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前沿拓展：

1958年5月，毛澤東主席在黨的八大二次會(huì)議上提出：“我們也要搞人造地球衛(wèi)星”。隨后，他風(fēng)趣地說，雞蛋那么大的我們不放，要放就放個(gè)兩萬公斤的。

2020年5月5日，由中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司第一研究院抓總研制的長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)成功首飛，把近22噸重的新一代載人飛船試驗(yàn)船送入太空。這是中國(guó)乃至亞洲火箭首次發(fā)射超過“兩萬公斤”的航天器，進(jìn)一步奠定了長(zhǎng)征五號(hào)系列火箭運(yùn)載能力在世界現(xiàn)役火箭第一梯隊(duì)中的地位。

那么，長(zhǎng)征五號(hào)B火箭與長(zhǎng)征五號(hào)火箭有哪些不同？它是如何將這么重的飛船送上天的呢？

長(zhǎng)征五號(hào)B火箭。 央視頻截圖

十年磨一“箭”

長(zhǎng)征五號(hào)B和長(zhǎng)征五號(hào)火箭同屬一個(gè)系列火箭，但使命任務(wù)不同，長(zhǎng)征五號(hào)B火箭主攻近地載人空間站，長(zhǎng)征五號(hào)火箭主打高軌衛(wèi)星和探測(cè)器。

據(jù)長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭總指揮王玨介紹，從立項(xiàng)到首飛，長(zhǎng)征五號(hào)B火箭經(jīng)歷了近十年的研制歷程。2011年11月，長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭正式批復(fù)立項(xiàng)，承擔(dān)發(fā)射空間站艙段的任務(wù)。2012年1月，長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭方案通過評(píng)審，轉(zhuǎn)入初樣研制階段。2018年11月，長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭轉(zhuǎn)入試樣研制階段。2020年1月19日，長(zhǎng)征五號(hào)B遙一運(yùn)載火箭順利通過出廠評(píng)審，首飛任務(wù)載荷為新一代載人飛船試驗(yàn)船及返回艙試驗(yàn)艙。

在今年1月舉行的《中國(guó)航天科技活動(dòng)藍(lán)皮書(2019年)》發(fā)布會(huì)期間，長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭副總指揮曲以廣接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）采訪時(shí)介紹說，長(zhǎng)征五號(hào)B火箭是我國(guó)現(xiàn)有低軌運(yùn)載能力最大的運(yùn)載火箭，也是我國(guó)首型采用“一級(jí)半”構(gòu)型的火箭，其首飛開啟了中國(guó)載人空間站任務(wù)階段的序幕。

長(zhǎng)征五號(hào)B火箭與其他長(zhǎng)征家族火箭合影。 房大川 圖

“和長(zhǎng)征五號(hào)火箭相比，它倆的個(gè)頭高度差不多，從外觀上看，20.5米長(zhǎng)的整流罩是比較明顯的變化。”曲以廣表示。

從外觀上看，長(zhǎng)五B火箭“身高”近54米，相當(dāng)于18層樓高，近850噸重。與長(zhǎng)五火箭比，長(zhǎng)五B火箭芯級(jí)直徑都是5米，矮了約3米，“體重”輕了約20噸。這主要是因?yàn)殚L(zhǎng)五B火箭少了一個(gè)芯二級(jí)和一個(gè)級(jí)間段，只有一個(gè)芯級(jí)，也就是“腰”往上少了一部分。

長(zhǎng)五B火箭也有4個(gè)直徑3.35米的助推器（又稱為“半級(jí)”），因此，長(zhǎng)五B火箭是我國(guó)首型“一級(jí)半”火箭。不過，長(zhǎng)五B火箭“頭部”——整流罩比長(zhǎng)五火箭更大，高度超過20米，連10多米長(zhǎng)、4米多粗的空間站核心艙都能裝進(jìn)去。那么，長(zhǎng)征五號(hào)B為何采用一級(jí)半構(gòu)型呢？

一般來說，火箭分單級(jí)火箭和多級(jí)火箭兩類，其中多級(jí)火箭又分串聯(lián)式、并聯(lián)式、混合式三種聯(lián)結(jié)方式。

所謂單級(jí)火箭，顧名思義，也就是只靠一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火就直接將載荷送到預(yù)定位置，一步到位，目前我國(guó)長(zhǎng)征火箭中還沒有純粹意義上的一級(jí)火箭。本次首飛成功的長(zhǎng)征五號(hào)B火箭，在一級(jí)上捆綁了四個(gè)助推器，我們一般把助推器算作半級(jí)，所以，長(zhǎng)五B火箭算“一級(jí)半”火箭。

