前沿拓展：

1958年5月，毛澤東主席在黨的八大二次會議上提出：“我們也要搞人造地球衛星”。隨后，他風趣地說，雞蛋那么大的我們不放，要放就放個兩萬公斤的。

2020年5月5日，由中國航天科技集團有限公司第一研究院抓總研制的長征五號B運載火箭在中國文昌航天發射場成功首飛，把近22噸重的新一代載人飛船試驗船送入太空。這是中國乃至亞洲火箭首次發射超過“兩萬公斤”的航天器，進一步奠定了長征五號系列火箭運載能力在世界現役火箭第一梯隊中的地位。

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

長征五號B火箭。 央視頻截圖

十年磨一“箭”

長征五號B和長征五號火箭同屬一個系列火箭，但使命任務不同，長征五號B火箭主攻近地載人空間站，長征五號火箭主打高軌衛星和探測器。

據長征五號B運載火箭總指揮王玨介紹，從立項到首飛，長征五號B火箭經歷了近十年的研制歷程。2011年11月，長征五號B運載火箭正式批復立項，承擔發射空間站艙段的任務。2012年1月，長征五號B運載火箭方案通過評審，轉入初樣研制階段。2018年11月，長征五號B運載火箭轉入試樣研制階段。2020年1月19日，長征五號B遙一運載火箭順利通過出廠評審，首飛任務載荷為新一代載人飛船試驗船及返回艙試驗艙。

在今年1月舉行的《中國航天科技活動藍皮書(2019年)》發布會期間，長征五號運載火箭副總指揮曲以廣接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）采訪時介紹說，長征五號B火箭是我國現有低軌運載能力最大的運載火箭，也是我國首型采用“一級半”構型的火箭，其首飛開啟了中國載人空間站任務階段的序幕。

長征五號B火箭與其他長征家族火箭合影。 房大川 圖

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

從外觀上看，長五B火箭“身高”近54米，相當于18層樓高，近850噸重。與長五火箭比，長五B火箭芯級直徑都是5米，矮了約3米，“體重”輕了約20噸。這主要是因為長五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米的助推器（又稱為“半級”），因此，長五B火箭是我國首型“一級半”火箭。不過，長五B火箭“頭部”——整流罩比長五火箭更大，高度超過20米，連10多米長、4米多粗的空間站核心艙都能裝進去。那么，長征五號B為何采用一級半構型呢？

一般來說，火箭分單級火箭和多級火箭兩類，其中多級火箭又分串聯式、并聯式、混合式三種聯結方式。

所謂單級火箭，顧名思義，也就是只靠一級發動機點火就直接將載荷送到預定位置，一步到位，目前我國長征火箭中還沒有純粹意義上的一級火箭。本次首飛成功的長征五號B火箭，在一級上捆綁了四個助推器，我們一般把助推器算作半級，所以，長五B火箭算“一級半”火箭。

目前采用較多的是多級火箭。比如，我國發射載人飛船的長征二號F運載火箭和發射空間站貨運飛船的長征七號火箭都是二級半構型火箭。多級火箭最大的特點是，火箭點火后，最下面一級的燃料開始燃燒，燃料燃燒完后，發動機關機，發動機和儲存燃料的箱體就會從箭體上分離，從而使火箭“輕裝前行”。其實，這里有一個物理學基本原理，我們知道，推力一定的時候，物體的質量越小，所獲得的加速度就越大，這和“包袱輕了跑得快”差不多一個意思。所以，我國的火箭多采用多級形式，很大一部分原因就是多級火箭能獲得良好的加速性能。

但是，火箭級數也不是越多越好，級數多了，控制起來就會更復雜，這和“前后輪雙驅”汽車比“單驅”汽車控制復雜是一個道理。所以，多級火箭一般不超過四級，我國現役火箭，級數最多的是長征十一號固體運載火箭，有四級。

