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长征五号芯级二级火箭:

复杂航天系统电子信息技术院重点实验室助力“长征五号”飞天

原创 2016-11-09 NSSC 国家空间科学中心

11月3日20时43分,我国最大推力新一代运载火箭长征五号从中国文昌航天发射场点火升空,约30分钟后,载荷组合体与火箭成功分离,进入预定轨道,长征五号跻身全球最强火箭行列。

复杂航天系统电子信息技术院重点实验室周炳红研究员团队在长征五号研制中承担了级间分离过程中上面级推进剂状态研究任务。团队围绕级间分离时序的选择与确定,开展了关键技术攻关工作,确保了上面级液氢液氧推进剂可靠沉底,为长征五号上面级主发动机成功启动做出了重要贡献。

  多级液体运载火箭曾多次在级间分离阶段出现故障。2006年以来,美国SPACEX公司的Falcon 1号(法尔肯1号)火箭在初始的三次试射中均遭遇失败,其原因主要是推进剂沉底控制和级间分离时序设计错误。无独有偶,波音公司的Delta IV火箭也在推进剂沉底控制方面出现了严重问题,导致火箭发射推迟了九个月。    

图:国外几种火箭发射故障情况:红色表示级间分离故障

  复杂航天系统电子信息技术院重点实验室周炳红研究员团队从2008年开始,全面总结了国内外在液体火箭推进剂沉底控制方面的研究经验,提出了完善的研究分析模型。研究成果先后在长征二号上面级主动离轨(减少空间碎片)、探月工程中长征三号上面级延长微重力滑行时间等方面成功应用。

  在长征5号第一级和上面级火箭分离过程中,上面级火箭贮箱中的推进剂经历了复杂的流动过程,控制不当容易导致增压气体进入推进剂管路,导致主发动机点火失败。为了保证上面级主发动机点火成功,研究团队与运载火箭研究院总体部工程人员反复研讨,建立了完整的计算分析模型。该模型将级间分离过程划分为初始过载晃动段、一级关机过渡段、微重力滑行段、推进剂沉底段、主发动机点火段五个阶段,对液氢贮箱和液氧贮箱的流体动力学过程进行三维直接数值模拟。此外,团队还全面考虑了超过二十种可能出现的飞行状态,支撑研究推进剂的运动形态和分布规律,特别是增压气体的运动形态和规律。通过详尽的数值仿真计算研究,最终确定了级间分离时序,提出了方案优化建议,保证了长征五号上面级主发动机的成功启动,为长征五号成功发射保驾护航。


       8月17日,我国“大火箭”长征五号在北京成功进行了芯二级动力系统第二次试车。这是长征五号运载火箭重大地面试验的收官之作。       长征五号运载火箭副总设计师娄路亮表示,长征五号目前已经研制了两个构型,可以覆盖地球同步轨道和近地轨道两大不同类型的发射任务。     “长征五号采用的是模块化设计,目前已经研制了两个构型”。娄路亮告诉记者,两兄弟分别被称作“基本型”和“B构型”,他们的起飞推力一样,只不过“大哥”跑得更久、更远。

       长征5号基本型由芯一级、芯二级和四个助推器共同构成,主要承担地球同步轨道的发射任务,比如通讯卫星、探月工程、深空探测等。它的“小兄弟”B构型,是基本型的简化版,在其基础上减去了芯二级,专门负责近地轨道的发射任务,比如载人空间站、空间实验室等。

       长征五号设计之初,就是按照通用化、系列化、组合化思想来设计的。“未来根据任务需求,还可以扩展出更多的构型。”娄路亮说。

       长征五号火箭近地轨道运载能力25吨,地球同步转移轨道运载能力14吨,与国际上主流运载火箭的运载能力相当,是现役的长征系列运载火箭最大运载能力的两倍左右,未来将成为我国重大航天发射任务的主力火箭。

       长征五号拥有多项技术突破,“三冗余技术”的采用大大提升了火箭控制系统的可靠性。

     “长征五号的研制是我国火箭的一次升级换代。”娄路亮告诉记者,长征五号先后突破了十几项重大关键技术,具有无毒、无污染、高性能、低成本、大推力等优点。同时经过一系列的技术升级和设计方案优化,其可靠性也大幅提升。

