长征五号火箭最新信息，中国长征五号火箭怎么登月的

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来源：超级Loveovergold于2017年7月2日发射失败后，历经908天至天黑，2019年12月27日长征五号遥三运载火箭从文昌发射场顺利发射，将重达8吨的实践二十号卫星准确送入预定轨道5月5日，长五b遥1运载火箭进一步成功发射，嫦娥五号发射任务圆满宣告中国长五系列大火箭走向成熟。 这条路很难走，但放眼世界，长五与现代现役同级火箭相比，到底是一个什么水平？ 我们与目前世界上同级别现役的阿丽亚娜5、宇宙神5、德尔福4安格拉等火箭进行了横向对比，对比之下，在提高的同时，大型火箭的研发曲折经验也悉数！ 一、风雨过后，彩虹——阿丽亚娜5在挑战者航天飞机失事后，发射市场寸步难行，阿丽亚娜火箭疯狂下单，1986年1月签订了18个发射服务合同。 但Alian2/4存在运载短板，无法满足通信卫星不断增长的体积和重量，迫切需要大火箭，需要满足大质量的多星发射。 巩固了欧洲航天局在商用卫星发射方面的领先地位和市场份额，同时也为欧洲载人航天飞机的后续发射、国际空间站的建设奠定了基础。 在此背景下，阿丽亚娜5运载火箭于1987年11月正式获批研制，用于载人航天，阿丽亚娜5的可靠性要求必须达到0.99，执行不载人发射任务时的可靠性也必须达到0.98以上。 阿丽亚娜5是二级半火箭，火箭整体包括基础级和高级两大部分。 基础级由直径5.4米的氢氧化核心级和两台固体火箭助推器组成。 作为阿丽亚娜5火箭的心脏，代号为HM-60的百吨级推力氢氧发动机——火神( Vulcain )实际上早在1980年就开始研发了。 为了降低研发的技术风险和费用，该发动机没有采用航天飞机主发动机( SSME )复杂高效的分级燃烧循环，而是借鉴了相同推力级的J-2发动机。 采用难度低、可靠性高的燃气发生器循环，地面和真空推力分别为900kN和1145kN，乍一看推力不大，但阿丽亚娜5搭载了两台直径3.05米的固体火箭发动机，总推力达到了千吨级！ 海面平均推力为2 X5250 kN，真空推力为2X6000 kN，起飞时提供90%以上的推力，使阿丽亚娜5的力量无限壮大。

图1.2台巨大的固体火箭助推器在起飞时提供了90%以上的推力

阿丽亚娜5G(G=Generic，通用型)是该型号的第一代火箭，上段采用稳定可靠的L7发动机( Aestus )，推力27.40kN，推进剂为一碰就到的单甲基肼和四氮的经过前后近16年的研究，第一代阿丽亚娜5可将6.8吨有效载荷送入地球同步转移轨道( GTO )，价值70亿美元的阿丽亚娜5火箭于1996年6月4日迎来了试飞。 但在从法属圭亚那库鲁航天中心发射后仅39秒，火箭姿态在约3700米高度失控，攻角超过20度，两枚固体火箭分离，在强大的空气动力作用下箭断裂，自毁系统很快成为箭

图2 .发射30秒后姿态失控遭遇事故

事后调查表明，阿丽亚娜5运载火箭的惯性基准系统继承自阿丽亚娜4火箭，此前多次飞行证明是合理可靠的，但两种火箭不同。 两枚强大的推力固体助推火箭远远超过阿丽亚娜5火箭的推进力比1.75和阿丽亚娜4，特别是发射30秒后产生的横向速度比4型火箭的横向速度快5倍，过大的数值在转换时溢出了主备用惯性基准系统的计算机软件文字，导致计算机系统运行箭载计算机从停止的惯性基准系统的计算机输出错误的姿态控制指令，使火箭失控，在巨大的动压下拆除了火箭。 失败17个月内，6500名工程师卧薪尝胆。 这些努力于1997年10月30日得到了回报。 编号502的第二枚阿丽亚娜5G火箭从克鲁航天中心发射进行了第二次认证飞行，发射基本成功，但阴霾持续笼罩，固压分离后箭体开始神秘翻滚，芯级发动机提前停止，模拟载荷轨道低于预期这一神秘现象始于火神发动机的排放冷却喷嘴。 瑞典沃尔沃航空发动机公司为火神发动机制作了独特的排放冷却喷嘴延伸部分。 为了使液态氢在管路内快速流动，充分吸收热量后，在喷嘴前端排出，将456根方形Inconel 600材质不锈钢管螺旋状排列，壁厚仅为0.4毫米，用钨极电弧焊( GTA )钎焊

