.5吨/85.78立方米
液氧加注量 37.5吨/44.83立方米
推进剂加注总量 144.0吨
结构质量 12.0吨
加注后总质量 155.7吨
发动机 两台YF-100液氧煤油发动机
海平面推力 2×1200kN
真空推力 2×1340.5kN
海平面比冲 2942m/s
真空比冲 3286.2m/s
发动机工作时间 180秒

2、2.25米直径助推器

2.25米直径模块继承长征二号等火箭助推器已有的2.25米直径技术,使用液氧煤油推进剂,安装一台120吨级YF-100液氧煤油发动机,再加上与发动机配套的增压运输系统和伺服机构等。

直径 2.25米
推进剂 液氧煤油
总长度 25.0438米
煤油加注量 45.5吨/40.03立方米
液氧加注量 17.5吨/20.92立方米
推进剂加注总量 63.0吨
结构质量 6.0吨
加注后总质量 69.0吨
发动机 一台YF-100液氧煤油发动机
海平面推力 1200kN
真空推力 1340.5kN
海平面比冲 2942m/s
真空比冲 3286.2m/s
发动机工作时间 150秒

芯二级

芯二级采用5米直径火箭上面级模块。同样作为5米直径模块,其采用全新的大直径技术,使用液氢和液氧作为推进剂,采用改进的长征三号甲三子级膨胀循环氢氧发动机YF-75D作为主动力,2次启动,发动机双摆,以及相应的新的增压输送系统和伺服机构等。另外芯二级采用无毒、无污染辅助动力系统,配有气氧煤油姿控发动机。

芯二级的液氢箱采用与芯一级氢箱相同的结构形式,液氧箱则采用直径3.35米悬挂贮箱。

直径 5.0米
推进剂 液氧液氢
总长度 10.6米
液氧加注量 19.1吨/16.54立方米
液氢加注量 3.8吨/53.95立方米
推进剂加注总量 17.1吨
结构质量 4.8吨
加注后总质量 22.2吨
发动机 两台YF-75D氢氧发动机
真空推力 2×81.3kN
真空比冲 4340m/s
发动机工作时间 700秒

整流罩

长征五号有效载荷整流罩外形是冯·卡门外形(原始卵形)+圆柱形,由两个半罩组成,直径为5200毫米,分为12.267米、20.5米两个长度系列,分别用于长征五号和长征五号乙。

整流罩依结构可划分为端头帽、前锥段、前柱段、基本圆柱段和横向分离段五个模块。

端头帽采用带加强框架的层压玻璃钢半球壳结构形式,属中国运载火箭成熟技术。

前锥段为冯卡门外形,采用由碳/环氧面板和聚甲基丙烯酰亚胺(PMI泡沫)芯子组成的夹层结构。PMI泡沫与铝蜂窝相比具有较高的弯曲刚度和侧压强度,且有较好的热变形能力,能很好地吻合冯·卡门不可展开曲面成型工艺,而成本可降低20%~25%。

前柱段采用由碳/环氧面板和铝蜂窝芯组成的蜂窝夹层结构,结构质量轻,结构简单,属中国运载火箭成熟技术。

基本圆柱段采用铝合金半便壳式结构形式,结构适应性强、承载能力大,组合方便、属于中国成熟技术。

由于气流的冲刷,在有效载荷整流罩的外表面,特别是端头帽和前锥段的外表面会产生比较大的热流,因此有效载荷整流罩需采取防热措施。有效载荷整流罩的防热结构,是在外表面粘贴特制的低导热系数复合材料。

火箭发动机

YF-100发动机

YF-100是一种液氧煤油分级燃烧循环火箭发动机,是中国1990年代中期研发的八十五吨推力发动机的挖潜型。在长征五号系列运载火箭中它将被安装在火箭的助推器上。YF-100采用先进的富氧预燃分级燃烧循环。YF-100发动机地面推力约120吨,地面比冲约300秒,真空推力约136吨,比冲约335秒,喷口直径约1.4米,可以65%节流以调节推力。

YF-100可以回收重复利用,指一台发动机在台架试验阶段可以进行多次试车,而且试车后仍可用于发射,以减少研制成本。

YF-77发动机

YF-77是一种液氧液氢燃气发生器循环火箭发动机,将被用于长征五号系列运载火箭的芯一级。YF-77采用双涡轮分别驱动液氢泵和液氧泵工作方式,具有混合比和推力调节功能,地面推力约52吨,比冲约310秒,真空推力约70吨,比冲约419秒,喷口直径约1.45米。

YF-75D发动机

YF-75D发动机是中国新一代氢氧上面级发动机,采用膨胀燃烧循环。YF-75D发动机性能现有的YF-75发动机相近,均为真空推力约80千牛和真空比冲约440秒,但可靠性有了很大提高,还可能具备更多的启动次数,将用于长征五号系列运载火箭的上面级。

系列子型号

  长征五号甲 (CZ-5A) 长征五号乙 (CZ-5B) 长征五号丙 (CZ-5C) 长征五号丁 (CZ-5D) 长征五号E 或长征五号(CZ-5E / CZ-5) 长征五号F (CZ-5F)
其它名称 CZ-522 CZ-504 CZ-540 CZ-522/HO CZ-504/HO CZ-540/HO
对应火箭构型 构型A 构型B 构型C 构型D(基本型) 构型E 构型F
5米直径芯级模块数量/个 1 1 1 1 1 1
3.35米直径助推级模块数量/个 2 4 0 2 4 0
2.25米直径助推级模块数量/个 2 0 4 2 0 4
5米直径上面级模块数量/个 0 0 0 1 1 1
整流罩直径/米 5.2
整流罩长度/米 约18 约20.5 约13 约18 约20.5 约13
高度/米 约50 53.66 约45 60.5 63.2 约54
起飞推力/千牛 约8200 10780吨 约5800 8350 约10600 约5800
起飞质量/吨 约620 837.5 约460 675 850 约480
发动机台数/台 8 10 6 10 12 8
运载能力/吨 LEO:18 LEO:25 LEO:10 GTO:10 GTO:14 LTO:10 火星探测轨道:6 GTO:6
应用   执行中国天宫空间站的舱段、超重型应用卫星等低地球轨道任务     发射嫦娥五号、深空探测器、超重型应用卫星、北斗导航卫星等中高轨道任务  

