西安硬科技托举 胖五一飞冲天 长征五号运载火箭成功发射实践二十号卫星
长征五号遥三运载火箭 （新华社发）
本组稿件除署名外均由首席记者 杨斌鹄 采写
航天六院氢氧火箭发动机研制试验。（航天六院 供图）
核心提示
12月27日20时45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，与实践二十号卫星成功分离，将卫星送入预定轨道，任务取得圆满成功。
长征五号是我国目前起飞规模最大、运载能力最强、技术跨度最大的一型运载火箭，采用3型12台全新研制的大推力发动机，主发动机均采用无毒无污染的推进技术，实现液体运载火箭直径由3.35米至5米的跨越。
此次航天任务中，由中国航天科技集团有限公司第六研究院、中国航天科技集团有限公司第五研究院西安分院、航天四院等单位为代表的“西安航天科技”再立新功，闪耀太空。
涅槃重生
30颗西安芯助胖五再启航
——航天六院攻关航天科技难点侧记
航天探索从来不是一片坦途。经过10余年工程研制，长征五号火箭先后于2016年11月3日和2017年7月2日实施了两次发射，其中首次发射取得成功，第二次发射因火箭发动机故障未能将卫星送入预定轨道。工程全线科研人员大力协作，历经两年多艰苦攻关、连续奋战，进行了大量地面试验，圆满完成了第二发失利故障归零和第三发火箭的各项工作。
记者了解到，在长五遥三火箭上，共有30台来自六院的四型发动机，分别是8台120吨级液氧煤油发动机、2台50吨级氢氧发动机、2台9吨级膨胀循环发动机，18台作为辅助动力的姿控发动机。为“胖五”造芯，到底难在何处？日前，记者采访了航天六院的相关专家，为大家讲解这些航天科技的奥秘。
氢氧发动机“极冻”条件“造芯”
氢氧发动机之于“胖五”，到底是怎样意义的存在呢？用一个简单的比喻，如果把常规火箭和“胖五”比作两辆车，在携带同样的行李行驶同样的路程时，前者自重需要1000吨，而后者自重只要约600吨。而为“胖五”减负增力，液氢液氧推进剂功不可没。
就像一把双刃剑，液氢液氧带来了高性能，但它们极低的温度也给研制人员带来了不小的烦恼。
液氢温度低至-253℃，什么材料能经受住如此“极冻”呢？对氢氧发动机的研制来说，寻求适合的制造材料，本身就是一个难点。而且氢易燃、易爆。液氢稀疏，高压下极易泄漏，一不留神就起火、爆炸。
再来说加工和装配。发动机零组件众多，在动态组件和静态组件之间存在一定的间隙，常温和低温下，随着组件材料的热胀冷缩，这些间隙也在发生变化。给这些零组件留好“三八线”，就要靠设计师们深入了解各种材料的“脾气秉性”了。
液体推进剂在发动机燃烧室里燃烧，产生的燃气从发动机喷管高速喷出，其反作用力就能把火箭、卫星、飞船推向太空。速度越大，性能越大，发动机的推力就越大。但液氢本身密度很低，所以给液氢加压也很难。涡轮泵，就是给液氢加压的装置，它的转速必须提升到常规发动机的两倍以上，才能保证发动机的性能。
也正因如此，在低温高压高速大热流的严酷力热环境下，氢氧发动机一方面要经受-250℃的极严寒环境，另一方面又要经受3300℃的极酷暑环境，即经受着“冰火两重天”的巨大考验。除此之外，轴承、燃烧不稳定性、氧涡轮等多种问题也是研制中的难点。
问题的发生总是变幻莫测、时隐时现，近两年来，航天六院的设计师们针对超临界问题深究不放，又在不断的试验和考核中，捉到了隐藏更深的“魔鬼”。研制队伍通采取有效措施，有效消除了隐患，为确保飞行成功铲除了心腹大患。
液氧煤油发动机细节之处有“看点”
地处天津滨海新区的长五火箭总装厂房负责装配的技术人员曾经这样介绍，以往常规火箭装配，细小的头发丝被称为多余物，而对冰箭“胖五”而言，装配人员在舱体呼出的二氧化碳都被视作多余物。
在“胖五”的120吨级液氧煤油发动机起动之前，有一个非常关键的环节，这个环节被设计人员简称为“强吹”，就是在即将点火前向发动机燃烧室“强制”吹入高压氮气，这种氮气可以改善最先点火燃烧的组件的工作条件，实现点火瞬间的“快且柔”。
当“胖五”发射倒计时口令结束，下达“点火”指令时，最先看到的是芯一级发动机喷出火焰，同时，八个助推发动机点火，这时候，“强吹”就已经在起作用了。