图3. VOLVO航空发动机公司的工程师把螺旋不锈钢管缠得很细

然而，意外地，由于喷嘴延长部内壁螺旋状光束管的排列，发动机气体射流的边界层也带有"旋转" 旋转气体的反作用力施加在发动机上时，会产生900 Nm (牛顿米)的滚动扭矩，箭会滚动到超过火箭姿态控制系统的调节能力。 3次地面点火测试，得到了与该飞行数据非常一致的数值，然后通过调整涡轮废气排放量，将该部分的滚动扭矩抵消在100 Nm以下。 航天是项目实现过程中无数次试验、无数次失败中获得的最终成功，基于上述努力，第三枚阿丽亚娜5G终于在1998年10月21日成功完成了飞行试验，阿丽亚娜5G火箭于1999年12月10日正式投入商业运营随后，根据发射需要，出现了阿丽亚娜5g(1996-2003 )、阿丽亚娜5g ) 2009 )、阿丽亚娜5g5 ) 2005-2009 )、阿丽亚娜5 ES )、阿丽亚娜5 ECA等衍生机型，目前阿丽亚娜5 ECA等她将地球同步轨道移动专用的芯级发动机升级为火神2，推进剂混合比从5.1增加到6.2，喷嘴扩展比从45增加到60，涡轮废气也为了气膜冷却而排放到喷嘴等进行了改进，推力从30%增加到1350 ESC-A上段为改进后的阿丽亚娜4液氢液氧第三级，搭载64.8 kN推力HM7B发动机； 直径5.4 m的整流罩有19.2米和12.7米两种规格，GTO发射能力达到10吨。 当然，不是所有的新模式都顺利固定下来。 2002年12月11日，阿丽亚娜5 ECA首次再次失败，火神双引擎喷管冷却系统破裂，喷管过热变形，火箭失控，价值6亿欧元的卫星坠入大西洋。 然而，经过风雨后可以看到彩虹，以及许多火神2的重新设计和测试工作，阿丽亚娜5 ECA终于在2005年2月12日成功飞行。 截至目前，阿丽亚娜5 ECA已连续74次成功发射，是世界上最可靠的运载工具之一，也是欧洲独立进军太空的基础。 美国航天局耗资80多亿美元的詹姆斯韦伯太空望远镜也有望在2021年发射金牌阿丽亚娜5 ECA火箭

