李東 劉秉（中國運載火箭技術研究院）

作為我國首個一級半構型火箭，長征五號B運載火箭突破了多項關鍵技術，于2020年5月5日成功首飛，將新一代載人飛船試驗船及返回艙試驗艙的組合體準確送入預定軌道，標志著我國運載火箭近地軌道運載能力躋身國際前列，為我國空間站工程任務的順利實施奠定了堅實基礎。

1 概述

載人航天工程第三步將進行載人空間站的建設，工程的目的是掌握空間組裝技術，建成我國完整的載人空間站工程系統(tǒng)。長征五號B運載火箭是按照我國載人航天工程第三步——空間站工程任務要求，為滿足空間站艙段發(fā)射任務而研制的一型大型液體運載火箭。2011年11月，上級批復選用長征五號系列火箭中的一級半最大構型承擔發(fā)射空間站艙段任務，運載火箭命名為長征五號B，代號CZ-5B。

長征五號B運載火箭遵循與長征五號火箭進行產品化設計的原則，繼承長征五號火箭研制基礎，滿足空間站工程任務要求。2012年1月，長征五號B運載火箭順利通過方案轉初樣評審，轉入初樣研制階段。2018年11月，順利通過初樣轉試樣評審，轉入試樣研制階段。

為滿足空間站艙段發(fā)射任務要求，長征五號B運載火箭突破了20.5m長整流罩分離技術、大直徑艙箭連接分離技術、大推力直接入軌精度控制和分離安全控制技術等重大關鍵技術。突破了考慮彈性及氣動影響下的大型整流罩分離仿真預示技術，解決了大型整流罩分離的安全性；突破了大型低溫動力系統(tǒng)的循環(huán)預冷技術、零秒脫落氣液連接器技術等，提升了零窗口發(fā)射適應能力；突破了大直徑艙箭連接解鎖裝置的降沖擊技術，解決了大直徑艙箭安全可靠連接及分離技術；突破了大推力直接入軌末級箭體的安全鈍化技術，解決了艙箭分離安全性的難題。

長征五號B運載火箭首飛任務為長征五號系列運載火箭第4次發(fā)射，也是“長征”系列運載火箭第331次發(fā)射。

長征五號B運載火箭布局圖

2 火箭總體情況

長征五號B運載火箭全長約53.7m，芯一級直徑5m，捆綁4個直徑3.35m助推器，整流罩長20.5m、直徑5.2m，采用無毒無污染的液氧、液氫和煤油作為推進劑，起飛質量約849t，近地軌道運載能力大于22t，是目前我國近地軌道運載能力最大的運載火箭。

芯一級采用Φ5m直徑模塊，2臺地面推力510kN的YF-77氫氧發(fā)動機雙向擺動。助推器采用4個Φ3.35m直徑模塊，每個模塊配置2臺地面推力1188kN的YF-100液氧/煤油發(fā)動機，每個助推器擺動靠近芯級內側的1臺發(fā)動機。

整流罩頭錐采用馮·卡門外形，直徑Φ5.2m，長20.5m，有效凈空間直徑Φ4.5m；整流罩分離方案采用旋轉式分離；整流罩分離能源采用分離彈簧。

助推器與芯級之間的傳力路線采用前捆綁傳力、助推器支撐的傳力方案；助推器分離采用橫向分離方案；助推器分離能源采用側推火箭。

長征五號B運載火箭與長征五號火箭同屬長征五號系列，兩型火箭共享了5m大直徑箭體結構、大推力液氧/液氫發(fā)動機、大推力液氧/煤油發(fā)動機、大型活動發(fā)射平臺、系統(tǒng)級冗余控制技術等關鍵技術，最大程度地通過共用模塊及產品化，來適應不同軌道發(fā)射任務需要。長征五號B運載火箭助推器和一級箭體、助推發(fā)動機和一級發(fā)動機相關產品采用與長征五號火箭通用化的設計方案，長征五號B運載火箭在研制過程中不需要在開展相關研制試驗；同時，產品生產也可以實現(xiàn)批量化，對發(fā)射場地及相關發(fā)射支持設備的需要也可以做到統(tǒng)一，極大地節(jié)約了研制成本和研制周期。

轉運中的長征五號B火箭整流罩

3 主要技術特點

為滿足我國載人空間站工程需求，長征五號B運載火箭和長征五號火箭相比，有三大區(qū)別：

一是從構型上看，長征五號B運載火箭采用一級半構型，由芯一級+助推器+艙罩組合體組成，在長征五號火箭的基礎上取消了芯二級。采用了少級數的設計理念，全部火箭發(fā)動機均在地面點火起動，減少了一次級間分離，火箭一級直接入軌，同時箭地接口大量采用零秒連接器等技術，提升了火箭的固有可靠性和安全性。

二是從外觀上看，兩型火箭的最大區(qū)別在于整流罩，長征五號火箭的整流罩長度為12.267m，而長征五號B運載火箭的整流罩長度達20.5m，其容積超過345m3，是我國目前有效載荷容積最大的火箭整流罩，從而更好地滿足空間站艙段發(fā)射任務需要，是我國現(xiàn)役火箭最大整流罩容積的1.8倍，與國外大型火箭整流罩尺寸規(guī)模處于同一水平。

三是從用途上看，長征五號火箭主要用于發(fā)射高軌大型衛(wèi)星以及各類深空探測器，例如東方紅五號平臺衛(wèi)星、嫦娥五號月球探測器、火星探測器等；長征五號B運載火箭則主要用于發(fā)射近地軌道的大型航天器及艙段，例如空間站的核心艙和實驗艙等。