火箭点火瞬间，会有一股巨大的白雾包裹箭体。这又是什么呢？这就是水雾，要知道，每台发动机点火瞬间，每秒会产生400公斤的燃气，箭体尾部燃气温度高达一千多度。这些水雾就是用于降温减噪的上千吨水，被高温燃气瞬间气化的结果。
可以说，在“胖五”身上，每一处细节，都体现着发动机研制人员的“工匠精神”。
辅助动力系统低温下的“热血青年”
为“胖五”特别定制的辅助动力系统包括了18台姿控发动机以及配套的气瓶、阀门、管路和贮箱。虽体量不及液氧煤油和氢氧发动机，但这套系统却是唯一涵盖增压气体装置、输送系统、推进剂贮存装置和推力室的独立、完整的动力系统。他们负责火箭二级发动机滑行阶段的推进剂沉底管理、姿态控制和星箭分离前的末速修正。
什么叫沉底？要知道，太空中没有重力，火箭箱体中的液氢和液氧是以悬浮状态存在。为了让液氢和液氧享受强大的“推背感”，使其贴合在火箭箱体底部，进而可靠实现膨胀循环氢氧发动机的二次起动，就需要被技术人员叫作“大沉底”“小沉底”的4台300N发动机和2台60N发动机来发挥作用。
再来说说姿态控制，就是火箭的俯仰、偏航和滚转。前两个动作分别由4台300N发动机完成，滚转则由4台150N发动机完成。
这些发动机有多大，形象地说，300N、150N和60N发动机就分别像1000ml、500ml和300ml容量的水杯大小，成人用单手就能抓住。这些小小的发动机，工作时间累计2000秒，工作累计数百次，像一个个“热血青年”，为火箭飞行保驾护航。
小而巧的它们承受着较为恶劣的工作环境，这18个“热血青年”坚守岗位，发挥着不可磨灭的作用。
它们是如何练就十八般武艺的？得益于六院研制团队，制定了严苛而全面的“训练计划”。就像孙悟空在太上老君的丹炉里炼就了火眼金睛，“热血青年们”不仅考核了-30℃环境下的推力室起动能力，还在推力室身部配备了射前加温装置以具备适合的初始壁温，并实施双电爆阀给气路增压加上“双保险”。如此，才有了火箭精准细微的姿态变化。
未来可期
中国航天明年好戏连台
记者从长征五号运载火箭发射现场了解到，随着长征五号第三次发射任务的成功实施，2020年我国一系列重大航天任务将陆续展开，预计宇航发射次数将突破40次，更加值得期待。
看点1探月工程三期嫦娥五号任务
2020年，我国将用长征五号运载火箭择机发射“嫦娥五号”，实现月面无人采样返回，圆满完成探月工程三步走的总体规划目标。长征五号总指挥王珏介绍，“嫦娥五号”任务需要将8吨多的“嫦娥五号”探测器直接送入地月转移轨道，而完成这一任务，必须由具有大运载能力的长征五号运载火箭来完成。
看点2执行首次火星探测任务
按照计划，2020年，我国将通过长征五号发射火星探测器，并通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视探测。探测器发射后，大约需要经过7个月左右时间的飞行抵达火星。长征五号运载火箭总设计师李东介绍，按计划，我国将于2021年实现火星软着陆，开展火星环绕探测和巡视探测。
看点3长征家族多型火箭迎来首飞
长征五号运载火箭的研制历程，也为新一代运载火箭积累了宝贵的经验。2020年，由火箭院抓总研制的长征五号B、长征七号甲、长征八号等多型新一代运载火箭将相继迎来首飞。
（据新华社海南文昌12月27日电）
技术亮点
实践二十号卫星上的“科技种子”
航天五院西安分院开辟“太空试验田”
实践二十号卫星，是东方红五号卫星公用平台首飞实验星，也是我国最重的卫星，这颗卫星是我国推动航天新技术和新平台发展再上新台阶的又一块重要“试验田”。
“普通公路到高速公路”
Q/V载荷让高通量卫星更高效多能
高通量通信卫星（HighThroughputSatellite，简称HTS）是我国通信卫星未来发展的重要方向。我国已经发射的首个高通量卫星实践十三号卫星，可以使地面用户能享受到卫星宽带互联网服务。
实践二十号卫星副总设计师周颖介绍：“与之相比，实践二十号卫星上搭载的西安分院研制的Q/V载荷是未来高通量通信卫星和超高通量通信卫星关口站主要使用的载荷，代表着未来高通量卫星发展的主要方向。”