       长征五号采用了新型无毒无污染的推进剂,芯级是液氢-液氧,助推器是液氧-煤油。“液氢-液氧推进剂是研制难度最大一种推进剂类型。”娄路亮说,“这种推进剂组合非常环保,以前的推进剂都是有毒的,新型推进剂对操作人员、周围环境、落区等的影响都非常小。”

       娄路亮介绍,在结构设计上,长征五号突破了大推力发动机的研制技术,120吨液氧煤油发动机、50吨液氢液氧发动机使“长五”的庞大身躯可以在短时间内克服地心引力;长征五号比现役火箭粗了许多,箭体直径从3.35米跨越到5米,意味着制造工艺和装备需要整体升级换代;另外推进剂的储箱材料也进行了升级,更容易焊接、更可靠,综合性能大大提升。

       不仅外观大变样,作为长征五号“大脑”的控制系统也进行了升级,突破了“三冗余技术”,使得火箭可靠性大幅提升。娄路亮解释说,以前的双冗余就是有备份,比方说一只表不准了,还有另一只表可以参照,这时要取两者的平均值,结果的准确度也会受一定影响;而三冗余实质上是个表决措施,相当于“少数服从多数”,比如三只表出现了不同的示数,可以将偏差较大的那个值去掉,取剩下两个的平均值。这样一来,产品的可靠性就会大大提高。

       此次试车是为“嫦娥五号”量身定制,为后续探月打基础。此次试车具有承前启后的作用。娄路亮说,“这次试车的实验设计就是按照发射“嫦娥五号”的任务需求量身定制的。包括开机、关机、滑行多长时间,都是严格按照“嫦娥五号”任务的飞行时序来设计。这对后续探月打下了非常好的基础。”       目前,长征五号的研制阶段就告一段落了,接下来即将转入应用服务阶段。娄路亮告诉记者,“在下一步的发射场合练中,长征五号火箭系统还要和测控系统、有效载荷比如‘嫦娥五号’等等进行大系统之间的匹配试验,来验证和外系统之间的协调性。”

       长征五号是我国自主研发的首枚大推力的火箭。“所有的设计和生产,都具有完全的自主知识产权。”包括关键材料、发动机材料、箭体结构等核心技术。标志着我国在运载能力和运载效率上,达到了航天强国的水平。


       8月17日下午,长征五号运载火箭芯二级动力系统试车再传捷报,标志着长征五号新一代运载火箭重大地面试验任务圆满收官,为火箭转入合练和明年首飞奠定了坚实的基础。试验台各系统工作正常,发动机按照真实飞行时序点火、滑行、摇摆和正常关机,试验取得圆满成功。

       国防科工局局长许达哲、副局长吴艳华,集团公司董事长雷凡培,总经理吴燕生、杨保华,一院李洪院长、六院谭永华院长、副院长周利民等领导和朱森元、龙乐豪、余梦伦等院士,11所(京)、101所有关领导和专家现场指导试车。

       许达哲表示航天发展,运载先行。长征五号火箭实现了新动力、新结构等一系列重大突破,有力提升了我国液体火箭动力技术发展,大幅提升了我国运载火箭总体技术水平。在后续工作中,将坚持创新驱动,着力提升原始创新能力,实现运载火箭技术跨越发展,确保探月工程三期、载人空间站等重大任务如期实施。

      本次试车是长征五号运载火箭重大地面试验的收官之战,意义重大。试车过程中发动机工作参数平稳,与预调值一致,成功验证了发动机双机技术状态,双机结构及与伺服机构之间的工作协调性、增压输送系统与发动机之间结构与参数的协调性。

       今年是膨胀循环氢氧发动机研制任务最繁重、最艰巨的阶段,每一项工作的背后,都包含着研制队伍艰辛的努力和辛勤的汗水,他们无怨无悔的付出将为后续我国发展高性能上面级氢氧发动机研制奠定坚实基础。

       全体参试人员发扬连续作战、拼搏奉献的精神和“严慎细实”工作作风,在工作时序、摇摆程序、氢箱置换方案、氢常温补压压力带、增压预喷和增压预冷流程等方面进行了状态调整。针对技术状态变更,调整和细化操作规程,加强系统测试,强化技术状态变化后的测试覆盖性,进一步强化质量安全工作,有力的保证了试验准备工作的顺利及试验台各系统的可靠性和稳定性。

