长征五号和土星五号

长征五号系列运载火箭（英文：Long March 5 Series Launch Vehicle），又称“大火箭”“冰箭”，是中华人民共和国为了满足进一步航天发展需要，并弥补中外差距，而在2006年立项研制的一次性大型低温液体运载火箭，也是中国新一代运载火箭中芯级直径为5米的火箭系列。长征五号系列由中国航天科技集团公司研制，设计采用通用化、系列化、组合化思想。系列由二级半构型的基本型长征五号运载火箭（代号：CZ-5）和不加第二级的一级半构型长征五号乙运载火箭（代号：CZ-5B）组成，运载能力将分别达到地球同步转移轨道13吨，近地轨道23吨。中国未来天宫空间站的建设、探月三期工程及其它深空探测的实施都将使用该火箭系列。长征五号/远征二号于2016年11月3日20时43分在文昌卫星发射中心成功发射升空，成为中国运载能力最大的火箭。11月3日20时43分，中国最大推力新一代运载火箭长征五号，在中国文昌航天发射场点火升空。2017年6月26日，长征五号遥二火箭在文昌航天发射场完成技术区相关工作后，垂直转运至发射区，于2017年7月2日至7月5日择机发射。

长征五号的历史最早可以追溯到1986年“大型运载火箭和天地往返运输系统”被中国列为国家高技术研究发展计划（即863计划）的主题之一，但研制工作当时并未开始。

在随后的20世纪90年代，长征三号乙等火箭的首飞，中国完善了火箭体系，但同时老旧的长征火箭也暴露出一系列问题。90年代后期各航天强国火箭升级，中国火箭技术逐渐“丧失了在世界航天界第二集团的优势地位”。由于数次发射失败等火箭问题以及九十年代末美国通过的“国际武器交易规则”使中国丧失了大部分原有的世界商业发射市场份额，而中国载人航天工程未来空间站以及其它大质量卫星的发射需求也超过了当时中国火箭的运载能力。为缩小与世界的差距、重获市场份额、满足未来航天需要，再加上研制新火箭以维持研发队伍的考虑，中国在2000年前后将新型火箭的论证工作提上日程。

863计划开始后的1988年中国即开始了大型运载火箭的论证工作。通过和世界新一代运载火箭以及自身需求的对比，中国火箭专家认为，旧的长征火箭系列存在着运载能力低，芯级直径小，型号偏多，型谱重叠，可靠性不高，发射准备周期长，使用的偏二甲肼和四氧化二氮推进剂毒性大且价格昂贵的问题，在小型火箭方面还存在空白。希望新型火箭解决这些问题，2001年预研工作开始前，中国已经明确了火箭的运力指标、级数、推进剂种类，并要求新型火箭高可靠、低成本。

2001年后，中国继续对新型火箭的设计方案、发展途径、发射场等方面进行讨论。2002年中国改进完善863计划火箭发动机和大型运载火箭专家组组长朱森元“模块化研制、积木式发展”的建议，确定了“一个系列、两种发动机、三个模块”的总体发展思路以及”通用化、系列化、组合化”的设计思想。这在2006年新火箭立项开始研制时公布的新火箭方案中得到体现。

“三个模块”是指使用液氧/液氢的5米直径模块，使用液氧/煤油的3.35米直径模块、2.25米直径模块；“两种发动机”是指新研制的地面推力50吨YF-77氢氧发动机和地面推力120吨YF-100液氧/煤油发动机；在三个模块基础上第一步组合制造出5米直径芯级的大型运载火箭，再进一步组合制造出3.35米直径芯级的中型运载火箭和小型运载火箭，最终形成近地轨道运力覆盖1.5-25吨，地球同步转移轨道运力覆盖1.5-14吨的“一个系列”。按照方案，火箭运载能力相比原长征火箭大幅度提高；使用推进剂无毒无污染；采用“三化”的设计思想降低成本；比传统火箭普遍少一级的一级半或二级半构型提高火箭固有的可靠性；拥有完整的运载能力覆盖范围。

