长征五号“两兄弟”——“胖五”与“五弟”_风闻

来源：微信公众号“中国探月工程”

2020年5月，长征五号B运载火箭在中国文昌航天发射场成功首飞，把重约22吨重的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过20吨的航天器，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的地位。

早在上世纪80年代末，在国家863计划的支持下开展了长达20年的新一代运载火箭论证工作。2006年长征五号运载火箭正式获得批复立项。确定了“一个系列、两种发动机、三个模块”的总体发展思路以及”通用化、系列化、组合化”的设计思想。

2016年11月3日，长征五号遥一火箭在海南文昌航天发射场发射升空，首飞任务取得圆满成功。现役的主要有长征五号和长征五号B"两兄弟"。

从外观上看，长五B火箭“身高”近54米，相当于18层楼高，近850吨重。与长五火箭相比，长五B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个级间段，因此相对于长征五号被称作“胖五”，长征五号B可以称为“五弟”。

**长征五号运载火箭（代号：CZ-5）**是长征五号系列的基本型号，为带助推器的两级半火箭。助推器采用4个3.35米直径模块，每个助推器配置2台120吨级液氧煤油发动机。一子级采用5米直径模块，安装2台50吨级氢氧发动机。二子级采用改进自长征三号甲运载火箭三子级的氢氧发动机作为主动力。整流罩与有效载荷一起垂直整体运输、吊装。

**长征五号B运载火箭（代号：CZ-5B）**为带助推器的一级半火箭。其芯一级以及助推器与长征五号基本相同，但是取消了基本型的芯二级，并使用更大的整流罩。长五B火箭也有4个直径3.35米的助推器，是我国首型一级半火箭。

两个**“兄弟”，同本同源，各有专长，各司其职。**

同一系列，不同使命

长五主打高轨卫星、探测器

长五B主打近地载人空间站

二级半的长五火箭擅于“跑长途”，“乘客”包括运行在3.6万公里的地球同步轨道大型卫星、往返38万公里月球取样返回的嫦娥五号探测器，以及飞行数亿公里的火星探测器“天问一号”。

虽然长五B没有长五高，但长五B火箭“头部”——整流罩比长五火箭更大，高度超过20米，能装下10多米长、4米多粗的空间站核心舱。

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，力气仍然最大，一次能运送超过25吨级的载荷，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。

在我国载人航天工程空间站建设阶段的任务中，近地轨道运载能力超过8吨的长征二号F运载火箭负责发射神舟系列飞船；运载能力14吨级的长征七号运载火箭负责发射天舟货运飞船；而运载能力25吨级的长五B火箭则负责把空间站核心舱等主要舱段“搬”到天上。

长二F、长七、长五B三型火箭共同构成我国载人航天工程的“天地运输走廊”，而长五B的力量，决定了我国“天地运输走廊”有多“宽”。

“送上天”很重要，“请下车”也很关键。长五B火箭与空间站舱段的连接接口直径超过4米，研制队伍必须突破大直径舱箭分离技术。他们通过综合比较和试验，选取最优方案，尽可能降低分离时的冲击，让重磅航天器安全、舒适地“下车”。

同一心脏，不同轨迹

芯级采用氢氧发动机

一个是接力入轨，一个是一次入轨

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推器的合理搭配。而芯一级的两台大推力氢氧发动机，从地面点火一直工作到把航天器送入轨道，要“打全场”，责任重大。

氢氧发动机的比冲傲视群雄，但其研制难度极高。载人空间站工程的交会对接等任务，好比在数百公里高的太空“穿针引线”。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。

对氢氧发动机来说，要实现“零窗口”发射，必须确保发射前各项工作环环相扣、步步流畅。如发射前要预先把发动机的温度降得很低，即“预冷”，以防止零下250多摄氏度的液氢和零下180多摄氏度的液氧推进剂进入发动机后发生意外。在长五火箭首飞时，就曾因为发动机预冷不顺利而推迟发射时间。

同时，长五B火箭比长五更轻，但起飞推力与长五相同。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。

长五火箭主要用于月球与深空探测的发射任务，对发射“零窗口”及精确入轨的要求同样很高。性能强大的发动机保证了长五B和长五火箭在精确入轨的前提下，一个“带的更重”，一个“飞得更远”。

同一大脑，不同思路

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，一级大推力精准入轨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，大推力氢氧发动机关机后，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，一方面，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。

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火箭的任务特点。长五和长五B火箭控制系统的硬件是通用的，已实现产品化；软件也无需大改，就能适应长五B火箭飞行任务。

针对发动机“后效”等不确定因素，用数学仿真“打靶”的方法模拟出上万种情况，以验证制导控制率设计的正确性。试验证明，即便预测的“后效”与实际情况有出入，控制系统也能确保火箭精确入轨。

而在火箭总体弹道设计上，除了考虑火箭动力系统的偏差，还要考虑结构、控制等方面的偏差，以完善弹道设计，即便多种偏差“组团”出现，也能保证高精度入轨。

同一试验，不同对象

统筹开展地面试验

确保飞天万无一失

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是否可靠。在长五系列火箭研制过程中，会统筹安排长五和长五B火箭的地面试验，重点对两者的不同之处进行试验。比如，长五B火箭少了二级，全箭模态发生了变化，必须重新做全箭模态试验。模态试验的主要目的是获得产品动特性，即产品运动起来的共振特性。

共振对火箭的影响：一是可能干扰火箭的“眼睛”——速率陀螺正常工作，二是容易振坏局部结构。天津新一代运载火箭产业化基地全封闭式全箭模态试验振动塔，支撑长五/长五B火箭悬挂其中开展全箭模态试验。

此外，试验团队还要在发射场完成火箭“坐”在发射平台上的模态试验。以往新火箭的发射场全箭模态试验都用合练箭，而长五B任务比较特殊，直接用首飞箭合练、试验，这就要求试验队员在操作时确保火箭的绝对安全。长五B火箭超大整流罩分离试验、仪器舱声振联合试验等，都以高效率完成，保障了整体研制工作顺利推进。

“驾龙辀兮乘雷，载云旗兮委蛇。”两千多年前，屈原在《九歌》中用诗句描绘乘雷御风，遨游九天的场景。在航天科技迅猛发展的当代，运载工具的能力对于一个国家航天事业的发展至关重要。长征五号和长征五号B全面提升了我国空间投送和到达能力，将支撑后续我国航天重大专项工程的高效实施，我们期待“胖五”和“五弟”带我们迈向更远的深空，取得更大的成就！