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空间站核心舱发射在即 为什么是它担负空间站发射任务？

出品：科普中国
制作：太空精酿
监制：中国科学院计算机网络信息中心
据中国载人航天工程办公室消息，2021年4月23日，中国空间站“天和”核心舱与长征五号B遥二运载火箭组合体已转运至发射区，并按计划开展发射前的各项功能检查、联合测试等工作。
长征五号的近地轨道运力达到25吨，同步转移轨道运力达到14吨，地月转移轨道达到8吨级，能执行多种航天发射任务，将是中国空间站建设过程中最核心的运载器具。然而，长征五号这种级别的火箭研制在世界范围内都是个极大的挑战，对中国而言，亦是如此。
造出长征五号火箭，有多难？我们只要对比一下长征五号火箭与传统的长征家族火箭的差别，就能知道答案，并且也将能理解，为什么它能担负起中国空间站发射任务。
新火箭推进剂
传统的长征家族火箭，包括长征二、三、四号火箭都使用四氧化二氮/偏二甲肼推进剂组合，它们毒性大、发射准备周期长、价格昂贵、比冲偏低。比冲是衡量单位质量推进剂产生冲量的指标，一般来说，这个数据越大意味着火箭推进能力越强。相比较而言，液氧煤油、液氧液氢推进剂更优，也是世界主流大型火箭的选择。
因而，长征五号一大变化是它的核心推进剂是由液氧煤油（助推器）和液氧液氢（核心芯一级、二级）组合使用。由于液氧液氢的稳定储存温度极低，分别为零下183和零下253摄氏度，长征五号也因而得名为“冰箭”。
新火箭发动机
更新了推进剂，就意味着发动机也要更新。而一枚火箭发动机要同时做到推力大、爆发力强、材料耐热也耐冷（从极低温到数千摄氏度的燃烧温度）、结构强、控制精细、稳定性强、质量轻等多个优点，谈何容易？
这也是发动机被叫做“火箭心脏”的原因，它的研发难度直接导致全世界能做出大型火箭的国家屈指可数。
空间站核心舱发射在即 为什么是它担负空间站发射任务？
文章插图

展览中的YF-100K发动机 （开源图片）
而为了长征五号，需要同时研发出YF-77（液氧液氢推进剂，用于核心级）、YF-100（液氧煤油推进剂，用于助推器）和YF-75D（液氧液氢推进剂，用于二级）三型发动机，难度可想而知。
新火箭上面级
长征五号定位为一种多用途系列火箭，在执行高轨和深空探测任务时，还需要携带第三级、或者又可以叫做上面级，它类似太空摆渡车的效果。为长征五号配套的上面级是远征二号。
在航天领域，一箭N星“撒土豆”并不稀奇，因为重量仅几十克的皮卫星也叫卫星，但如果一次性发射多个大质量卫星进入不同轨道则非常复杂，对上面级的要求极高。例如，北斗建设过程中，就数次依靠远征一号实现一箭双星任务，节省发射次数。而远征二号实现了中国航天上面级的新一个重大突破，首次的双发动机设计也让它拥有了极强的机动变轨能力，比远征一号更强，能够助力航天器进入更远、更高、更复杂的轨道。
新壳体、新结构、新模块化组合
航天领域有个著名但又不失真的“笑话”——“马屁股决定了运载火箭的运力”，大意是：当初的铁轨设计参照了马屁股并排时的宽度，铁轨宽度决定了车厢设计宽度，车厢设计宽度决定了隧道设计宽度，隧道设计宽度决定了最大允许通过火箭箭体直径，火箭尺寸自然决定了最后的火箭运力。
最终的结果是，此前主力长征火箭的最大壳体直径一般为3.35米，再宽就无法运到三大发射中心（酒泉、太原和西昌）。
空间站核心舱发射在即 为什么是它担负空间站发射任务？
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大国工匠：高凤林，图源：CCTV
而为了实现运力提升的需求，长征五号要求做到5米直径的箭体，第一级外还捆绑了4个3.35米的助推器，总质量飙升到了869吨级别，远超长征三号B系列的426-459吨级别[2]，它成了名副其实的“胖五”，这意味着崭新的壳体和整体结构设计方案。关于它的难度，推荐读者们观看著名纪录片《大国工匠》，第一集就讲述了为火箭发动机和大型壳体做焊接的大国工匠高凤林工程师的故事。
此外，长征五号还实现了大型火箭的模块化设计理念，火箭级数、是否携带上面级、助推器捆绑方案等都可以按照发射需求变化，从而衍生出一个适合多种任务的长五家族。
新配套发射场、火箭运输船、生产基地
但显然，长征五号已经无法继续使用传统的三大火箭发射场，需要建设新的火箭发射场，这就是位于海南的文昌火箭发射基地。实际上，它还有另外两个重大好处：周边都是大洋，火箭残骸不会造成任何损失；纬度更低，能更大程度借助地球自转的力量，减少推进剂消耗、提升运力。

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