長(cháng)征五號是長(cháng)征系列火箭中第一個(gè)直徑達到5米的大胖子，被火箭研制者們親切地稱(chēng)為“胖五”。想知道這個(gè)外表憨厚的“胖五”有哪些精巧有趣的技術(shù)創(chuàng )新嗎？請看中國經(jīng)濟網(wǎng)記者從中國文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)回的報道。

　　新型動(dòng)力，綠色環(huán)保

　　“胖五”作為我國目前最大推力的運載火箭，其最大亮點(diǎn)就是擁有強大的綠色環(huán)保的中國芯——三型兩種新型火箭發(fā)動(dòng)機。它們就是2001年立項的50噸級氫氧發(fā)動(dòng)機、2006年立項的9噸級膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機和2000年立項的120噸級液氧煤油發(fā)動(dòng)機。這是航天科技集團六院“長(cháng)征五號”新動(dòng)力研制人員歷經(jīng)20余年創(chuàng )新攻關(guān)交上的優(yōu)秀答卷。

　　三型發(fā)動(dòng)機各有特色

　　50噸氫氧發(fā)動(dòng)機是“胖五”的芯一級主動(dòng)力，是我國首臺大推力、高性能、地面起動(dòng)直接入軌的氫氧發(fā)動(dòng)機，由兩臺獨立工作的單機通過(guò)機架并聯(lián)構成，地面推力達100 噸。具有完全自主知識產(chǎn)權、100%國產(chǎn)化，綜合性能達到國際先進(jìn)水平。它的研制成功，填補了我國大推力氫氧發(fā)動(dòng)機空白，使我國液體火箭推進(jìn)技術(shù)的整體水平跨上一個(gè)大的臺階。

　　膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機在工作過(guò)程中，全部推進(jìn)劑都能無(wú)損失地燃燒產(chǎn)生推力，性能高，也因此被業(yè)內稱(chēng)為“最優(yōu)動(dòng)力循環(huán)”。作為“胖五”的芯二級主動(dòng)力發(fā)動(dòng)機，9噸級膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機采用先進(jìn)的閉式膨脹循環(huán)系統，且可以通過(guò)多次啟動(dòng)，助推火箭進(jìn)入地球轉移軌道。它的研制成功，標志著(zhù)我國上面級氫氧發(fā)動(dòng)機達到了世界先進(jìn)水平，實(shí)現了重大技術(shù)跨越。研制過(guò)程中獲得了超高轉速氫渦輪泵技術(shù)、主動(dòng)引射高空模擬試車(chē)技術(shù)等為代表的一批具有自主知識產(chǎn)權的先進(jìn)成果。

　　“胖五”的助推級采用了120噸級液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機。這款發(fā)動(dòng)機，是我國單管推力最大、技術(shù)最先進(jìn)、應用前途最廣泛的新型動(dòng)力裝置，該發(fā)動(dòng)機的研制，填補了我國補燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機技術(shù)空白，使我國成為繼前蘇聯(lián)之后第二個(gè)掌握高壓補燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機技術(shù)的國家，實(shí)現了從常規有毒推進(jìn)劑開(kāi)式循環(huán)液體推進(jìn)技術(shù)至綠色無(wú)毒推進(jìn)劑閉式循環(huán)液體推進(jìn)技術(shù)的巨大跨越。以液氧煤油發(fā)動(dòng)機為主動(dòng)力的長(cháng)征五號新一代系列運載火箭，運載能力與國外最先進(jìn)的“阿里安5”、“宇宙神5”、“德?tīng)査?”、“安加拉”運載火箭達到同一水平。

　　薄皮大餡，堅不可摧

　　長(cháng)征五號運載火箭這個(gè)大胖子，身高約57米，起飛時(shí)體重約870噸。大家肯定會(huì )覺(jué)得，“胖五”外殼必須特別厚重，才能足夠堅固�？墒悄阒�道嗎？火箭殼體“蒙皮”厚度是毫米級。

