冰箭不冷,长征5号运载火箭与众不同之处有哪些?

一、前言

2016年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,长征五号运载火箭首次发射任务取得圆满成功。长征5号运载火箭核心技术具有完全自主知识产权,是中国目前运载能力最大的火箭,肩负着我国探月三期工程、载人空间站工程和火星探测工程等大型载荷和深空探测任务载荷的发射任务,将实现我国液体运载火箭直径从3.35米至5米的跨越,使我国进入空间能力提升2.5倍以上。此次发射成功,是中国由航天大国迈向航天强国的重要标志。下面我们就一起来看一看长征5号有哪些特点:

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长征五号模型

二、研发历史

2006年,我国开始立项研制长征五号,2016年长征五号的首次出现让许多国人为之震惊,长征五号遥一火箭发射了实践17号技术试验卫星,此次任务获得了较为圆满的成功。相隔一年长征五号遥一火箭的"姐妹"遥二火箭也要进行发射,但是由于火箭在发射时发动机部分出现了故障最终失败了。虽然这次的失败令人十分沮丧,但是两年后,长征五号遥三运载火箭带着荣光前来,最终发射成功。

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其实在研发长征五号之前,长征系列运载火箭已经累计发射322次了,成功率高达96%,但是长征五号研发出来之后,一共只发射了三颗运载火箭,成功率只有不到60%,而长征五号发射的极低成功率也恰恰印证了长征五号的研制难度之高。

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长征系列火箭

三、基本参数

长征五号的起飞重量就有878吨,而"特殊"的重量伴随着的必定是巨大的推力,长征五号的起飞推力有1078吨。长征五号是目前长征火箭中体型最大、推力最强的,整体技术都进入国际先进水平。

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与兄弟姐妹与众不同的外观让长征五号被亲切地称为"胖5"。它的体征是我国目前运载火箭中最大的,比其他现役运载火箭大了近一半。单单是芯级直径,就比其他的现役运载火箭多出了1.65米,助推器的直径也多出了1.1米,这就直接导致长征五号的腰围比其他的运载火箭要宽出许多。

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在身高上,长征五号也突破了新纪录。高达57米的身高,意味着在长征五号里,能够容纳更多的推进剂,充足的燃料也就保证了其强大的推进能力,也可以让长征五号拥有更大的运载能力。

四、技术分析与技术解读

那么长征五号上都使用了哪些新技术呢?让我们来一探究竟:

1、液氧-煤油发动机和液氢-液氧发动机的首次使用

首先是动力系统。为了能够有更大的载荷量,我国航天者在发动机研发上做了巨大投入。长征五号本身是一个多级火箭运载手,所以不同搭载器和不同类型发动机的搭配其实十分重要。芯级火箭需要采用效率更高的液氢-液氧发动机,初级中级的火箭发射使用的是效率相对较差,但推力更大的液氧-煤油发动机,这样高低错落的动力系统搭配可以使火箭的性能发挥到最大。

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液氧-煤油发动机不仅能够把火箭的性能发挥到最大,它还有别的发动机没有的特别之处。液氧-煤油发动机采用了闭式循环方式,而且还采用了高压强补充燃气的特殊方式,让高压推动涡轮,让涡轮里的燃气进行补充式燃烧,使其性能比现在用的开式循环发动机高10%以上,而且这款发动机还可以重复点火使用,避免了点火检测的浪费问题,省下了大量的时间和大批的费用,为发动机飞行后的回收再利用创造了条件。

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2、新型铝硅系耐火材料发射台

因为火箭发射时会产生巨大的热量,为了让火箭发射台不被发射时的热量冲坏,世界各个航天大国对发射台的热防护方法都不太一样,中国的长征五号在研发过程上也遇到了该问题。长征五号点火时产生的热量几乎是曾经其他现用型火箭从未达到过的,所以火箭发射台的耐烧蚀隔热材料也需要重新进行研发,研发的新型材料不仅需要承受住10台发动机同时点火产生的热量,还需要抗住海南沿海地区的高温度、高湿度、高紫外线等多重环境难题,为此技术人员专门为长征五号研制了一种新型的材料——铝硅系耐火材料。那么究竟什么是铝硅系耐火材料呢?

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其实这种材料是由莫来石、堇青石和铝盐酸盐水泥等原料组成的,经过检验,这种材料常温下的抗折强度可达到9.1mpa,常温下的耐压强度为65.7MPa,耐火度为1580摄氏度,而且经过发动机烧蚀实验后发现,在400秒内,6mm厚的钢板在30mm厚的铝硅系耐火材料的保护下背面温度居然没有超过60摄氏度,而且该材料还解决了海南地区环境对火箭造成的影响,不仅能够耐盐、耐雾,还能够抗老化,在这种材料的加持下,长征五号的首次飞行任务圆满成功。

3、新型推进剂技术

长征五号的推进剂也是国家专利技术之一。长征五号之前的长征系列火箭的第一级、第二级都采用的是UDMH和N2O4作为推进器,虽然这两种燃料都可以在常温和常压下进行长时间的储存,但是二者的毒性非常大,一不小心就会造成中毒,不仅对研究人员的生命和发射场周围的居民环境有严重的威胁,对发射场的设施环境、燃料等都带来了不同程度的风险。

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新一代的运载火箭长征五号不仅是最大的,还是最有"环保意识"的火箭。它改用了液氧-煤油推进剂和液氢-液氧推进剂,不仅解决了推进剂有毒、有害的问题,还改善了火箭的推力性能。原本的推进剂UDMH和N2O4的比冲在225-258s之间,但是如今,新型的液氢-液氧推进剂的比冲就能达到350-425s。

4、冰箭不冷

上边说了,长征五号使用了新型推进剂:液氢、液氧。这两种推进剂都是低温燃料,液氢温度达到零下253摄氏度,液氧的温度达到183摄氏度。这么低的温度,肯定能够分分钟将火箭内部元件冻成冰渣,尤其是火箭内部许许多多的电子器件。那么这么低的温度如何保证各个电子元件的正常工作呢?工程师们想到:如果把推进剂贮箱用隔温材料包裹起来,防止贮箱内部的低温向外蔓延,就能够有效解决这个问题了。

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长征5号所用的隔温材料大部分是三层的夹心结构,中间一层则是填充的新型发泡材料,这种发泡材料就像棉被一样,有很好的隔温作用,从而避免燃料贮箱的低温向外传播,影响火箭内部的仪器,设备,电缆等正常工作。最里边的一层是胶粘剂,能够更好的贴附在贮箱表面,适应贮箱的热胀冷缩。最外面一层是蘸胶玻璃纤维织物,强度很高,可以防止隔温材料发生破坏,而且可以很好的隔离外界的水汽。

五、总结

长征5号火箭是我国全新研制的一型大推力、高可靠、无毒无污染的新一代运载火箭,也是我国起飞规模最大、运载能力最大的一型运载火箭,总体技术达到国际先进水平。长征5号首飞的成功,标志着我国由航天大国迈向了航天强国,使我国运载火箭的规模实现了从中型到大型的跨越,进入空间能力提升了两倍多,使中国运载火箭的整体技术水平向前迈进了一大步。

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本文参加【科学V计划】,内容为作者原创。

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