萬丈高樓,，起于設(shè)計。
長征五號運載火箭的設(shè)計沒有太多經(jīng)驗可以直接拿來,，它是真正的跨代研制項目,，是在一張白紙上重新畫下每一根線。
運載火箭專家,、中國工程院院士龍樂豪說,，長五火箭是新一代運載火箭的老祖宗,。從這個意義上說，在我國火箭發(fā)展史上,，長征五號運載火箭與長征二號運載火箭有著相似的意義,。長五火箭啟動研制是為了全面提升我國進入空間的能力，而不是以發(fā)射某個特定載荷為目標,。
“以前是兩地之間需要一條路,，于是就修這么一條路。而研制長五火箭是修一條高速公路,，把沿線地點都帶動起來,。”長五火箭總設(shè)計師李東說,，這是設(shè)計理念上最重要的突破,，表明了頂層決策的重大進步。
從2006年10月到2009年2月,，用時約29個月,，長五火箭在中國航天科技集團公司設(shè)計師的計算機里逐漸成型。
“像一棵樹,，慢慢長,，越來越清楚?！遍L五火箭副總指揮曲以廣形容這一過程,。
12項核心關(guān)鍵技術(shù)，247項關(guān)鍵技術(shù),，接近100%的技術(shù)創(chuàng)新,，從設(shè)想逐步走進現(xiàn)實。高可靠性,、低成本,、無毒無污染、高適應(yīng)性,、高安全性……長五火箭躋身國際最先進火箭之列,，起步于設(shè)計理念的先進。
一：大火箭之大
“實現(xiàn)大運載能力,，一靠大發(fā)動機,，一靠大結(jié)構(gòu)?！崩顤|說,，火箭要么“長高”，要么“長胖”,，太高就變得細長,，結(jié)構(gòu)強度減弱,。所以，大直徑變成了必須突破的屏障,。
設(shè)計師的難題在于，不僅要大,，還要輕,。與其他工業(yè)產(chǎn)品相比，設(shè)計火箭最關(guān)鍵的約束就是重量,。
好鋼用在刀刃上,，火箭設(shè)計師將重量一邊省給燃料，一邊省給載荷,，箭體自身則越輕越好,。這一主題貫穿設(shè)計始終。
長五火箭副總設(shè)計師婁路亮回憶,，為了給箭體減重,，設(shè)計師曾經(jīng)歷過壓力相當大的一段時間。通過智能減載,、優(yōu)化結(jié)構(gòu),、更換材料、創(chuàng)新工藝等措施,，他們最終成功為火箭減重,。“過程當中,，我們大膽趟出了很多前人沒有走過的路,。”
長五火箭的創(chuàng)新設(shè)計,，是從總體優(yōu)化開始的,。
研制之初，長五火箭就確定了系列化,、組合化,、模塊化的研制思路，力爭以最小的投入得到最大的產(chǎn)出,。
長五研制帶動的大推力液氧煤油發(fā)動機,、控制系統(tǒng)的系統(tǒng)級冗余等，已經(jīng)被新一代運載火箭所共享,。
按照系列化思想,，長五同時開展了6種構(gòu)型的總體設(shè)計，從低軌道到高軌道的運載能力實現(xiàn)全覆蓋,。
最初設(shè)計時,，包含5米直徑芯級,、3.35米直徑助推器、2.25米直徑助推器幾個標準模塊,，以不同的組裝方式可以實現(xiàn)不同的運載能力,。
當年統(tǒng)稱為長五火箭的6種構(gòu)型中，后來分出了長征六號和長征七號,，并早于長征五號訪問太空,。像一棵樹，慢慢長,，枝葉越來越繁茂,。
二：大火箭之力
大，太大,，當然是長五火箭與其他長征火箭相比最重要的外形特征,。除了這一點，最明顯的差異當屬助推器的斜頭錐,。斜頭錐有著優(yōu)異的氣動外形,，是減少空氣阻力的不二之選。
但助推器設(shè)計的高超之處,，遠不止如此,。
研制之初，長五火箭總體與助推器分系統(tǒng)經(jīng)過長時間聯(lián)合論證,，最終定下包括斜頭錐,、前捆綁主傳力、助推主支撐等全新技術(shù)在內(nèi)的助推器方案,。當時歐洲阿里安5火箭已經(jīng)使用了這些技術(shù),，但大量關(guān)鍵技術(shù)在國內(nèi)還是空白。
斜頭錐和前捆綁傳力,，使得助推器從內(nèi)而外成為一個非對稱結(jié)構(gòu),。箭體非對稱結(jié)構(gòu)比對稱結(jié)構(gòu)的設(shè)計更為復(fù)雜。
長五火箭副總指揮兼副總設(shè)計師鮑國苗說,，一個長五助推器的研制難度,，不亞于其他常規(guī)火箭的芯級。
