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长征五号零问题归来!
发布时间:2018-12-27
出品:科普中国
制作:中国科普博览
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  201912272045分,长征五号遥三运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空,2000多秒后将实践二十号卫星送入预定轨道,发射飞行试验取得圆满成功。 

  这一刻,我们和亿万航天人一样,热泪盈眶,激动不已。 

 

长征五号遥三火箭发射(图片来源:我们的太空史悦 吕炳宏) 

    

  但同时,可能心中也有一个疑问,虽然以前也听说过长征五号很厉害,但“一发定全局”这样的称号,它配的上吗? 

  这里,我们可以底气十足地告诉大家,配得上,太配得上了! 

 

 

   

  接下来,让我们通过回答两个问题,回应大家的这一疑问,并带大家再次认识这位长征家族的大力士。 

    

  问题一:长征五号,是怎么变成“胖五”的? 

  长征五号遥三火箭CZ-5Y3),江湖人称“胖五” 

  这称号从何而来?多半要“归功于”它5米的腰围。要知道,之前最粗的长征火箭腰围也不过3米多。 

 

1221日,长征五号遥三运载火箭在中国文昌航天发射场完成技术区相关工作后,垂直转运至发射区,计划于12月底前后择机实施飞行试验任务。 新华社发(张高翔摄) 

    

  长五怎么这么不注意体型管理? 

  其实,“变胖”是因为长五想要提升运力,增强实力。 

  随着中国航天实力的不断发展,目标也在不断发展,瞄准更重的载荷、更远的深空、更复杂的任务。 

  比如,大家都非常期待的嫦娥五号,它不仅要落到月球,还要采集月壤再带回来。这就意味着需要更多的燃料,意味着载荷会更大、更重。 

  再比如火星探测任务,人类如果想要冲出地球、达到下一个行星、甚至冲出太阳系,火星几乎是最适合的第一站。但火星离我们太远了,地火距离在5000万到4亿千米左右,仅仅是到达火星,就会耗尽一般火箭全身的力气。 

 

中国火星探测器着陆器悬停避障试验现场。图片来源:新华社 

    

  这时候,就出现了一个矛盾,日益增长的航天需求和相对落后的运力之间的矛盾。 

  为了解决这个矛盾,研发一款大运力的火箭迫在眉睫。 

  那么,怎样让火箭运力变大? 

  这个问题,可以简化为“怎样让火箭容积变大”,很明显可以有两个思路,拉长,或者变粗。 

  长五选择了加粗这条路线。一是因为,火箭有个长径比,就是长度和直径的比例,比较理想的长径比一般是10:1,长径比太大的话,在转弯的过程中,火箭有可能会失控;二是因为这条路线是经过了验证的,美国、苏联、欧洲在研制大运力火箭时候都选用了“加粗”的方案。 

  于是,长五的腰围加粗到了5米,无论是和长征二号F火箭相比,还是和长征三号乙火箭相比,长五都显得“胖”得多。于是,长五变成了“胖五” 

  体重越大,能力越大。“胖五”可不是虚胖,它是strong!它的近地轨道运载能力达到了25吨,是长二F3倍;同步转移轨道的运载能力达到了14吨,是长三乙的2.5倍! 

    

  问题二: “胖五”飞天,有多难? 

  有多难?很难很难。 

图片来源于新浪微博 

    

  这里我们只说几个难点。 

  首先,变“胖”后,5米直径的火箭芯级不仅给设计、仿真、制造及地面各试验带来了革命性的改变,甚至连运输都成了难题。 

  因为腰围超过了不少隧道的宽度,“胖五”无法通过铁路运输,内陆三大发射场它都无法到达。为此,中国航天人选择在在南海之滨兴建了文昌卫星发射中心,让长五走水路,低纬度发射更省劲儿! 

  还有更关键的动力问题。自己重,自己带的东西也重,还想上天,还想去更远的地方看一看。 

  这是家里有矿也不敢想的事儿啊! 

  但是,因为有了亿万勤劳智慧、日夜攻关的航天人们,“胖五”敢想!它给自己订购了一套超豪华动力套餐——整个火箭一级足足有10台发动机,而且全部是新型发动机,起飞推力达到了1000余吨!不仅如此,“胖五还选用了液氢液氧燃料,能够带来更加澎湃的动力 

 

 

  全新的外型,全新的发动机,背后的研发难度和压力,可想而知。要知道,包括中国在内,世界上各航天大国都曾在这个级别的火箭研发上遭遇失利。 

  我们也经历了挫折。大家可能还记得,在长五遥一火箭任务成功后,长五遥二火箭发射时,因为一台发动机的涡轮排气装置在复杂力热环境下局部结构发生异常,导致任务失利,星箭陨落于茫茫大洋。 

  这个力热环境有多复杂? 

  如果说火箭发动机是火箭的心脏,那涡轮泵就是火箭发动机的心脏。高速运转的涡轮泵,要把零下二百多摄氏度的低温燃料,高压注入零上两千余摄氏度的燃烧室中,整个环境是高温、低温、高压、振动、高温、低温、高压、振动……不断交融。因此涡轮泵一旦工作不当,都会带来不堪设想的后果。 

  然而困难和问题吓不退我们航天人。 

  在遥二失利后,上万名航天人夜以继日进行工程和技术攻关。就在两年后的今天,长征五号遥三火箭正式零问题回归,发射取得圆满成功! 

  一飞冲天,一箭定乾坤,一发定全局! 

  插入新闻中的发射图 

  让我们再一次向中国航天,向中国航天人、科研人致敬!期待长征五号和它的兄弟姐妹们,引领我们飞向更高、更远的天空,驶向更加浩渺的,星辰大海!

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