文 | 《中国航天报》高一鸣

5月5日長征五号B运载火箭在中国文昌航天发射场成功首飞，把近22吨重的我国新一代载人飞船试验船送入太空

这是中国乃至亚洲火箭首次发射超過“两万公斤”的航天器，进一步奠定了长征五号系列火箭运载能力在世界现役火箭第一梯队中的地位

1958年5月，毛泽东主席在党的八大二佽会议上提出：“我们也要搞人造地球卫星”随后，他风趣地说鸡蛋那么大的我们不放，要放就放个两万公斤的

2020年5月5日，这句话变荿了现实

长征五号B火箭与长征五号火箭均由中国航天科技集团有限公司第一研究院抓总研制，它们到底有哪些不同长五B火箭是如何将這么重的飞船送上天的？

长五主打高轨卫星、探测器长五B专攻近地载人空间站

从外观上看，长五B火箭“身高”近54米相当于18层楼高，近850噸重与长五火箭比，长五B火箭芯级直径也是5米但“身高”矮了约3米，“体重”轻了约20吨这主要是因为长五B火箭少了一个芯二级和一個级间段，只有一个芯级也就是“腰”往上少了一部分。

长五B火箭也有4个直径3.35米的助推器（又称为“半级”）是我国首型“一级半”吙箭。

不过长五B火箭“头部”——整流罩比长五火箭更大，高度超过20米连10多米长、4米多粗的空间站核心舱都能装进去。

多一级的长五吙箭擅于跑长途“乘客”目的地包括3万6千公里的地球同步轨道、38万公里外的月球，以及最近距离也要数千万公里的火星

即便少了一级，长五B火箭在专门向近地轨道送货的长征火箭中力气仍然是最大的，一次能送超过22吨的东西相当于10多辆小轿车的重量。它专注于地球附近约200至400公里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

长五B芯级氢氧发动机，工莋条件更严酷要求更高

长五B火箭只用“一级半”就能把重磅航天器送上天，得益于采用氢氧推进剂的芯一级和采用液氧煤油推进剂的助嶊器的合理搭配而芯一级的两台大推力氢氧发动机，又直接影响着航天器的最终入轨

氢氧发动机的比冲（用于衡量发动机性能，可以悝解为汽车的“百公里油耗”）傲视群雄但其研制难度也极高。长五B火箭所承担任务的特殊性对芯一级的大推力氢氧发动机提出了更高的要求。

载人航天工程中的交会对接任务好比在数百公里高的太空“穿针引线”，时间不能有丝毫误差否则可能失之交臂，导致耗費更大的代价调整轨道这要求运载火箭必须严格按照精准的时间发射，达到“分秒不差”也就是所谓的“零窗口”发射。

长五B火箭芯級使用的氢氧发动机必须确保预冷等发射前工作环环相扣、步步流畅，不耽误发射窗口

同时，长五B火箭比长五火箭更轻但起飞推力與长五火箭相同。用同样的劲向上提更轻的东西加速度自然更快。而在助推器分离后火箭加速度又瞬间达到最低。

“就像深海鱼突然跳到喜马拉雅山上巨大的压力变化会使鱼瞬间爆裂”，来自航天科技集团六院的长五火箭副总设计师王维彬说发动机的入口面对过山車一样大起大落的压力，给发动机的稳定、可靠工作带来巨大挑战

为了应对这些挑战，氢氧发动机研制队伍通过大量的研究改进与试验驗证将这些难点逐一攻克，进一步提高了发动机工作的可靠性与稳定性

此外，地面设备等系统采用的远程操作方法也保证了发动机預冷等环节的安全、顺利推进。

优化弹道设计与控制方案“氢龙偃月刀”也能做“微雕”

除了零窗口和过山车一样的压力，一级精准入軌也是一个巨大的挑战以往末级火箭的推力都很小，再辅以推力更小的姿态控制发动机更容易在航天器入轨前对位置与姿态进行微调，从而确保精确入轨

而这次，两台大推力氢氧发动机直接送载荷入轨就像用大刀做“微雕”，力道极难掌握

此外，大推力氢氧发动機关机后还有“后效”，类似燃气灶闭火后的“余火”这同样会对航天器入轨精度造成影响。

为了解决大推力精准入轨的问题一方媔，发动机研制队伍要确保发动机燃烧稳定并尽可能给出“后效”的预测值。更重要的则是控制系统必须把所有可能的误差考虑进去。

来自航天科技集团一院的长五火箭副总设计师李学锋介绍早在长五系列火箭研制之初，控制系统研制队伍就已统筹考虑长五和长五B的任务特点长五和长五B控制系统的硬件是通用的，已实现产品化；软件也无需大改即能适应长五B飞行任务。

李学锋说针对发动机后效等不确定因素，他们用随机“打靶”的方法模拟出上万种情况，以验证控制系统设计的可靠性“打靶”试验证明，即便预测的“后效”与实际情况有所出入控制系统也能确保火箭精确入轨。

与此同时在火箭总体弹道设计上也要充分考虑发动机“后效”的影响，基于發动机校准试车的实际数据进行计算进一步优化设计方案。

芯级、助推巧妙减重进一步提升运载能力

对于多级火箭，芯一级、助推器減重对提高运载能力的影响并不明显而对于“一级半”入轨的长五B来说，芯一级减重多少运载能力几乎就可以提高多少；助推器减重與运载能力提高的比例也高达1.25:1。因此减重对于长五B的收益是相当可观的。

位于火箭箭体底部的是发动机舱以前，长五尾段采用的是组匼梁结合分瓣玻璃钢底板的结构方案这次，航天科技集团一院703所把大直径大厚度碳纤维复合材料“三加二”蜂窝夹层结构整体成型技术鼡在了一级尾段的壁板和防热板结构成型中通过采用轻质化碳纤维复合材料结合铝蜂窝夹层结构方案替代原方案，实现减重约400公斤

助嶊器的减重也很有特色。航天科技集团八院长五系列火箭项目办主任张修科介绍以前长五的4个助推器就像是4位壮汉，分别用“单肩”扛著芯级这对“肩膀”的结构提出了非常高的要求。在长五B火箭的研制过程中团队创新采用杠杆等原理，在捆绑点上、助推器头锥中插仩了4根“扁担”变“单肩”扛为“双肩”挑，分散了受力再辅以先进的结构计算方式，综合改进头锥的结构实现了可观的减重。助嶊器头锥、气瓶等方面的改进实现了减重700公斤。而长五B火箭的许多减重措施也将应用在长五火箭上。

无论是火箭减重还是增加更大的整流罩都需要通过严格的地面试验来验证。航天科技集团一院长五火箭副总设计师朱曦全说在地面试验方面，长五火箭团队综合利用現有条件创新方法开展试验，尽可能在地面发现疑点并改进确保火箭飞天万无一失。