　　火箭的外殼專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)稱(chēng)為“蒙皮”，“蒙皮”的主要材料為鋁合金，這種材料強度高、耐腐蝕、重量輕、成本低，在長(cháng)征三號甲系列、長(cháng)征二號F等火箭飛行過(guò)程中綜合性能最好，是做“蒙皮”的最佳選擇。而且，最重要的一點(diǎn)，鋁合金材料輕，可以為火箭減輕重量，人們形容火箭是“薄皮大餡”，“蒙皮”薄了，就可以裝更多的燃料，“舉”起更重的衛星。

　　火箭要外殼輕薄，更要堅不可摧。為此，航天科技集團中國運載火箭技術(shù)研究院的設計人員在設計時(shí)，會(huì )在“蒙皮”內部用一個(gè)個(gè)框環(huán)和桁條組成一個(gè)圓柱型的框架，把框架與蒙皮鉚接在一起，組成火箭的殼段。該院火箭箭體結構設計師邵英翠介紹：“火箭‘蒙皮’很薄、很軟，但根據受力分析進(jìn)行科學(xué)計算、結構優(yōu)化后，用鉚釘把‘蒙皮’和框架固定，每一殼段有上千個(gè)鉚釘，就保證了整體結構的強度和剛度�！�

　　當然，如果“蒙皮”過(guò)薄，靠不斷加密內部框架來(lái)保證堅固性的話(huà)，反而會(huì )使體重增加，達不到預期效果。因此，設計人員要計算出蒙皮和框環(huán)、桁條的最佳配比。隨著(zhù)技術(shù)不斷進(jìn)步，設計人員計算得越來(lái)越精確，火箭結構也越來(lái)越優(yōu)化，“蒙皮”的厚度也隨之變得越來(lái)越薄。

　　箭體結構設計人員李操說(shuō)：“在滿(mǎn)足箭體剛度和強度的前提下，火箭殼體薄了，整個(gè)火箭的重量就減輕了，既能保證有效承載，也讓火箭飛行地更完美�！�

　　邵英翠說(shuō)：“以‘長(cháng)五’火箭為例，火箭整流罩的‘蒙皮’面板厚度只有0.3毫米，在相同剛度下，火箭殼段的重量將減少10%以上�！�

　　“冰箭”不冷，三層防寒

　　“胖五”也稱(chēng)冰箭，因為它肚子里裝滿(mǎn)深低溫液氫液氧燃料，其中液氫溫度達零下253攝氏度、液氧達零下183攝氏度。

　　火箭體內90%以上都是這種深低溫燃料，但火箭并不冷，外表面溫度依然可以保持在0℃以上，這是因為火箭的燃料貯箱外都穿著(zhù)“防寒服”，讓火箭內部的儀器、設備、電纜等正常工作。

　　“防寒服”有里有面共3層，一共不到30毫米，卻是給火箭保持體溫的利器，“冰箭”不冷全靠它�！胺篮�服”中的“棉花層”不能直接涂在貯箱金屬表面，因為貯箱受冷收縮時(shí)，“棉花”層因收縮性能比金屬小會(huì )導致脫粘，影響隔溫效果。所以，它有“里”有“面”。

　　“防寒服”的“里”是一層膠粘劑，不到1毫米厚，比“棉花”層更適應金屬材料的熱脹冷縮，且摩擦力大，能同時(shí)與金屬材料的貯箱和“棉花”完美貼合，設計人員又叫它“緩沖層”。

　　“防寒服”的“面”是一層蘸膠玻璃纖維織物，0.9毫米厚，它也叫保護層，可以保護“棉花”不吸收外界水氣、不被損壞，更好地發(fā)揮隔溫性能。

　　“棉花”層全稱(chēng)“低密度全閉孔泡沫塑料絕熱層”，氫箱外表的“棉花”層厚20毫米，氧箱外表的“棉花”層厚10毫米。這種棉花層由近10種原材料按照配比高速撞擊混合反應而成，航天科技集團中國運載火箭技術(shù)研究院703所防隔熱材料設計師申雄剛介紹說(shuō)，這近10種材料分成兩組，都是液體，就像“哥倆好”膠水一樣，一旦混合，會(huì )在10秒鐘之內發(fā)生發(fā)泡反應、固化成形。

　　“長(cháng)五”火箭“棉花”層與其他火箭不同，因為選用了新型發(fā)泡材料，其他材料的比例等也變了，申雄剛說(shuō)，材料研制人員為此做了千余次試驗，研究新型“棉花”層的性能。

