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为火箭提供90%以上起飞推力 上海技术助推“胖五”首破云霄

2016年11月04日 09:08中国机床商务网作者:叶薇点击:5641

  【中国机床商务网 国内新闻】发射!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直冲云霄。这个“大个子”将在中国航天史上留下浓墨重彩的一笔,它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。
  
  从天宫二号、神舟十一号,再到今天的长征五号,从甘肃酒泉到海南文昌,连月来,上海航天人转战多地,任务不停,斗志满满。
  
  在长征五号的研制中,上海航天承担了4个助推器的研制任务,为火箭提供了90%以上的起飞推力。长五火箭起飞的动力源从何而来?从每一个技术点、每一项试验、每一次挫折以及每一次通宵达旦的拼搏中来。
  


图说:上海技术助推“胖五”首破云霄。孙公明摄
  
  “胖五”搭建更广阔舞台
  
  对上海航天技术研究院科研一部部长蔡益飞来说,长征五号是名副其实的十年磨一“箭”。“2006年,国家正式批准立项研制,到今天历经整整十年。其实,前期论证和攻关更早时候就开始了。”
  
  研制人员亲切地称这个大家伙叫“胖五”,它可不是一般的胖。“腰围”大:芯级直径达5米,助推器直径达3.35米。这是目前我国研制火箭中直径最大的,而目前我国现役火箭箭体直径最大的只有3.35米。
  
  “身高”长:长征五号运载火箭总长约57米,相当于20层楼那么高。
  
  “心脏”强:大体格的长五火箭有12颗“大心脏”。充足的燃料,强劲的动力,让长五火箭的运载能力一跃达到国际一流水平。在运载能力上,长征五号的能力和国外现在主流大型运载火箭相当,具备近地轨道25吨、地球同步转移轨道14吨的运载能力,比现役火箭的运载能力提升了2倍以上,可与美国宇宙神5、德尔塔4,欧洲阿里安5等世界主力大型火箭比肩。
  
  “胖”并不是身体的简单放大,从设计能力、仿真手段、加工制造以及各种地面试验,都是一个飞跃。
  
  长征五号意味着什么?蔡益飞介绍,它的发射成功,是中国火箭技术的巨大跨越,不仅标志着长征系列火箭的升级换代,而且带动了整个研制平台和产业链的更新。
  
  “我们航天人一直有句话,运载火箭的运载能力有多大,中国航天的舞台就有多大。长征五号将大幅提升我国自主进入空间的能力,把中国火箭送入包括美国、欧洲和俄罗斯在内的世界主流火箭阵营,是我国由航天大国向航天强国迈进的重要标志之一。”
  
  作为我国目前起飞规模和运载能力最大的运载火箭,长征五号将直接服务于我国探月三期工程、载人空间站工程和火星探测工程等具有里程碑意义的国家重大科技工程,并用于不同轨道大型载荷及深空探测任务载荷的发射。
  


图说:上海航天长征五号助推器科研团队。孙公明摄
  
  一个助推器相当一枚火箭
  
  长征五号由5米芯级火箭和4个3.35米助推器组成,是国内首个采用助推器支撑的捆绑火箭。
  
  大块头的4条腿就是目前国内最大的低温液体助推器,是长征五号起飞的主要动力源,提供了全箭90%以上的起飞推力。
  
  从姿态上说,全箭竖立时,靠分布于4个助推上的12个支撑点停放在发射台上。在役火箭都是通过芯级下的4个支撑腿,支撑火箭站立,而长五的支撑腿在助推器下,相当于站姿由以前的立正姿势,变为现在的叉开腿站立。
  
  这种方式,一般在助推器质量和规模相对芯级较大的捆绑火箭上,如美国的航天飞机、大力神3C/4、欧洲阿里安5等等。要实现这种支撑,对助推器的结构设计要求非常高,不仅要做到“立得住”“站得稳”,承受住火箭800多吨的自身质量,经受住海南发射场特有的大风等考验,而且还要在火箭助推飞行的过程中,能将几百吨的推力有效传递给芯级并经受发动机产生的复杂热环境的考验,做到“绑得牢”“耐高温”。
  
  “这一个助推器就相当于一枚单级火箭,除了没有控制系统,可以说火箭有的东西它都有,五脏俱全。”蔡益飞介绍,助推器上的设计参数更加复杂,一个遥测参数要比长征四号全箭的参数都要多。
  
  长征五号运载火箭不仅块头大,而且技术新,比我们国家过去任何一个型号的长征火箭都要复杂。以往长征火箭使用零部件最多几万个,而长征五号运载火箭使用的零部件达十几万个。它的设计量是以往长征火箭的3.5倍以上。
  


图说:长征五号运载火箭助推器。孙公明摄
  
  0.1平方米的“点”承受300吨力
  
  身材霸气的“胖五”脑袋尖尖的,4个助推器也都是”斜头锥”,“依偎”在芯一级的身旁。
  
  设计斜头锥的目的是啥?据长征五号第二任副总设计师张卫东介绍,长征五号采用了前捆绑点传力设计方案,飞行时助推器的推力通过头锥上的捆绑点传递给芯级,推动整个火箭克服重力飞起来。”这种助推捆绑优点是控制方便、能极大地改善芯级部分舱段的载荷环境,提高运载能力。不过对于助推器而言,给前捆绑点所在的头锥舱段结构设计带来了相当大的难度。”
  