       承担试验任务的动力系统试验台是101所为新一代运载火箭研制试验专门设计建设的,自2012年11月27日首次承担并成功进行长征六号一子级动力系统试验任务至今,已经先后完成了新一代三型运载火箭8个模块12次动力系统试验任务,次次成功的战绩展现了功勋试车台的荣耀,也成为了101所科研生产区的新地标。

      长征五号运载火箭计划于2016年择机进行首次飞行试验,2017年前后在海南发射场发射探月工程三期嫦娥五号探测器。据介绍,该火箭成功突破我国5米大直径箭体结构设计、制造及试验技术难关,完成我国最大规模助推器分离等一系列大型地面试验,大幅提升了我国运载火箭的总体技术水平;完成120吨液氧煤油发动机、50吨液氢液氧发动机等的研制,填补了国内空白,达到国际先进技术水平,有力提升了我国航天液体火箭动力技术发展,为进一步完善我国运载火箭能力布局提供了有力保障。此外,长征五号运载火箭的研制,辐射带动了我国多种新材料成型、加工以及大型复杂结构件精密制造等一系列基础技术发展,为我国新型高强度、轻质化材料的深化应用奠定了基础。


长征五号运载火箭圆满完成重大地面试验

  8月17日下午16时35分,我国目前运载能力最大的长征五号运载火箭,在北京成功进行了芯二级动力系统第二次试车。此次试车是长征五号运载火箭工程重大地面试验的收官之作,为后续转入发射场合练和成功实现首飞奠定了坚实基础。

  工业和信息化部部长苗圩,工业和信息化部副部长、国防科工局局长、国家航天局局长许达哲,国防科工局副局长吴艳华、总工程师田玉龙,中国航天科技集团公司董事长雷凡培、总经理吴燕生现场指导试车。

  许达哲表示,航天发展,运载先行。长征五号运载火箭实现了新动力、新结构等一系列重大突破,有力提升了我国液体火箭动力技术发展,大幅提升了我国运载火箭总体技术水平。在后续工作中,将坚持创新驱动,着力提升原始创新能力,实现运载火箭技术跨越发展,确保探月工程三期、载人空间站等重大任务如期实施,加快航天大国向航天强国迈进的步伐,不断谱写我国航天事业新篇章。

  用于此次试验的长征五号运载火箭芯二级产品,直径5米,使用无毒无污染的液态氧和液态氢作为火箭发动机推进剂。点火后,火箭芯二级动力系统按照真实飞行时序,圆满完成了两次启动点火,考核验证了芯二级模块设计方案的正确性和工作协调性。

  长征五号运载火箭不仅是我国首型全新研制的新一代运载火箭,也是我国目前运载能力最大的运载火箭,能够将我国进入空间的能力提升2.5倍以上,可实现地球同步转移轨道最大14吨级的运载能力。工程研制的总体技术指标位居亚洲第一、世界前三,工程研制跨度、技术难度以及任务实施规模在我国运载火箭研制史上均属首次。

  长征五号运载火箭成功突破我国5米大直径箭体结构设计、制造及试验技术难关,圆满完成我国最大规模助推器分离等一系列大型地面试验,大幅提升了我国运载火箭的总体技术水平;圆满完成120吨液氧煤油发动机、50吨液氢液氧发动机等的研制,填补了国内空白,达到国际先进技术水平,有力提升了我国航天液体火箭动力技术发展,为进一步完善我国运载火箭能力布局提供了有力保障。此外,长征五号运载火箭的研制,辐射带动了我国多种新材料成型、加工以及大型复杂结构件精密制造等一系列基础技术发展,为我国新型高强度、轻质化材料的深化应用奠定了基础。

  长征五号运载火箭由航天科技集团公司中国运载火箭技术研究院抓总研制,计划于2016年择机进行首次飞行试验,2017年前后在海南发射场发射探月工程三期嫦娥五号探测器。

 

       2015年8月17日下午16:30,长征五号运载火箭成功完成二级箭体动力系统第二次试车试验。此次试验系长征五号最后一次地面点火试验,首飞指日可待。

       CCTV预报的是8月16日进行试验,推迟了一天到8月17日。


http://tv.cntv.cn/video/C10616/68a7c5fde542492b9aa13c3ff7c0e541

           