图4.80多亿美元的詹姆斯詹姆斯韦伯太空望远镜也将由阿丽亚娜5ECA火箭发射

二、俄罗斯之心，美国之箭——宇宙神5，20世纪80年代末至90年代初时期是美国航天特别封锁的时代，“挑战者”失事后，由50年代的洲际弹道导弹发展而来，性能下降的几枚运载火箭发射同时随着欧洲阿丽亚娜运载火箭的成熟，美国担心商业航天发射市场可能会转移。 形势的发展使新型运载火箭的需求迫切起来，渐进式可弃运载火箭( EELV )工程应运而生。 该项目为军队提供了可靠的航天发射，确保了美国在商业发射方面的霸主地位，具有足够的成本竞争力。 用老旧昂贵的运载火箭代替当时的LEO (低轨道运载能力( 1.1~2.2万美元/公斤的发射价格，宇宙神( Atlas )、三角洲、泰坦)，其成本比现有火箭低25%~50% generaldynamicssystems部门之前就开始着手从宇宙神2的轻型升级到中型系列运载火箭。 此次升级旨在降低成本，提高宇宙神2的性能，使其在不断变化的全球商业发射市场中具有竞争力。 内部决定也提议与俄罗斯火箭发动机制造商动力机械科研生产共同体( NPO Energomash )合作，在现有四推力室的RD-170发动机的基础上开发新型发动机。 这种新型双推力室发动机几乎是一半的RD-170，被称为RD-180。 1995年，通用航空系统部门辗转并入洛克希德马丁公司(以下简称罗马)，新公司计划继续升级航天神火箭，选择动力机械科研生产联合会( NPOEnergomash ) RD-180 当时RD-180还处于设计阶段，但这个项目对苏联解体后困境中的动力机械科研生产联合体的生存至关重要，俄罗斯政府也给予了大力支持。 1995年10月，俄罗斯航天局和国防部联合推进RD-180，两台预研发动机在1996年11月至1997年3月期间进行了12次试验和1610秒的测试，得益于测定各种推力的良好基础，俄罗斯航天专家绝地武士大显身手真空比冲创下液氧/煤油机337.8秒的纪录，节流范围进一步扩大到47%~100% (极限达到40% )，最大真空推力达到4150千牛，蓝胜利于1998年7月，RD-180进入马歇尔太空飞行赛RD-180的顺利合作进展也带动了空军。 出于对商业发射市场的乐观，两种火箭型号的中标明显比一种更可靠，而且形成的商业竞争关系更容易政府操纵。 1998年10月，空军没有按原计划选择一家公司承担EELV项目，而是分别给予罗马和波音公司两家公司5亿美元的EELV研发项目合同，开发各自的运载火箭和发射基础设施测试全部通过后，动力机械科研生产联合体于1999年1月2日正式交付了第一台发动机。 发动机选型完成后，后续的研发对罗马来数可谓马平川。 宇宙神5新开发的芯级，直径从3.05米增加到3.81米，高度为32.5米。 油箱可装284.45吨液氧和航天煤油，还可加装多达5个罗杰公司的捆扎式固体火箭助推器，每推力提供1270kN推力，可持续工作94秒

高级采用了经过长期考验的液态氢液氧半人马座高级，但油箱不再使用“不锈钢气球”，而是采用了铝合金。 油箱在无加压时可以稳定结构。 由于铝的热传导率比不锈钢高，所以用聚氨酯泡沫覆盖整个水箱外侧进行隔热。 根据任务需要，1台或2台RL10液氢液氧上段发动机，每台推力99.2 kN，可多次启动满足不同的发射需求。 在载荷的作用下，宇宙神5可以提供两种直径的载荷整流罩。 一种是沿用宇宙神2直径4.2米的整流罩，各有9米、10米、11米长，只包裹卫星。 关于大型卫星，另外准备了瑞士RUAG公司制造的直径5.4米的整流罩。 长20.7米、23.4米、26.5米三种尺寸，这种长整流罩完全包裹着半人马座和有效载荷，可以防止上空侧风的影响。 根据整流罩的尺寸，宇宙神5被分为400和500两个系列。

图5 .上层配置1台发动机的宇宙神5家族

不要小看助推火箭的能力。 宇宙神5最小的401 (第一位表示整流罩的尺寸，第二位表示助推火箭的数量，第三位表示上层发动机的数量。 )配置方面，LEO运载能力为9，072公斤，GTO为4，750公斤，而配置5枚助推火箭的宇宙神5最大配置方面，——551型号的运载能力增加了一倍，LEO但是，火箭箭的侧面有电子机房和液氧输送管下图为各不相同配置助推器的“偏心”安装方式，人们往往担心不对称安装的助推器火箭在工作时产生的俯仰力矩。

图6 )各自不同配置的助推火箭的“偏心”安装方式

但RD-180继承了摆角达8度的“泵后双摆”推力室设计，足以克服助推火箭“偏心”安装产生的力矩和助推火箭鸭嘴形整流罩产生的空气阻力。

图7.2个军绿驱动器可以使RD-180喷嘴在两个平面内摆动

第一枚宇宙神5火箭于2002年8月21日首飞成功，作为美、俄在蜜月期真诚合作的典范，宇宙神5的发射记录极为完美，发射任务全部成功，仅2次发射存在缺陷，1次于2007年6月15日由绝密入侵者8A/B 高级二次点火因液氧阀泄漏提前4秒关闭，随后由卫星自身发动机进入高度1150 km，另一次是2016年3月23日天鹅座-5航天货运飞船升空时，因混合比调节阀问题，RD-180提前5.6秒关闭，随后上段点火由于可靠性高，宇宙神5是目前唯一通过NASA认证的能够发射含有放射性核材料的负载的火箭，利用RTG等核能供电部件的深空探测器只有她能够发射。