最終,，助推器研制時間長達10年,，“小小的”斜頭錐也經(jīng)歷了六七年才定型。
助推器設(shè)計的唯一宗旨,，就是在起飛時提供足夠大的推力,，克服地球引力。以往的長征火箭，助推器依靠接近尾部的后捆綁點向芯級傳力,，實現(xiàn)較為容易,，但效率不及前捆綁點傳力。采用前捆綁點傳力,，還可以為芯級減輕負擔,，將節(jié)省下來的重量用于載荷與燃料。長五火箭果斷選擇了前捆綁主傳力方案,。
長五火箭豎立時,，依靠4個助推器底部共12個支撐點“踮腳”站立。所以在發(fā)射瞬間,，每個助推器需要將底部3個支撐點的推力最高效地傳送到頭錐內(nèi)側(cè)的那個前捆綁點上，帶動火箭起飛,。助推器內(nèi)部的力“先擴后收”,，軌跡復(fù)雜，設(shè)計更復(fù)雜,。
“這種偏置集中力的計算,，在仿真和試驗時難度極大?！滨U國苗說,。
難度到底多大？當他們將數(shù)字仿真計算的任務(wù)交給國內(nèi)實力最強的高校時,，對方起初坦言難以勝任,。
可以說，長五火箭帶動了國內(nèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)大偏置力設(shè)計,、仿真與試驗?zāi)芰Φ拇罂缍冗M步,。
三：大火箭之智
由箭載計算機、傳感器,、線纜等組成的控制系統(tǒng),，遍布火箭全身，源源不斷傳輸著龐大的數(shù)據(jù),，并迅速計算出結(jié)果,，指揮火箭向哪飛、怎么飛,。
“簡潔,、智慧、靠譜,，是長征五號控制系統(tǒng)的設(shè)計理念,，也是最明顯的優(yōu)點?！遍L五火箭副總設(shè)計師李學(xué)鋒說,。
長五火箭控制系統(tǒng)采取了大量首創(chuàng)的控制策略,，突破了26 項重大關(guān)鍵技術(shù)，綜合性能指標達到全球先進水平,。
火箭飛行時,，要實時控制飛行姿態(tài)，保證不偏航,，尤其是在飛越大風區(qū)時,，要避開對箭體結(jié)構(gòu)造成的最大應(yīng)力，并精確分離,、精準入軌,。這是控制系統(tǒng)的職責；
長五點火起飛時,，10臺發(fā)動機一起發(fā)力,，推力超過1000噸。讓這些發(fā)動機在飛行中始終提供最大推力,，這也是控制系統(tǒng)的職責,。
長五火箭控制系統(tǒng)設(shè)計師將火箭飛行控制和燃料利用集成這兩個功能統(tǒng)一在了一個數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)平臺上，既控制飛行姿態(tài),，又控制發(fā)動機的利用,。這種“總線控制技術(shù)”為我國新一代運載火箭首創(chuàng)。
為了提供最大推力,，液氧煤油和液氫液氧兩種發(fā)動機需要被合理分配,，甚至點火時間也有毫秒級的先后之分，這就需要采用不同的控制策略,。為此,，設(shè)計師全球首創(chuàng)了大推力發(fā)動機精準關(guān)機技術(shù)。
類似的全球首創(chuàng)技術(shù),，長征五號控制系統(tǒng)一共有5項,，打造了全球先進的“火箭大腦”?？雌饋?，火箭一點火，“轟隆”一聲就飛了,。其實,，火箭全身上下都被控制系統(tǒng)精確地調(diào)控著。
“ 這都是精細活兒,?！崩顚W(xué)鋒說，長五火箭里，控制系統(tǒng)的電纜線總重超過1噸,。
而完美干出這些精細活兒的并不是地面上的人,，是箭載計算機。
火箭一旦點火升空,，就進入了“自動駕駛”模式,。“火箭之眼”——慣性測量組合每20毫秒感知一次火箭的速度,、位置和姿態(tài),，傳送給箭載計算機。計算機飛快運算,，指揮火箭實時作出調(diào)整,。
長五火箭的高可靠性也有著控制系統(tǒng)的卓越貢獻。長五火箭全面采用了系統(tǒng)級冗余技術(shù),，核心控制儀器均采用三取二冗余技術(shù),，主流的可靠性技術(shù)長征五號一應(yīng)俱全，即使發(fā)生了小故障也不影響成功,。
“既然要搞新一代,，就搞可靠性最高的,?！眾渎妨琳f，長五火箭的設(shè)計可靠性達到我國火箭的最高值：0.98,。也正因為這么高的可靠性,，研制團隊對高風險的首飛信心很足。