　　數字總裝，自動(dòng)合體

　　過(guò)去，我國運載火箭芯級的貯箱、箱間段“合體”靠手動(dòng)完成�，F在，“胖五”大火箭卻實(shí)現了數字化總裝、“自動(dòng)”對接。

　　過(guò)去，我國現役運載火箭芯級的最大直徑是3.35米，貯箱長(cháng)10米左右，它們的貯箱、箱間段“合體”時(shí)，需要有人用肉眼辨別貯箱和箱間段的對接處是否吻合，再由多名總裝工人手動(dòng)調整貯箱和箱間段的位置和姿態(tài)。但“胖五”的貯箱直徑5米、長(cháng)20米、重5噸，“眼看、嘴喊、手工推”的老辦法不管用了，不僅費時(shí)費力，難以實(shí)現精確對接，還可能給大火箭造成損傷。

　　2012年，航天科技集團中國運載火箭技術(shù)研究院所屬的天津火箭公司成立了集合多名“精兵強將”的“智能制造總體技術(shù)組”，負責數字化總裝對接裝備的研制和技術(shù)攻關(guān)工作。

　　人們設想著(zhù)：用測量系統代替人的眼睛觀(guān)察箭體位置和姿態(tài)；用控制系統代替“喊號手”處理測量系統的數據，并向機械設備系統傳送控制指令，讓機械設備系統調整箭體位置、姿態(tài)，完成對接。

　　攻關(guān)展開(kāi)后卻冒出了“攔路虎”。數字化總裝對接技術(shù)負責人李新友回憶說(shuō)：“由于貯箱是‘弱剛性’部件，在停放和調姿時(shí)，可能會(huì )因機械設備系統的擠壓而受損。同時(shí)，由于箭體質(zhì)量重達5噸，研制人員還要考慮機械設備的承重問(wèn)題。作為總裝對接裝備的‘大腦’，控制系統要向機械設備系統的各‘關(guān)節’發(fā)號施令，而每個(gè)‘關(guān)節’的動(dòng)作又不相同，這就加大了控制系統的壓力……”

　　技術(shù)組的研制人員一方面創(chuàng )新思路，一方面積極與相關(guān)科研院所、高校、生產(chǎn)單位展開(kāi)協(xié)同，最終成功“斬虎”。2013年底，他們完成了測量系統、控制系統、機械系統的生產(chǎn)及驗收，并開(kāi)展相應的試驗和改進(jìn)工作。

　　2016年春，長(cháng)征五號首飛箭的總裝工作全面鋪開(kāi)，經(jīng)過(guò)反復“練兵”后，大火箭芯一級的數字化總裝對接順利完成。

　　李新友說(shuō)：“大火箭芯一級貯箱告別‘手動(dòng)合體’，讓我們完成了火箭制造工藝的升級，標志著(zhù)我國成為繼美國等航天強國后又一個(gè)掌握數字化總裝對接技術(shù)的國家�！�

　　仿真試驗，又快又省

　　“胖五”采用了全數字化三維設計方法，這讓它的研制過(guò)程又快又省。

　　“臺上一分鐘，臺下十年功”，研制人員通過(guò)先進(jìn)的“數字試驗”技術(shù)，在真實(shí)試驗前，早已進(jìn)行了成百上千次的“預演”。

　　一臺投影儀、一個(gè)幕布……這種在會(huì )議室才常見(jiàn)的設備，卻是技術(shù)人員進(jìn)行“數字試驗”設計演示的常用工具。試驗件運輸、吊裝、裝配……逼真的試驗件、清晰的試驗流程，“數字試驗”呈現的是一組組視頻動(dòng)畫(huà)�？捎袝r(shí)不足一分鐘的動(dòng)畫(huà)，卻要花上試驗人員好幾個(gè)月的時(shí)間。

　　“關(guān)鍵在計算！要保證仿真試驗的可信度�！� 航天科技集團中國運載火箭技術(shù)研究院的試驗人員說(shuō)。以前，試驗準備經(jīng)常是依賴(lài)經(jīng)驗、靠想象�？涩F在，全憑計算和仿真。試驗怎么做，要像演電視劇一樣，試驗人員得提前“寫(xiě)劇本”。