尽管中国新一代运载火箭与原长征火箭有很大的不同，但是考虑到长征系列火箭已有的品牌影响力，中国在2007年还是将新火箭统一命名归纳为“长征五号”系列。此后长征五号火箭的方案经过一些更改。2009年与2010年原本作为长征五号系列中衍生型号的小型、中型火箭分别独立形成“长征六号”与“长征七号”，长征五号系列中仅剩下5米芯级直径的大型火箭。同时，为避免火箭系列间运载能力交叉重叠，长征五号系列的优先发展型号由2006年时的基本型构型D转变为近地轨道、地球同步转移轨道运力最强的两种型号：构型B和构型E。2011年左右，二者分别被命名为“长征五号乙”和“长征五号”，再加上配套的远征二号上面级，便形成了目前的长征五号系列。

中国航天动力部门在火箭研制开始前很早就对发动机进行了研制。长征五号使用的液氧煤油补燃循环发动机YF-100于2000年获得工程立项。在此之前中国863计划就将高压补燃液氧煤油发动机列入规划，1990年从前苏联引进了2台RD-120发动机进行原理研究，之后进行关键技术攻关，奠定了YF-100的基础。YF-100于2001、2005年分别进入初样研制和试样研制阶段。2012年，YF-100完成发动机研制专项验收。一级氢氧发动机YF-77研制始于二十世纪90年代，2001年获得研制立项，2009年转入试样研制。2012年8月，发动机500秒长程热试车成功，确定了长征五号首飞发动技术状态。二级氢氧发动机YF-75D是长征三号甲系列火箭三子级氢氧发动机YF-75的适应性改进型号于2006年开始研制，2014年进入验收阶段。

2006年新一代运载火箭基本型（即构型D）获得立项开始工程研制，进入方案设计阶段。2009年长征五号运载进入初样研制阶段，期间完成以5.2米直径整流罩和5米直径火箭舱段为代表的大部分箭体结构的制造、生产、试验等技术，并在中国首次实现了火箭全型号数字工程化应用。2011年，长征五号乙立项进入工程研制。2013年7，长征五号进入试样研制阶段。主要完成了全箭模态试验、各动力系统试车，整流罩分离试验等大型地面试验，并开展火箭的生产、总装和测试。2016年长征五号完成发射场合练，验证了火箭、发射场、地面发射支持系统的接口协调以及吊装起竖、测试、转运等流程，最终确定长征五号火箭整体技术状态。

长征五号的研制同时带动一些列配套设置的建造。为了火箭测试，2013年中国研制完成了70吨级的世界最大推力的振动台。用于火箭、航天器生产、总装、测试的中国新一代运载火箭天津产业化基地一期于2012年建成投入使用，用于箭体运输的远望21号于同年下水。长征五号的发射场中国文昌卫星发射中心2009年开始建设，接近完成。

20世纪90年代中期，中国就开始了新一代120吨级液氧煤油发动机（YF100）的开发工作。

2000年，120吨级液氧煤油发动机项目通过国家立项。

2006年7月3日，中国新一代大型运载火箭120吨液氧煤油发动机（YF100）进行了首次600秒试车并获成功。

2006年10月，长征五号火箭项目被国防科工委和财政部联合立项，由中国航天科技集团下属的中国运载火箭技术研究院研制，成为中国实现载人空间站工程，探月三期工程的重大航天工程项目的关键支柱和发展基石，同时也支撑中国未来深空探测工程的发展。

2007年5月10日，国务院审议通过了《航天发展“十一五”规划》，明确新一代运载火箭为中国航天重大科技工程。

2007年9月6日，中国运载火箭技术研究院与天津开发区管委会签订了《新一代运载火箭产业化基地建设协议》。

2007年10月30日，长征五号运载火箭产业化基地于在天津经济技术开发区西区开工，一期工程于2009年年底竣工并投入使用。

2012年3月，中国大推力运载火箭长征五号进入初样研制的攻坚阶段，计划在2012年12月转入试样研制阶段、2014年实现首飞。

2012年5月31日，“长征五号”助推器大型分离试验在天津顺利完成，这标志着中国“大火箭”初样研制阶段最重要的大型地面试验之一获得圆满成功。同时，“长征五号”亚洲最高的93米全箭振动塔、120吨级液氧煤油发动机项目也分别封顶和通过国家验收。