目前采用較多的是多級(jí)火箭。比如，我國(guó)發(fā)射載人飛船的長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭和發(fā)射空間站貨運(yùn)飛船的長(zhǎng)征七號(hào)火箭都是二級(jí)半構(gòu)型火箭。多級(jí)火箭最大的特點(diǎn)是，火箭點(diǎn)火后，最下面一級(jí)的燃料開始燃燒，燃料燃燒完后，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)和儲(chǔ)存燃料的箱體就會(huì)從箭體上分離，從而使火箭“輕裝前行”。其實(shí)，這里有一個(gè)物理學(xué)基本原理，我們知道，推力一定的時(shí)候，物體的質(zhì)量越小，所獲得的加速度就越大，這和“包袱輕了跑得快”差不多一個(gè)意思。所以，我國(guó)的火箭多采用多級(jí)形式，很大一部分原因就是多級(jí)火箭能獲得良好的加速性能。

但是，火箭級(jí)數(shù)也不是越多越好，級(jí)數(shù)多了，控制起來就會(huì)更復(fù)雜，這和“前后輪雙驅(qū)”汽車比“單驅(qū)”汽車控制復(fù)雜是一個(gè)道理。所以，多級(jí)火箭一般不超過四級(jí)，我國(guó)現(xiàn)役火箭，級(jí)數(shù)最多的是長(zhǎng)征十一號(hào)固體運(yùn)載火箭，有四級(jí)。

多級(jí)火箭的聯(lián)結(jié)方式一般有串聯(lián)、并聯(lián)、混合式三種方式。所謂串聯(lián)，就是多級(jí)火箭好像竹竿一樣串在一起，串聯(lián)火箭空氣阻力往往會(huì)較小。所謂并聯(lián)，就是多級(jí)火箭并排捆綁在一起，這在助推器中較為常見。而混合式則是既有串聯(lián)、又有并聯(lián)，比如長(zhǎng)征五號(hào)火箭就是采用四個(gè)助推器和一子級(jí)并聯(lián)捆綁，一子級(jí)又和二子級(jí)串聯(lián)的方式。實(shí)際上，真正設(shè)計(jì)一款火箭的構(gòu)型的時(shí)候，需要考慮的因素是非常多的，對(duì)火箭的運(yùn)載能力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料選擇、速度控制等都需要極為精確的計(jì)算和試驗(yàn)。

即便少了一級(jí)，長(zhǎng)五B火箭在專門向近地軌道送貨的長(zhǎng)征火箭中，力氣仍然是最大的，一次能送超過22噸的東西，相當(dāng)于10多輛小轎車的重量。地球附近約200至400公里的軌道是我國(guó)空間站建設(shè)的主戰(zhàn)場(chǎng)，作為一型專注于近地軌道發(fā)射的火箭，后續(xù)空間站核心艙等主要艙段都要由長(zhǎng)五B火箭送上天。

長(zhǎng)征五號(hào)和長(zhǎng)征五號(hào)B火箭同屬一個(gè)系列

居功至偉的“心臟”

長(zhǎng)五B火箭只用“一級(jí)半”就能把重磅航天器送上天，得益于采用氫氧推進(jìn)劑的芯一級(jí)和采用液氧煤油推進(jìn)劑的助推器的合理搭配。而芯一級(jí)的兩臺(tái)大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，又直接影響著航天器的最終入軌。

氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖（用于衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能，可以理解為汽車的“百公里油耗”）傲視群雄，但其研制難度也極高。長(zhǎng)五B火箭所承擔(dān)任務(wù)的特殊性，對(duì)芯一級(jí)的大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)提出了更高的要求。

載人空間站工程的交會(huì)對(duì)接等任務(wù)，好比在數(shù)百公里高的太空“穿針引線”，時(shí)間有絲毫誤差，都有可能失之交臂，導(dǎo)致耗費(fèi)更大的代價(jià)調(diào)整軌道。這要求運(yùn)載火箭必須嚴(yán)格按照精準(zhǔn)的時(shí)間發(fā)射，達(dá)到“分秒不差”，也就是所謂的“零窗口”發(fā)射。

長(zhǎng)五B火箭芯級(jí)使用的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，必須確保預(yù)冷等發(fā)射前工作環(huán)環(huán)相扣、步步流暢，不耽誤發(fā)射窗口。

同時(shí)，長(zhǎng)五B火箭比長(zhǎng)五火箭更輕，但起飛推力與長(zhǎng)五火箭相同。用同樣的勁向上提更輕的東西，加速度自然更快。而在助推器分離后，火箭加速度又瞬間達(dá)到最低。

除了零窗口和過山車一樣的壓力，一級(jí)精準(zhǔn)入軌也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。以往末級(jí)火箭的推力都很小，再輔以推力更小的姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)，更容易在航天器入軌前對(duì)位置與姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)，從而確保精確入軌。

而這次，兩臺(tái)大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)直接送載荷入軌，就像用大刀做“微雕”，力道極難掌握。