　　技術(shù)人員說(shuō)，長(cháng)五火箭個(gè)頭兒最大，它的很多地面試驗幾乎都是全新的。就拿長(cháng)五火箭全箭模態(tài)試驗來(lái)說(shuō)，芯一級和助推器“進(jìn)塔”不光是個(gè)力氣活兒，更是個(gè)技術(shù)活兒。雖說(shuō)天津全箭振動(dòng)塔幾乎是為長(cháng)五火箭“量身打造”，可火箭要想一次進(jìn)塔成功，試驗人員都得巧妙地“排兵布陣”。

　　通過(guò)動(dòng)畫(huà)，能夠看到1、2、3、4 號助推器“四兄弟”誰(shuí)先進(jìn)、誰(shuí)后進(jìn)，得根據塔高、寬、長(cháng)排次序。甚至連助推器是“頭”先進(jìn)還是“尾”先進(jìn)、吊裝傾斜角度等這些細節，都要靠試驗人員通過(guò)計算來(lái)確定。

　　真實(shí)試驗中，長(cháng)五火箭一次進(jìn)塔成功。如果沒(méi)有預先進(jìn)行的“數字試驗”，這一路不知會(huì )有多少磕磕碰碰，甚至反復。

　　技術(shù)人員說(shuō)，“數字試驗”不光是對試驗進(jìn)行預演，更重要的還能“預見(jiàn)”試驗可能發(fā)生的故障，讓問(wèn)題提前暴露、提前解決。在一次次試驗預演、實(shí)戰中，“數字試驗”技術(shù)不斷優(yōu)化，為長(cháng)五火箭等新研型號的地面試驗“一次成”發(fā)揮了重要作用。

　　全景天窗，通訊暢通

　　過(guò)去，我國在役火箭的整流罩都是金屬鋁“三明治”結構，上下兩層金屬鋁板，中間夾層是蜂窩結構，這使得內部的衛星信號受到金屬“屏蔽”，衛星裝在里面無(wú)法與外界通訊，必須在整流罩上開(kāi)個(gè)“天窗”，用其它透波材料打個(gè)“補丁”，才能保持衛星與地面通訊暢通。

　　而長(cháng)征五號火箭整流罩，創(chuàng )新性地采用了全透波結構，讓原來(lái)的“小補丁”變成了整個(gè)整流罩，就像給衛星信號開(kāi)了“全景式天窗”。

　　航天科技集團中國運載火箭技術(shù)研究院長(cháng)征五號火箭結構設計副主任設計師戴政介紹，長(cháng)征五號火箭整流罩直徑5.2米，透波材料的泡沫層厚度只有近30毫米，全整流罩厚度必須控制精準，才能保證結構穩定性和可靠性。

　　這給生產(chǎn)帶來(lái)了大難題，戴政比喻說(shuō)，泡沫結構要在兩個(gè)模具中填充成型，生產(chǎn)時(shí)，就好比要在兩個(gè)摞起來(lái)的大勺子中填充奶油，要保證奶油厚度一致，兩個(gè)勺子間間距控制必須精準，否則成型后的產(chǎn)品就不合格，為此，生產(chǎn)車(chē)間進(jìn)行了幾個(gè)月的攻關(guān)才完成生產(chǎn)，這也換來(lái)了衛星的高質(zhì)量通訊。

　　不僅如此，戴政說(shuō)：“過(guò)去，衛星不同，整流罩上‘開(kāi)天窗’的位置、結構就不同，沒(méi)有通用性，現在的‘全景式天窗’不用考慮‘開(kāi)天窗’問(wèn)題，通用性強，后續設計和生產(chǎn)效率都將得到提高�！�

　　作為新一代火箭的奠基之作，“胖五”全身上下、里里外外都是“新”的。它應用的先進(jìn)核心技術(shù)多達247項，記者所講述的只是其中一小部分。正是因為有了這樣永不滿(mǎn)足的創(chuàng )新精神，在星辰大海的征途上，中國人的太空探索夢(mèng)想才能一步步變成現實(shí)。（中國經(jīng)濟網(wǎng)記者 佘惠敏）