長五系火箭分兩路走！力氣大的攻載人空間站 耐力長的主打衛星、探測器
▲「長征五號B」火箭升空。（圖／翻攝自微博／中國航天科技集團）
大陸「長征五號B」運載火箭5月5日成功首飛，將近22噸重的新一代載人飛船試驗船送入太空。這也是亞洲火箭首次發射20噸以上的航天器，許多人都好奇，「長征五號B」與外號「胖五」的「長征五號」到底有何差異？是如何將沈重的飛船送上太空？
《人民網》報導，「長征五號B」是以「長征五號」爲基礎改良而成，兩者屬於同一系列的火箭，但卻有着不同的使命，「長五」主打高軌衛星、探測器，「長五B」專攻近地載人空間站。
▼「長征五號」火箭點火發射。（圖／翻攝央視直播）
從外觀上看，「長五B」高度近54公尺，相當於18層樓高，近850噸重，芯級直徑都是5公尺，矮了約3公尺，「體重」輕了約20噸，這主要是因爲長五B火箭少了一個芯二級和一個級間段，只有一個芯級，也就是「腰」往上少了一部分。
長五B火箭也有4個直徑3.35公尺的助推器（又稱爲「半級」），因此，長五B火箭是大陸首型「一級半」火箭。不過，長五B火箭整流罩比長五火箭更大，高度超過20公尺，連10公尺長、4公尺粗的空間站核心艙都能裝進去，「多一級的長五擅於跑長途，『乘客』目的地包括3萬6千公里的地球同步軌道、38萬公里外的月球，以及最近距離也要數千萬公里的火星。」
即便少了一級，長五B火箭在專門向近地軌道送貨的長征火箭中，力氣仍然是最大的，一次能送超過22噸的東西，相當於10多輛小轎車的重量。它專注於地球附近約200至400公里的軌道，這裡是大陸空間站建設的主戰場，後續空間站核心艙等主要艙段都要由長五B火箭送上天。
▼「長征五號B」運載火箭。（圖／翻攝自微博／中國航天科技集團）
長五B火箭只用「一級半」就能把重磅航天器送上天，得益於採用氫氧推進劑的芯一級和採用液氧煤油推進劑的助推器的合理搭配，而芯一級的兩臺大推力氫氧發動機，又直接影響着航天器的最終入軌。
氫氧發動機的比衝（用於衡量發動機性能，可以理解爲汽車的「百公里油耗」）傲視羣雄，但其研製難度也極高。長五B火箭所承擔任務的特殊性，對芯一級的大推力氫氧發動機提出了更高的要求。
載人空間站工程的交會對接等任務，好比在數百公里高的太空「穿針引線」，時間有絲毫誤差，都有可能失之交臂，導致耗費更大的代價調整軌道。這要求運載火箭必須嚴格按照精準的時間發射，達到「分秒不差」，也就是所謂的「零窗口」發射。
▼「長征五號」運載火箭。（圖／翻攝自中國運載火箭技術研究院官網）
長五B火箭芯級使用的氫氧發動機，必須確保預冷等發射前工作環環相扣、步步流暢，不耽誤發射窗口。
同時，長五B火箭比長五火箭更輕，但起飛推力與長五火箭相同。用同樣的勁向上提更輕的東西，加速度自然更快。而在助推器分離後，火箭加速度又瞬間達到最低。
航天科技集團六院長五火箭副總設計師王維彬表示，發動機的入口面對過山車一樣大起大落的壓力，給發動機的穩定、可靠工作帶來巨大挑戰，「就像深海魚突然跳到喜馬拉雅山上，巨大的壓力變化會使魚瞬間爆裂。」爲了應對這些挑戰，氫氧發動機研製隊伍通過大量的研究改進與試驗驗證，將這些難點逐一攻克，進一步提高了發動機工作的可靠性與穩定性。
除了零窗口和過山車一樣的壓力，一級精準入軌也是一個巨大的挑戰。以往末級火箭的推力都很小，再輔以推力更小的姿態控制發動機，更容易在航天器入軌前對位置與姿態進行微調，從而確保精確入軌。
而這次，兩臺大推力氫氧發動機直接送載荷入軌，就像用大刀做「微雕」，力道極難掌握。此外，大推力氫氧發動機關機後，還有「後效」，類似燃氣竈閉火後的「餘火」，這同樣會對航天器入軌精度造成影響。
爲了解決大推力精準入軌的問題，一方面，發動機研製隊伍要確保發動機燃燒穩定，並儘可能給出「後效」的預測值。更重要的，則是控制系統必須把所有可能的誤差考慮進去。
航天科技集團一院長五火箭副總設計師李學鋒介紹，早在長五系列火箭研製之初，控制系統研製隊伍就已統籌考慮長五和長五B的任務特點，「長五和長五B控制系統的硬體是通用的，已實現產品化，軟體也無需大改，即能適應長五B飛行任務。」
▼「長征五號」。（圖／翻攝微博）
李學鋒說，針對發動機後效等不確定因素，他們用隨機「打靶」的方法，模擬出上萬種情況，以驗證控制系統設計的可靠性。「打靶」實驗證明，即便預測的「後效」與實際情況有所出入，控制系統也能確保火箭精確入軌。
與此同時，在火箭總體彈道設計上也要充分考慮發動機「後效」的影響，基於發動機校準試車的實際數據進行計算，進一步優化設計方案。
對於多級火箭，芯一級、助推器減重對提高運載能力的影響並不明顯，但對於「一級半」入軌的長五B來說，芯一級減重多少，運載能力幾乎就可以提高多少；助推器減重與運載能力提高的比例也高達1.25:1。因此，減重對於長五B的收益是相當可觀的。
長五B火箭的芯一級尾段位於火箭箭體的最後部位，不僅是發動機艙，而且在整個火箭豎立在發射臺上時起到支撐作用。以前，長五尾段採用的是組合樑結合分瓣玻璃鋼底板的結構方案。這次，航天科技集團一院703所把大直徑大厚度碳纖維複合材料「三加二」蜂窩夾層結構整體成型技術用在了一級尾段的壁板和防熱板結構成型中，通過採用輕質化碳纖維複合材料結合鋁蜂窩夾層結構方案替代原方案，實現減重約400公斤。
▼「長征五號」點火。（圖／翻攝央視直播）
助推器的減重也很有特色。航天科技集團八院長五系列項目辦主任張修科介紹，以前長五的4個助推器就像是4位壯漢，分別用「單肩」扛着芯級，這對「肩膀」的結構提出了非常高的要求。在長五B火箭的研製過程中，團隊創新採用槓桿等原理，在捆綁點上、助推器頭錐中插上了4根「扁擔」，變「單肩」扛爲「雙肩」挑，分散了受力，再輔以先進的結構計算方式，綜合改進頭錐的結構，實現了可觀的減重。助推器頭錐、氣瓶等方面的改進，實現了減重600公斤。而長五B火箭的許多減重措施，也將應用在長五火箭上。
無論是火箭減重還是增加更大的整流罩，都需要通過嚴格的地面試驗來驗證。航天科技集團一院長五火箭副總設計師朱曦全說，在地面試驗方面，長五火箭團隊綜合利用現有條件，創新方法開展試驗，儘可能在地面發現疑點並改進，確保火箭飛天萬無一失。