图8. 2011年8月5日宇宙神5最大运载能力的551型火箭发射朱诺木星探测器

另一方面，RD-180的实惠价格，初期单体售价为1000万美元左右，但即使2014年暴涨到2340万美元，宇宙神5的性价比也比波音的德尔福4要高得多，所以没有钱的美国空军也选择了ULA的宇宙神5 但是，有一种俗语说，长时间必结，长时间必结。 美国和俄罗斯在2014年乌克兰危机爆发后关系恶化。 俄罗斯曾一度表示将停止向美国销售RD-180发动机，但RD-180发动机可能的缺货成为美国军事和安全太空发射的心腹之患。 幸运的是，美国有大型运载火箭——三角洲4。 三、“浴火重生，凤凰涅槃”的德尔他4从宇宙神5号火箭的故事中，可能会怀疑作为宇宙强国的美国为什么要和以前的冷战对手合作。 实际上，对于苏联解体后的俄罗斯，是继续对抗还是合作确实是个难题。 苏联几十年的航天投资给俄罗斯留下了丰富的航天技术储备，同时缓解了解体后的紧张局势，在美国运载火箭上使用俄罗斯火箭发动机是可行的，也是可取的。 因此，可以利用他山之石发展新一代美国航天技术，维持俄罗斯火箭科学家的就业和生存，防止导弹技术向“无赖者”国家扩散。 当然，美国不会把EELV计划完全寄托在俄罗斯手中。 当时竞争EELV计划的是波音和麦当劳等。 波音公司的方案是以SSME为基础级发动机捆绑2~8台精工120固体发动机，这个方案看起来很眼熟，难道不是25年前的MINI版SLS吗？ 还好当时的波音没有烧钱的习惯。 该方案可复用，SSME在发射后分离，将伞丢在海面上回收。

图9 .回收波音两台SSME引擎的EELV投标方案

另一方面，麦克多公司和洛克威尔国际公司(当时洛克达因的母公司)提出了德尔福4火箭方案。 美国三角洲部队是道格拉斯飞机公司在“雷神”中程导弹基础上发展起来的航天飞机，雷神三角洲是世界上家族成员最多、改造最快的运载火箭系列，曾是世界上第一颗地球同步轨道卫星为了满足EELV项目在低成本和可靠性方面的要求，该方案试图在现有的增量系统中大量采用成熟的零件和生产流程。 德尔塔4沿用德尔塔3的上段，采用普惠公司的RL-10B-2发动机，即喷嘴可伸缩至462秒的神器，芯级采用基于SSME简化设计衍生的液氧/液氢发动机RS-68发动机，通用助推器1996年12月20日，上述航天神火箭制造商罗马公司和麦道公司分别获得价值6千万美元的第二阶段合同，完成了为期17个月的EELV前期工程和制造开发研究。 波音就这样和EELV无缘了吗？ 不，波音最大的能力是资本运营和并购； amp； a重组能力也有。 基于冷战结束后军工企业的不景气，为了对抗空客集团，波音从1993年开始两次试图收购麦道，但都被拒绝了。 1996年12月15日，即使垄断嫌疑的争论持续，在美国政府的斡旋下波音公司也以133亿美元收购了麦道公司。 当天，波音从洛克威尔国际公司花费32亿美元收购了空间和国防业务，并收购了洛克达因。 此前波音加入EELV，雄心勃勃的波音在前人的带领下综合运用各种成熟技术，全力打造德尔福4的洛克达因在液体火箭发动机方面有着50多年的成功历史，在氢氧机的开发上有着非常深厚的造诣在阿波罗计划中，洛克达因开发了百吨级液氢液氧的高级发动机J-2发动机。 基于J-2，洛克达因推出了氢氧机巅峰之作——航天飞机的主引擎SME(RS-25 )，但SSME的价格也令人吃惊，针对这种情况，洛克达因推出了国家发射系统。 洛克达因的这种自我加压正好赶上了EELV项目。 RS-68发动机的设计与洛克达因公司开发的SSME的设计思路完全不同，它走的是中庸之道，不是寻求最佳性能，而是寻求平衡，在现有设计经验和技术条件的基础上，在满足整体性能要求的前提下，尽量降低设计技术要求。 例如，采用燃气发生器循环代替分级燃烧循环，在牺牲部分性能的同时大幅度降低推力室压等工况要求，推力提高约50的更多成熟技术。 例如，推力室沿用同轴注射器，电火花加工技术生产的整体式涡轮泵叶轮减少零件数量。 发动机的零件数量仅为SSME的20%。 另外，针对一次性使用，采用了烧蚀喷嘴简化了系统设计。