大整流罩研制及分離技術

長征五號B運載火箭整流罩直徑5.2m，長度20.5m，容積超過345m3，是我國目前有效載荷容積最大的火箭整流罩，從而能更好地滿足空間站艙段發(fā)射任務需要，與國外大型火箭整流罩尺寸規(guī)模處于同一水平。

整流罩由端頭、錐段、組合前柱段、后柱段和轉接框組成。為了改善氣動特性，整流罩錐段采用流線型的馮·卡門曲線外形，可以更好地減小空氣阻力，減輕載荷影響。同時整流罩分離采用了旋轉式分離方案，確保超大整流罩可以安全、可靠地實現(xiàn)分離。

為突破20.5m整流罩分離關鍵技術，研制團隊按照理論和試驗2個大方向開展了技術攻關工作。通過研究彈性整流罩在分離過程中能量占比關系和分離運動特性，突破了大型整流罩彈性、氣動情況下的仿真技術，實現(xiàn)了整流罩分離系統(tǒng)在飛行、地面試驗的高精度理論預示；通過開展3次整流罩分離試驗，有效驗證了分離系統(tǒng)設計的正確性和系統(tǒng)間接口的協(xié)調性，驗證了分離系統(tǒng)對于故障模式的適應性。

另外，長征五號B運載火箭整流罩部位的氣動加熱作用也更明顯，特別是安裝在整流罩附近的火工品所處的環(huán)境也更熱了，對火工品提出了新的考驗。為此，專門開展了相關分析研究和試驗工作。

大推力直接入軌偏差精確控制技術

為了滿足入軌點精度要求，長征五號B運載火箭采用慣性和衛(wèi)星組合導航、攝動和迭代接力制導的方案。為簡化設計，長征五號B運載火箭沒有單獨的調姿和末速修正系統(tǒng)，而是利用一級火箭直接將有效載荷送入預定軌道。在一級發(fā)動機關機時，約140t的推力在幾秒鐘之內消失，相當于一輛高速行駛的火車突然“剎車”，還要穩(wěn)穩(wěn)?？吭谥付ㄎ恢谩榱藵M足入軌精度、分離安全等方面的更高要求，研制團隊開展了入軌姿態(tài)控制、入軌精度控制、分離安全控制等方面的技術攻關。

發(fā)動機研制團隊開展了一級發(fā)動機推力后效及偏差的精確計算分析工作。通過對發(fā)動機地面試驗中獲取的起動段和關機段推力、流量數據的再分析，準確預估了外界干擾因素對真空推力、液氧泵流量、液氫泵流量的影響。

在此基礎上，總體和控制系統(tǒng)研制團隊提出聯(lián)合仿真的研制模式，通過彈道、導航制導與姿態(tài)控制聯(lián)合仿真，打通專業(yè)之間的仿真設計流程，降低了傳統(tǒng)方法中各種假設條件所帶來的保守性。

研制團隊通過采用姿態(tài)控制增益優(yōu)化和復合制導方法，提高了火箭姿態(tài)控制精度，降低了制導誤差對精度的影響，使火箭在分離時處于最佳“姿態(tài)”和最準位置。同時，增加設置了反推火箭，使火箭一級箭體可以及時避開飛船運行的軌道面，提高了船箭分離的安全裕度。

整流罩地面分離試驗

大直徑船箭連接分離技術

船箭分離時，長征五號B運載火箭一級入軌結構和新飛船結構質量都比較大，新飛船和一級火箭入軌的質量均為約22t。這一量級的船箭連接及分離國內尚屬首次。而且新飛船與長征五號B運載火箭采用直徑為4100mm的大接口尺寸，對船箭連接解鎖裝置、分離能源提出了更高的要求。在保證可靠分離的同時，同樣需要考慮降低分離沖擊對新飛船的影響。

研制團隊克服重重困難，先后攻克了高可靠性船箭連接解鎖裝置研制、分離能源設計選型與布局分析、船箭分離遠/近場安全性計算預示、分離沖擊響應衰減設計等難題，并開展了船箭解鎖裝置靜力試驗、船箭連接解鎖試驗、分離沖擊響應測量及衰減設計驗證試驗等進行性能考核，攻克大直徑星箭連接分離設計關鍵技術。

為降低船箭分離界面的沖擊環(huán)境，研制團隊專題開展了降低船箭界面沖擊環(huán)境的攻關，經理論分析、方案設計、仿真分析及爆炸分離沖擊測試，在多種方案中優(yōu)選出了帶阻尼器的降沖擊框方案，船箭界面沖擊量級降至原沖擊量級的1/3，滿足船箭界面環(huán)境條件要求。

4 發(fā)射服務展望

長征五號B運載火箭首飛成功，將我國運載火箭的近地軌道運載能力提升到22t以上，近地軌道運載能力、運載效率在我國均處于最高水平，在世界上也位居前列，為我國空間站工程的順利實施奠定了堅實基礎。

長征五號B運載火箭首飛任務完成技術方案驗證后，從2021年起，長征五號B遙二至遙四任務將先后完成空間站3個艙段的發(fā)射任務。

長征五號B運載火箭由于其運載能力大的緣故，未來主要執(zhí)行大噸位空間站艙段的發(fā)射任務，遠期還可執(zhí)行大型光學遙感衛(wèi)星、移動通信衛(wèi)星星座等載荷的發(fā)射任務。

長征五號B運載火箭也可以結合每發(fā)任務的實際情況，利用富余的部分運載能力進行商業(yè)搭載發(fā)射，或者與“遠征”系列上面級搭配，進行“一箭多星”的商業(yè)發(fā)射和部署。