四：大火箭之助
液氧煤油發(fā)動機和液氫液氧發(fā)動機早就被認可為環(huán)保,、高效,、受歡迎的兩類液體火箭發(fā)動機。半個世紀前出版的《星際航行概論》中,，“中國航天之父”錢學(xué)森就盛贊過它們,。
但縱觀國際航天界，點火起飛時使用異型液體發(fā)動機,，還要追溯到蘇聯(lián)的能源號火箭,。異型發(fā)動機“脾氣”不同，從點火到建立推力再到平穩(wěn)起飛,，控制難度大于同類發(fā)動機同時工作,。
長五火箭芯一級的氫氧發(fā)動機推力為50噸級，助推器使用的液氧煤油發(fā)動機推力為120噸級,。既然如此,，芯一級為什么不干脆也使用推力更大的液氧煤油發(fā)動機呢？不僅外行人會感到疑惑，在方案落定之前,，一些業(yè)內(nèi)人士也曾提出過這個問題,。
這是設(shè)計團隊在1000多種方案中篩選出的最合理搭配。原因在于,，絕對推力并非運載能力的決定性因素,。
當火箭升空之后，火箭對比沖的要求提升,，對推力的要求降低,。燃燒同樣質(zhì)量的液氫液氧混合物產(chǎn)生的氣流速度比液氧煤油更高，能將火箭送往更高的軌道,。
液氫與液氧是當前火箭燃料中最高能的物質(zhì),，大推力液氫液氧發(fā)動機是航天科研水平的標志。我國大推力液氫液氧發(fā)動機2001年立項,，比長五火箭立項還要早5年,。
發(fā)動機是航天航空工業(yè)中的一道難關(guān)，被稱為“ 工業(yè)桂冠上的那顆明珠”,。為什么這么難,？
長五火箭副總設(shè)計師王維彬說，就氫氧發(fā)動機來說,，它將低溫,、高溫、高壓,、高轉(zhuǎn)速,、高熱流密度等極端特性集于一身，在極短時間內(nèi)發(fā)生難以想象的劇烈變化,。而大推力比之小推力,，又難上加難，“就像建一座普通體育館和鳥巢的區(qū)別”,。
以人為本,、安全可靠、綠色環(huán)保,，是長五火箭研制初期就定下的設(shè)計原則,。在設(shè)計長五火箭時，設(shè)計師努力實現(xiàn)了液氫加注時不需要人值守,。他們通過應(yīng)用大量新技術(shù),，減輕了人的工作強度，使得發(fā)射前準備工作簡化,。否則,，如此大體量的低溫火箭,，射前準備工作會讓人忙碌得難以想象。
五：大火箭之美
被昵稱為“胖五”的長五火箭,，身材健壯但比例勻稱,。
“很多人感覺看起來很舒服、很漂亮,，整流罩和斜頭錐都很漂亮,。”但設(shè)計之初其實并沒有考慮到這種美感,，李東說,，“設(shè)計師們只是在尋找一種最合理的設(shè)計?！?/p>
整流罩采取了馮·卡門曲線設(shè)計,，這一由“ 導(dǎo)彈之父”發(fā)現(xiàn)的曲線，可以有效地減小空氣阻力,，減輕載荷影響,；助推器采取斜頭錐設(shè)計，與芯級優(yōu)美銜接,。長五火箭的外形因而圓潤而飽滿,。
“合理、協(xié)調(diào)的東西都是美的,，人長得漂亮肯定也是比例勻稱的,。通過設(shè)計獲得了最合理的外形、最小的氣動阻力,、最有效的傳力方式,，各分系統(tǒng)互相協(xié)調(diào)也是最和諧的,，自然就美了,。”李東說,。
大火箭之美,，其實并非完全由它的曲線和比例判斷，與它的色彩,、噴繪關(guān)系也不大,。
當高達20層樓、壯如小山的長征五號真正矗立在面前時,，你會感到：大即是美,。在發(fā)射一瞬間，地動山搖的時候,，這種感覺更加強烈,?？吹剿娜饲椴蛔越潎@它“ 漂亮”的時候，其實是在說它的“大”,。
因為大火箭的背后,，是國家科技能力、制造水平的全面體現(xiàn),，是我國向航天強國,、科技強國、制造強國目標前進的實實在在的一步,。所以,，火箭越大，就越是航天科研實力的壯大,，就越是國家實力的強大,，就越能在探索宇宙的道路上再躍進一大步。
榮耀的起點,，歸于長五火箭的設(shè)計師,。他們?nèi)藬?shù)多達上萬，其中核心人員也多達上千,，正值壯齡,。副總設(shè)計師楊虎軍、婁路亮等一批航天青年干將,，伴隨了長五火箭10年,，至今也才40歲左右。
一位全程參與長五火箭組織工作的人見證了他們的付出,，說：“他們把最好的10年獻給了這枚火箭,。”