图10 .正在测试的RS-68引擎

在短短4年内，洛克达因通过183次试验和18945秒的试车完成了发动机的研发和验证，研发费用比SSME下降了近50%。 由于整个项目的顺利进展，波音公司希望在1998年10月获得空军5亿美元的EELV项目合同。 像RS-68这样的单台海面推力2886 kN、真空推力3308kN的世界最强氢氧化物火箭发动机，非常适合通用助推器核心级( CBC )配置，如下图所示。 德尔塔4分为中型、中型、大型三种型号，共同点是都采用统一配置一台RS-68发动机的通用助推器核心级，使用一个中型，三个重型火箭。 中型采用2枚GEM 60固体助推火箭获得了两者之间折中的运载能力，可以说是组装积木的模块化构想。 其中，重型三角洲4的GTO运载能力达到14.2吨，LEO运载能力达到28.8吨。 整流罩有4米和5米两种直径规格，长11.7米~19.8米，适合不同的发射需要。

图11 .回收波音两台SSME引擎的EELV投标方案

作为世界上最强大的航天大国的杰作，100%美国产的德尔福4运载火箭的开发无疑很顺利。 2002年11月20日，德尔福4火箭在德尔福空军基地首次发射成功，起飞37分钟后将“欧洲通信卫星”W5送入预定轨道，此后40次发射成功。 唯一的例外是2004年12月21日的重型三角洲部队第四场表演。 推进剂液氧输送管道出现空化导致的空化，导致传感器误以为氧化剂用完，导致芯级提前9秒关闭，辅助级提前8秒关闭，但上一级的出色发挥弥补了这一缺陷。 迄今为止，在40次发射中，11次重型三角洲4次发射均取得圆满成功。 不过，这里也有逸闻。 也就是说，三角洲力量每发射四次，就会浴火重生，凤凰涅槃，整个火箭都会被点燃。 燃烧着的乌黑的火箭消失在空中，会为她捏一把汗。