研制历史

论证与预研阶段

1986年11月中国启动实施了高技术研究发展计划,简称863计划。“863计划”中的第二个重要的高技术领域航天技术领域主题项目之一为大型运载火箭和天地往返运输系统主题(简称为204主题项目)。

90年代,担任863计划火箭发动机和大型运载火箭专家组组长的朱森元提出中国新一代运载火箭,必须是低成本、高可靠、无污染、模块化研制、积木式发展的。该建议在经过论证和完善后,成为中国新一代运载火箭发展的基本原则。

2001年中国新一代大推力运载火箭研制计划正式立项。这一时期,火箭研制专家组确定了两条火箭模块确定原则:一是以火箭发动机推力来确定模块,包括助推模块,推力为120吨力(正负20吨),采用液氧煤油发动机,和箭身模块,推力为50~70吨力(地面推力50吨,真空推力70吨,正负20吨),采用液氢液氧发动机;二是以火箭箭身直径为模块,包括2.25米、3.35米和5米箭身模块。

动力系统方面,二十世纪80年代中国张贵田院士就提出发展高压补燃液氧煤油发动机的设想,经过其努力863计划将液氧煤油发动机列入规划。1988年他率领队伍开始研究性试验,到1990年全面开展关键技术攻关,1990年从前苏联引进了2台RD-120高压补燃液氧煤油发动机进行原理研究,此后1995年进行全系统发动机试车。以此为基础中国开始开发国产YF-100高压补燃液氧煤油发动机,1998年动力部门取得涡轮泵联试的成功,为开展高压补燃液氧煤油发动机铺平了道路。

2000年9月YF-100大推力液氧煤油发动机通过研制和技术保障条件国家立项,2001年10月转入初样研制阶段,2005年12月转入试样阶段。

上世纪90年代中国开始大推力氢氧发动机的研制工作,最终YF-77于2001年12月研制立项获得批复,发动机关键技术攻关全面展开。

方案设计阶段

2006年10月国防科工委、财政部联合批复了新一代运载火箭基本型工程研制的立项进入工程研制。

初样研制阶段

2009年2月20日,长征五号运载火箭通过方案转初样阶段评审,进入初样研制阶段。

2011年,一级半最大构型长征五号乙立项进入工程研制。

2012年,长征五号系列运载火箭进入大型地面验证最后阶段。

2012年1月11日,长征五号系列运载火箭首件一级氢箱研制成功。

2012年2月,长征五号系列运载火箭顺利完成初样第二轮全箭数字样机模装协调工作,在中国火箭史上首次实现了全型号数字工程化应用。

2012年5月31日,长征五号系列运载火箭研制在天津顺利完成助推器大型分离试验,这是初样研制阶段最重要的大型地面试验之一。

2012年6月,长征五号火箭芯级二级氢箱全面展开液氢状态低温静力试验。

2012年12月初,长征五号系列火箭首个整流罩在中国运载火箭技术研究院211厂成功下线。

2012年12月28日,长征五号运载火箭全箭振动试验拉开了序幕。

2013年3月,长征五号系列运载火箭贮箱首次声发射技术试验成功。

2013年4月10日,长征五号运载火箭一级氧箱完成了低温静力试验。

2013年6月27日,完成5.2米直径整流罩分离试验,是迄今为止中国进行的最大直径的整流罩分离试验。

2013年6月29日,长征五号在北京成功进行助推器动力系统试车。

动力系统方面,2009年12月,YF-77转入试样研制阶段。

2012年5月28日,120吨级液氧煤油发动机项目通过国家国防科工局验收。

2012年7月29日,YF-100大推力液氧煤油发动机在西安成功进行了极限工况热试车。

2012年8月17日,YF-77氢氧发动机500秒长程热试车取得圆满成功,标志着2014年长征五号火箭首飞发动技术状态已经确定。

试样研制阶段

2013年7月11日,长征五号运载火箭通过初样转试样阶段评审,进入试样研制阶段。

2013年8月21日,长征五号首个箭体总装进入收尾阶段。

2013年10月,长征五号芯一级箭体装载用大型集装箱成功研制。

2013年10月16日,长征五号全箭振动特性试验全面展开。

2013年10月,长征五号火箭助推模块超大尾翼研制成功。

2014年03月,中国航天科技集团公司一院成立了新一代运载火箭联合指挥部,统筹管理协调长征五号、长征五号乙、长征七号和固体运载火箭的研制工作。

2014年12月,助推器斜头锥静力试验。

2015年2月9日,芯一级发动机第一次点火试验。

2015年3月24日,芯一级发动机第二次点火试验。

2015年4月2日,辅助动力系统试车。

2015年4月14日,上面级分离试验。

动力系统方面,2014年4或5月,长征五号火箭芯二级氢氧发动机YF-75D进入验收阶段。

2014年6月23日,YF-100通过了工艺鉴定试车,进入工程应用阶段。

2014年7月,YF-75D完成高空模拟校准试验。

长征五号运载火箭
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最新更新:2016-09-10 22:32
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