多級火箭的聯結方式一般有串聯、并聯、混合式三種方式。所謂串聯，就是多級火箭好像竹竿一樣串在一起，串聯火箭空氣阻力往往會較小。所謂并聯，就是多級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、又有并聯，比如長征五號火箭就是采用四個助推器和一子級并聯捆綁，一子級又和二子級串聯的方式。實際上，真正設計一款火箭的構型的時候，需要考慮的因素是非常多的，對火箭的運載能力、結構強度、材料選擇、速度控制等都需要極為精確的計算和試驗。

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公里的軌道是我國空間站建設的主戰場，作為一型專注于近地軌道發射的火箭，后續空間站核心艙等主要艙段都要由長五B火箭送上天。

長征五號和長征五號B火箭同屬一個系列

居功至偉的“心臟”

長五B火箭只用“一級半”就能把重磅航天器送上天，得益于采用氫氧推進劑的芯一級和采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，又直接影響著航天器的最終入軌。

氫氧發動機的比沖（用于衡量發動機性能，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。而在助推器分離后，火箭加速度又瞬間達到最低。

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后，還有“后效”，類似燃氣灶閉火后的“余火”，這同樣會對航天器入軌精度造成影響。

為了解決大推力精準入軌的問題，一方面，發動機研制隊伍要確保發動機燃燒穩定，并盡可能給出“后效”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制之初，控制系統研制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控制系統的硬件是通用的，已實現產品化；軟件也無需大改，即能適應長五B飛行任務。

“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”，航天科技集團六院長五火箭副總設計師王維彬說，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。

為了應對這些挑戰，氫氧發動機研制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。此外，地面設備等系統采用的遠程操作方法，也保證了發動機預冷等環節的安全、順利推進。

珠海航展上展示的新一代載人飛船返回艙

載人空間站建設拉開序幕

長征五號B火箭的首飛成功開啟了中國載人空間站任務階段的序幕，為接下來發射空間站核心艙及其他艙段奠定了基礎。

據中國載人航天工程辦公室消息今年1月發布的消息，空間站核心艙初樣產品與新一代載人飛船試驗船一同抵達海南文昌，分別參加長征五號B運載火箭發射場合練及首飛任務。

目前，我國載人航天工程已處于“三步走”戰略的最后一步，即空間站任務階段，空間站系統已完成試驗核心艙正樣產品生產。核心艙命名為“天和”，是中國空間站的管理和控制中心，全長16.6米，最大直徑4.2米，發射質量22.5噸，可支持3名航天員長期在軌駐留，支持開展艙內外空間科學實驗和技術試驗，是我國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艙段，包括一個核心艙和兩個實驗艙，每個規模20多噸。基本構型為T字形，核心艙居中，實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ分別連接于兩側。核心艙前后還可以停靠“天舟”貨運飛船和載人飛船。

空間站未來將成為我國開展空間科學研究的主要平臺，其在科學技術方面有三個目標：一是掌握大型空間設施的建造和運營技術，達到或接近國際空間站水平，并能利用當代的技術成果，發揮后發優勢實現超越；二是掌握航天員經常在軌飛行的生活和健康保障技術。在空間站建設和應用中，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；

三是建設國家太空實驗室，為科學家提供高水平科學研究平臺，以期能達到在科學方面若干領域實現重大突破的目標。

珠海航展上展示的空間站核心艙

根據飛行任務規劃，中國空間站工程分為關鍵技術驗證，建造和運營3個階段實施，其中：關鍵技術驗證階段安排了長征五號B運載火箭首飛、天和一號試驗核心艙、神舟飛船、天舟飛船等6次飛行任務；建造階段安排了問天艙（實驗艙）、夢天艙（實驗艙）、神舟飛船、天舟飛船等6次飛行任務。根據規劃，中國將在2022年前后建立空間站，空間站的近期規模為100噸，可載3人，建成后將至少運營10年。

拓展知識：