图12 .德尔塔4火箭整体点火，烧毁的黑色火箭消失在空中

作为理由，就RS-68采用的推进剂来说，采用液氢液氧推进剂的火箭对绝热材料的要求特别高。 液态氢的沸点为-252.7，液氧也较低，为-183，因为空气碰到冰冷的罐壁时会发热液化，低温推进剂会气化排出，但绝缘材料会尽量阻止热传导。 阿波罗登月项目开发了将非常轻的聚氨酯泡沫( Polyurethane Foam )直接喷涂到油箱外壁上进行固化成形的技术。 泡沫内包裹数百万微小气泡并隔热，表面加保护层密封可以防止空气进入隔热材料。 但是，RS-68在启动时为了预冷涡轮泵和燃烧室注入，减少涡轮泵启动时的工作背压，提前打开液氢阀，在2.5秒钟内排出大量液氢，充分夺取发动机潜热并气化，比空气轻的氢气而且，重型戴尔其他4由于是3台RS68发动机，在后续优化点火时机错误的时候点火，右侧发动机的T-7S比其他两台发动机提前2秒启动，强大的射流产生的低压通过抽取芯级和左侧发动机启动中的气体氢进行清洗。 但是，这也成为了戴尔4火箭著名的出场秀。 目前波音和罗默合资的ULA――联合发射联盟公司计划开发将BE-4发动机采用芯级的火神火箭，逐步淘汰重型三角洲4以外的低性价比三角洲4，也给发动机受制于人的宇宙神5火箭留下退路四.犹豫不决的俄罗斯安格拉5大火箭苏联解体后不久的1992年，为了摆脱其他独联体国家对航天技术和拜科努尔发射场的依赖，尽管当时俄罗斯国内经济形势并不乐观，俄罗斯政府还是开发了可以在国内生产发射的新一代运载火箭1993年，俄罗斯航天局和俄罗斯国防部向国内空间研究机构和航天工业部门投标，准备开发以西伯利亚湍急的安加拉河命名的新一代运载火箭。 鲁尼切夫国家科研生产中心和能源火箭航天公司分别投标，最终鲁尼切夫中心以质子火箭成熟技术为基础的多级、多模块火箭技术方案中标。 1994年9月，俄罗斯政府宣布了赫鲁尼切夫中心为安格拉号火箭开发的总承包商，调整了安格拉号火箭的设计目标，使其成为俄罗斯发射静止轨道卫星的新一代运载火箭，代替质子号火箭。 质子火箭采用有毒推进剂，一系列质子火箭事故在哈萨克斯坦造成了严重的生态破坏，赫鲁尼切夫中心决心采用环保推进剂。 安格拉号火箭最初的技术方案是使用技术成熟的以液氧煤油为推进剂的四推力室发动机RD-171作为第一级发动机，考虑到模块化，后续火箭核心级将构建单推力室富氧分级燃烧循环的液氧RD-191M

图13 .安格拉火箭家族

用模块式的组合形成了安格拉火箭系列。 该家族包括小型运载火箭——安格拉1.1和安格拉1.2四种不同型号，采用一个URM； 中型运载火箭——安格拉A3和大型运载火箭——安格拉A5分别采用3个和5个URM。 除了基础级火箭外，安格拉系列火箭还配置了由拥有30吨推力的液氧煤油高海拔发动机RD-0124提供动力的二级URM-2和3种上段。 分别是用于元隆声号火箭的微风KM上段、微风m上段，未来计划开发液氢液氧动力的KVRB上段也推力10.5吨、比冲可达461秒的rd-01441的莫斯科以北800公里、北纬62.7度的普雷塞克斯高纬度发射场

图14 .安格拉火箭家发射能力一览表

但是国力的衰退严重影响了安格拉火箭的研发进程，1994年至2005年间，安格拉火箭项目只获得了申请预算的4%，其中一半是2004~2005年支付的。 随着俄罗斯经济的好转，之后的研发终于开始好转。 发射场于2000年初恢复了普里谢茨克发射场的建设工作，1185吨重的发射平台为2000发动机，双级发动机RD-0124的试验于1996年开始，将RD-0124作为第三级发动机RD-191M火箭发动机于2001年7月31日首次试运行，至2006年10月进行了10次RD-191测试，最终于2009年完成。 两台发动机进行了数万秒的试运行，可谓万事俱备，但由于发射场准备工作延迟、二级设计变更、资金等问题，首发时间一再推迟。 最后在2014年7月9日，也就是项目开工的20年后，真正的俄罗斯国产火箭安格拉1.2火箭成功首次发射，但6月24日的首次发射因一级液氧罐压力异常而延期，让正在现场观看的普京总统感到为难。 为了雪耻，安排微风m高级等级的安格拉A5在不到半年的时间里成功完成了首场表演。 773吨火箭于2014年12月23日从普列谢茨克航天发射场发射，5台RD-191M发动机产生了共计980吨的推力。 这也是暴风雪航天飞机以来北极熊最大推力的发射，这次试飞非常成功，将2吨模拟载荷送入地球静止轨道。

图15 .安格拉火箭A5冰中等待首秀

但随后，由于俄罗斯经济形势的下滑，安格拉火箭再次陷入沉默，俄罗斯也计划在低维度的东方发射场发射，以提高发射效率。 但没有进一步消息称液氢液氧的高水平研发进展迟缓，最大发射能力仅限于纸面……五、环保高能中国制造的长征五号重型运载火箭——仍未完工

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