【要闻】新一代运载火箭动力系统闯过最后一道关,长五火箭芯二级动力系统试车首战告捷

       2015年7月24日,长征五号运载火箭芯二级动力系统试车在航天科技集团六院101所首战告捷。各系统参数平稳、工作协调、发动机按预订程序正常关机,参试产品状态良好、主要试验性能数据与预设结果一致,试验达到预期目的。

       国防科工局科技委主任、原国家航天局局长栾恩杰、国防科工局副局长吴艳华、集团公司董事长雷凡培、副总经理张建恒、总工程师孙为钢、探月工程副总指挥刘继忠、国防科工局探月中心总设计师胡浩、国家航天局系统工程司司长李国平、一院党委书记梁小虹、我院院长谭永华、副院长周利民等领导和专家现场指导试车。型号总指挥王珏宣布试验取得圆满成功,栾恩杰作重要讲话。 

       本次试车主发动机为先进膨胀循环氢氧发动机,是该型发动机第一次双机状态参加试车,发动机具有高可靠性、高性能、多次启动和任务适应能力强等特点,世界各国已投入使用或在研的新一代运载火箭上面级无一例外采用了膨胀循环发动机技术方案,代表了运载火箭高性能上面级动力的技术发展方向,该发动机由11所(京)研制。

芯二级动力系统试车是长征五号运载火箭型号试样研制阶段最重要的试验之一,是新一代运载火箭研制过程动力系统热试车的最后一个模块,对确保首飞成功意义重大。本次试验是我国迄今为止工作过程最复杂的低温动力系统地面试验,技术创新和攻关难度均在国内动力系统大型地面试验中首屈一指。二级氢系统地面自流预冷、膨胀循环氢氧发动机双机并联在我国运载火箭研制领域均属首次应用,各系统接口也得到了首次全面考核。 

       国防科工局科技委主任栾恩杰表示,新一代运载火箭是科工局成立以后立项的首个火箭,本次试车成功标志着新火箭的研制跃上一个新的台阶,向进入实战又迈近了一步,他代表国防科工局、代表许达哲局长对同志们辛勤的劳动和这次试验取得的成功表示衷心的祝贺。下一步的任务非常艰巨,将在新的发射场用新的火箭发射新的运载器,希望同志们能在已经取得的成果基础上,认真对待研制过程中出现的每一个问题,认真把试验数据分析好,把后续工作安排好,在未来重大的考验面前取得更大的成功。 

     据悉,为确保产品可靠性,本次试车成功后将对产品做状态恢复和检查,于近期进行第二次动力系统试车。(马虹  邓尚)


       7月24日15时8分,我国在研长征五号运载火箭,在北京成功进行了芯二级首次动力系统试车。此次试车是我国迄今为止开展的最长时间系统级火箭动力试车,也是长征五号运载火箭转入发射场合练阶段的重要前提,对于按期实现成功首飞具有重要意义。

  国防科工局副局长、国家航天局副局长吴艳华,国防科工局科技委主任栾恩杰在现场指导试车。

  用于此次试验的长征五号运载火箭芯二级产品,直径5米,总长约11米,使用无毒无污染的液态氧和液态氢作为火箭发动机推进剂。点火后,火箭芯二级动力系统按照真实飞行时序,圆满完成了两次启动点火,考核验证了芯二级模块设计方案的正确性和工作协调性。

  长征五号运载火箭不仅是我国首型全新研制的新一代运载火箭,也是我国目前运载能力最大的运载火箭,承担着后续探月工程三期、载人空间站等多个国家重大科技专项发射任务,目前已进入工程研制决战决胜阶段。

     7月24日下午15点29分,由大火箭研制生产的“长征五号”运载火箭成功完成二级动力系统试车第一次试验,全面验证各系统性能。长征五号是我国目前运载能力最大、尺寸最大的火箭,计划于2016年首飞,其研制生产工作凝聚着全体大火箭人的心血。


在天津厂区完成测试的长征五号芯二级动力系统试车箭

左侧是5米直径的二级液氢储箱,右侧是3.35米直径的二级液氧储箱。

近日,长征五号芯二级动力系统试车箭从中国航天科技集团公司一院211厂天津厂区出厂,抵达六院101所进行动力系统试车的前期准备工作。

长征五号芯二级动力系统试车状态比芯一级更为复杂,任务量也更加艰巨。研制人员本着“后墙不倒”的原则,坚持当天的任务当天完成,确保工作进度。(王秀芝 李戊辰 李志峰)

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