何为超高通量卫星，如果将现有的传统通信卫星比作是普通公路的话，高通量卫星就是高速公路，那么能够实现通信容量在1Tbps以上的超高通量卫星则是现有高速公路通行能力50倍以上的高速公路。使用Q/V载荷的高通量卫星以及超高通量卫星将可以大大地提高在偏远地方实现宽带互联网的能力，并且更为高效、成本更低。
“普通列车到高铁”
从微波通信到激光通信的跨越
如果说Q/V载荷是实现卫星高通量通信的“新星”，那么西安分院研制的激光终端则可以称为“大牛”。西安分院研制的激光终端，将作为激光通信的主体通过激光传输实现星地和星间通信。激光通信是未来地面超大容量关口站实现的主要途径，也是未来建设天基信息网络中星间通信的主力。
相比传统的微波传输，光宽带在传输过程中几乎不受带宽的限制，就可以实现大容量的卫星通信和数据传输，并且具备速率高、保密性强等优势。西安分院在研制过程中，先后解决了激光通信过程中光学集成及捕获跟踪等难题，成功实现了激光终端的在轨应用。
作为卫星通信和卫星数据传输领域的“网红”产品，激光终端现在备受青睐，一些国家重大工程项目都瞄准了激光终端的应用潜力和应用价值。未来，随着激光终端研制技术的成熟，小型化和批量化研制将成为其主流。
“平均分配到按需分配”
柔性转发器将更合理配置资源
由五院西安分院为实践二十号卫星所研制的宽带柔性转发器在国际上也属难度较大的载荷产品，代表着一个国家星载数字透明处理的最高水平。卫星通过宽带柔性转发可以将频率资源进行详细划分，并且通过在轨网络管理实现多用户的灵活使用，提升星上通信资源的使用效率，效果“杠杠的”。
在轨使用时，宽带柔性转发器通过在轨网络管理自动分配链路，在用户使用结束之后，将链路分配给其他需要使用的用户。就好比地面手机通信基站信号通路的灵活分配一样，如果有1万个用户，由于手机用户不可能同时在线使用，那么有1千条线路就基本可以满足所有用户的使用。而传统的卫星转发方式，只能实现固定用户固定通道的信号传输。
“测控精度达到厘米级”
精密定轨技术让卫星发得出收得住
发得出，收得住。精密定轨技术和方法历来是卫星开发和利用的重点之一。卫星发射之后，如何使卫星发得出、收得住，这就需要地面的测控来实现。西安分院为该卫星研制的高精度应答机将对卫星的测控精度由以前的几十米提高到厘米级，实现了对卫星测控质的飞跃。
三重叠，卫星天线可以这么玩？传统的卫星构造一般都是在卫星的单个舱板上安装一副天线或者两副天线，而西安分院的“空间天线大咖”们为了实现卫星的复杂功能，在卫星舱板上安装了三重叠的三副天线，三副天线在收拢后共用一个安装面，不仅缩短了反射器尺寸，加大焦距，还节省空间。
实践二十号卫星的灵活载荷还采用了跳波束技术，可实现不同波束的容量在一定的时间范围内灵活分配，进一步提升星上容量使用效率。
保驾护航
航天四院两大“法宝”让发射更环保更安全
在这次成功发射的背后航天四院（下文简称“四院”）有两件神秘的“法宝”——正推火箭和消氢点火装置，全力护航，功不可没。
正推火箭是火箭飞行过程中为实现芯一级、芯二级可靠分离而研制的分离发动机，为级间分离提供动力的装置。由四院41所研制的正推火箭兼具固体发动机和火工品的双重特性，其工作时间长，可靠性要求高，环境条件极其苛刻，是目前运载火箭箭体使用的最大火工品。发动机固体动力推进剂，采用新型配方材料，具备低燃速、低残渣的特点，能够确保发动机产生强大推力的同时，不对火箭芯二级箭体产生损伤，而且比同类发动机更加绿色环保。
消氢点火装置的主要功能是消除火箭发射前大量低温氢气确保发射环境安全。“长征五号”运载火箭采用氢氧发动机，在点火前会向发射平台周围环境排放大量低温氢气。当氢气与空气混合浓度达到一定范围时，遇到静电或明火就会产生爆炸或爆轰。为消除火箭发射前的大量低温氢气，彻底排除发射前的安全隐患，四院42所专门研制了消氢点火装置。该装置采用了高安全性的药剂材料，应用了先进的控制技术，确保能够“准确、准时”点火，待消除氢气后又能及时“熄火”。该装置实施双层保护设计，不仅能承受火箭发射时产生的高热流冲击，而且具有防爆功能，能避免装置万一失效可能引起的安全事故。
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