  据测算,在头锥不足0.1平方米前捆绑点处单点载荷达到了315吨。助推器头锥结构在设计时除了要考虑集中力的传递和扩散外,还需要考虑偏置载荷引起的附加弯矩对结构的影响。
  
  “0.1平方米就相当于一本书大小,要在这上面集中315吨的力,再传输扩散到芯级上去,这种大集中力从点到面的扩散结构设计,给我们带来了很大的挑战。”上海宇航系统工程研究所副所长梁建国介绍,“整个助推器用的是全新的铝合金材料和环保精密的制造技术,但为了最大程度让火箭轻装上阵,材料分布的厚薄并不均匀,承力大的地方厚,而其他地方设计得很薄。”
  
  团队为头锥量身定制了一款专属的“梁式”承载偏置集中力构型,用3000多个零件铆接而成斜头锥,而锥体与芯级的前捆绑点轴承支座则采用了一体化设计,用1吨重的高硬度钢材在数控机床上加工到130公斤,切削率近90%,有效保证结构的强度和轻质化。
  
  同时为模拟斜头锥真实的载荷受力情况,团队还在国内首次开展了多舱段联合低温静力试验,突破了大型捆绑火箭偏置集中载荷结构的设计和试验瓶颈,为长征五号火箭的首飞打下了坚实的基础。
  
  这样的斜头锥设计不仅提升了“胖五”的颜值,还能够减小空气阻力,改善了气动环境,让“胖五”飞起来更省力,从而提升运载能力。设计师们从最初研制时,就想把它打造成更有力量的火箭“男神”。
  


图说:长征五号运载火箭助推器。孙公明摄
  
  为无毒无污染“冰箭”增压
  
  经过15年不懈攻关,8台全新研制的120吨液氧煤油发动机被装配在长征五号运载火箭的4个助推器上,4台全新研制的氢氧发动机在一级和二级火箭上各装配了两台。
  
  120吨液氧煤油发动机的威力到底有多大?专家打了个形象的比喻,120吨液氧煤油发动机产生的最高压强达500个大气压,相当于把上海黄浦江的水抽到5000米高度的青藏高原。
  
  不同于目前使用化学燃料的常规火箭,长征五号运载火箭采用无毒、无污染的液氢液氧作为推进剂。在其800多吨的身体里,大部分是-252摄氏度的液氢和-183摄氏度的液氧,这已经接近低温的极限,长征五号也因此被称为“冰箭”。
  
  环保低温火箭,对研制人员带来的一大挑战是“降服低温”。“低温推进剂在储存上的温控措施很关键,箭体和外界环境温度高,温差有200多摄氏度,如果密封性不好,很快就蒸发掉了。”梁建国介绍,在贮箱和输送系统的密封性问题上,研制人员采用了金属差压式密封方式,密封圈在低温和常温上的密封性能一致,甚至温度越低,压力越高,密封性能越好。
  
  针对长征五号个头大、动力强、发动机入口压力高等要求,研制团队采用了全新的液氧箱大流量氦气加温增压方案。氧箱大流量氦气加温增压系统是全新研制的,而且气瓶数量多、连接接头多,存在一定的风险。为此设计团队联合总体开展了多轮次的复核复算,并针对接头多的风险,采取多种过程控制措施,开展大量压力强度和气密试验,确保了系统的可靠性。
  
  “低温下储存要测量很多参数,到底性能、温度、压力怎么样,要在超低温下测量。研制工作中从选择材料、试验到高精度测量的采集和传输,突破了很多技术难点。”
  


图说:科研人员正在工作中。孙公明摄
  
  数字设计让“胖五”出生更顺
  
  长征五号火箭第一次采用数字化三维结构设计,使效率得到大幅提升。“过去搞设备安装的是个苦活累活,还老挨骂,一个地方做不好就得返工。安装和设计不符的情况很多。现在采用数字化设计,三维模型直接下到生产车间,有什么问题都能提前发现,长五的整个总装过程是一气呵成的。”
  
  蔡益飞介绍,采用这种新的研制方式好比把工厂搬到了计算机上,一些不协调、不合理的地方,科研人员可以通过数字化的手段提前发现。
  
  长征五号首次成功构建全箭数字样机,与传统方法相比,取消实物样机,不但节省了上千万元的成本,还大幅缩短了研制周期。构建数字化平台进行航天型号的管理;选取了总体、结构、动力、阀门典型的零件、组件、总图开展了全三维设计制造试点工作,实现对全三维设计制造一体化设计制造方案的验证;首次在航天产品中引入人机装配仿真,在3D环境中对模型进行虚拟装配仿真,利用数字化虚拟装配技术的强大功能,显著提升产品设计质量和竞争力。
  
  “助推模块全箭研发过程技术状态数字化受控,使许多问题得以提前暴露和解决,大大提高了型号研制进度,降低了风险系数。”蔡益飞介绍,今后的火箭研制有望全部采用数字化设计,数字化辐射到火箭的设计、模装、试验、生产制造的全过程。

(原标题:为火箭提供90%以上起飞推力 上海技术助推“胖五”首破云霄)
(来源:新民晚报)


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