此外，大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)后，還有“后效”，類似燃?xì)庠铋]火后的“余火”，這同樣會(huì)對(duì)航天器入軌精度造成影響。

為了解決大推力精準(zhǔn)入軌的問題，一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)研制隊(duì)伍要確保發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定，并盡可能給出“后效”的預(yù)測(cè)值。更重要的，則是控制系統(tǒng)必須把所有可能的誤差考慮進(jìn)去。

航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)五火箭副總設(shè)計(jì)師李學(xué)鋒介紹，早在長(zhǎng)五系列火箭研制之初，控制系統(tǒng)研制隊(duì)伍就已統(tǒng)籌考慮長(zhǎng)五和長(zhǎng)五B的任務(wù)特點(diǎn)。長(zhǎng)五和長(zhǎng)五B控制系統(tǒng)的硬件是通用的，已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化；軟件也無需大改，即能適應(yīng)長(zhǎng)五B飛行任務(wù)。

“就像深海魚突然跳到喜馬拉雅山上，巨大的壓力變化會(huì)使魚瞬間爆裂”，航天科技集團(tuán)六院長(zhǎng)五火箭副總設(shè)計(jì)師王維彬說，發(fā)動(dòng)機(jī)的入口面對(duì)過山車一樣大起大落的壓力，給發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定、可靠工作帶來巨大挑戰(zhàn)。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制隊(duì)伍通過大量的研究改進(jìn)與試驗(yàn)驗(yàn)證，將這些難點(diǎn)逐一攻克，進(jìn)一步提高了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性與穩(wěn)定性。此外，地面設(shè)備等系統(tǒng)采用的遠(yuǎn)程操作方法，也保證了發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷等環(huán)節(jié)的安全、順利推進(jìn)。

珠海航展上展示的新一代載人飛船返回艙

載人空間站建設(shè)拉開序幕

長(zhǎng)征五號(hào)B火箭的首飛成功開啟了中國(guó)載人空間站任務(wù)階段的序幕，為接下來發(fā)射空間站核心艙及其他艙段奠定了基礎(chǔ)。

據(jù)中國(guó)載人航天工程辦公室消息今年1月發(fā)布的消息，空間站核心艙初樣產(chǎn)品與新一代載人飛船試驗(yàn)船一同抵達(dá)海南文昌，分別參加長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭發(fā)射場(chǎng)合練及首飛任務(wù)。

目前，我國(guó)載人航天工程已處于“三步走”戰(zhàn)略的最后一步，即空間站任務(wù)階段，空間站系統(tǒng)已完成試驗(yàn)核心艙正樣產(chǎn)品生產(chǎn)。核心艙命名為“天和”，是中國(guó)空間站的管理和控制中心，全長(zhǎng)16.6米，最大直徑4.2米，發(fā)射質(zhì)量22.5噸，可支持3名航天員長(zhǎng)期在軌駐留，支持開展艙內(nèi)外空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)，是我國(guó)目前研制的最大的航天器。命名為“天宮”的載人空間站初期將建造三個(gè)艙段，包括一個(gè)核心艙和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，每個(gè)規(guī)模20多噸。基本構(gòu)型為T字形，核心艙居中，實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ和實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ分別連接于兩側(cè)。核心艙前后還可以停靠“天舟”貨運(yùn)飛船和載人飛船。

空間站未來將成為我國(guó)開展空間科學(xué)研究的主要平臺(tái)，其在科學(xué)技術(shù)方面有三個(gè)目標(biāo)：一是掌握大型空間設(shè)施的建造和運(yùn)營(yíng)技術(shù)，達(dá)到或接近國(guó)際空間站水平，并能利用當(dāng)代的技術(shù)成果，發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)超越；二是掌握航天員經(jīng)常在軌飛行的生活和健康保障技術(shù)。在空間站建設(shè)和應(yīng)用中，人是核心因素。只有使航天員能健康地生活，才能保障其高效地工作；

三是建設(shè)國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室，為科學(xué)家提供高水平科學(xué)研究平臺(tái)，以期能達(dá)到在科學(xué)方面若干領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破的目標(biāo)。

珠海航展上展示的空間站核心艙

根據(jù)飛行任務(wù)規(guī)劃，中國(guó)空間站工程分為關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，建造和運(yùn)營(yíng)3個(gè)階段實(shí)施，其中：關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段安排了長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭首飛、天和一號(hào)試驗(yàn)核心艙、神舟飛船、天舟飛船等6次飛行任務(wù)；建造階段安排了問天艙（實(shí)驗(yàn)艙）、夢(mèng)天艙（實(shí)驗(yàn)艙）、神舟飛船、天舟飛船等6次飛行任務(wù)。根據(jù)規(guī)劃，中國(guó)將在2022年前后建立空間站，空間站的近期規(guī)模為100噸，可載3人，建成后將至少運(yùn)營(yíng)10年。

拓展知識(shí)：