2017年6月26日，我国长征五号遥二火箭在文昌航天发射场完成技术区相关工作后，垂直转运至发射区，于2017年7月2日至7月5日择机发射。

长征五号采用模块化设计，火箭各组成部分对应不同的模块：芯一级对应5米直径火箭芯级模块，芯二级对应5米直径火箭上面级模块，助推器对应3.35米直径火箭助推级模块。各种模块根据不同方式搭配再加上整流罩等火箭部件就可以形成不同构型火箭。

长征五号运载火箭（代号：CZ-5）是长征五号系列的基本型号，为带助推器的两级火箭。助推器采用4个3.35米直径模块，每个助推器配置2台120吨级液氧煤油发动机YF-100，每个助推器有1台发动机可单向摆动。一子级采用5米直径模块，安装2台可双向摇摆的50吨级氢氧发动机YF-77。二子级采用改进自长征三号甲运载火箭三子级氢氧发动机的YF-75D作为主动力，发动机可双向摆动，能两次起动，同时配有辅助动力系统。整流罩与有效载荷一起垂直整体运输、吊装。

长征五号乙运载火箭（代号：CZ-5B）为带助推器的一级火箭。其芯一级以及助推器与基本型相同，但是取消了基本型的芯二级，并使用更大的整流罩。

长征五号/远征二号运载火箭（代号：CZ-5/YZ-2）为带助推器的三级火箭。其助推器、芯一级、芯二级、整流罩与基本型相同，但在整流罩内增加了远征二号上面级作为第三级。

长征五号的箭体结构分芯级和助推器两部分，由多个功能各异的部件和组件构成，包括有效载荷整流罩、有效载荷支架、仪器舱、级间段、液氧箱、液氢箱、煤油箱、箱间段、后过渡段、斜头锥、尾段和尾翼等。

贮箱结构材料选用2219铝合金，各级均采用独立贮箱。芯级4个贮箱除一子级液氧箱外均选用单一的硬壳式结构。

助推器

3.35米直径模块继承原长征火箭芯级已有的3.35米直径技术，使用液氧和煤油推进剂，安装两台120吨级YF-100液氧煤油发动机，再加上与发动机配套的增压运输系统和伺服机构等。

助推器结构形式与长征三号乙运载火箭的箭体结构相似，助推器贮箱选用等边三角形网格加筋壳结构。助推器液氧贮箱采用了全搅拌摩擦焊技术。

助推器的头锥为斜锥体，由半球形端头和截锥壳体两部分组成。3.35米直径助推器头锥倾斜角度为15°。端头在飞行过程中要承受气动加热。截锥壳体采用桁梁式半硬壳薄壁结构，外表面蒙皮采用耐高温玻璃钢材料。

芯一级

芯一级采用5米直径火箭芯级模块。使用液氢和液氧作为推进剂，结构主要由贮箱、箱间段、级间段和尾段组成。

贮箱箱筒段是箭体结构中的主要承力结构，所承受的外载荷较为复杂，包括内压、轴压、弯矩和剪力等，其结构形式需按照承受的载荷和最小结构质量等因素进行综合设计。短壳用于贮箱与相邻结构部段之间的连接，主要传递轴向均布或非均布载荷。短壳通常为4块壁板焊接成的圆筒段，一端铆有端框，与其他部段对接；另一端与箱底焊接。短壳承受的载荷多为轴压、弯矩联合载荷。根据载荷条件、边界条件选择结构形式，一般为硬壳式结构、半硬壳式结构或整体网格加筋结构。

芯一级箱间段连接氧化剂箱和燃料箱的短壳，采用半硬壳式结构，由金属蒙皮、桁条、中间框和上、下端框等组成。由于助推器的前捆绑点位于此段上，载荷主要由组合梁和副梁来承受。

一、二子级级间段采用半硬壳式结构，由金属蒙皮、桁条、中间框和上、下端框等组成，分为上、下两个柱段，并含有级间分离结构。

芯一级尾段为半硬壳式结构，由金属蒙皮、组合梁、副梁、桁条、中间框和上、下端框等组成。

5米直径贮箱部分使用了搅拌摩擦焊技术，一级氢箱生产中运用铣焊一体技术、内撑外压技术和辅助支撑技术等手段。

芯二级

芯二级采用5米直径火箭上面级模块，使用液氢和液氧作为推进剂，采用YF-75D作为主动力，以及相应的新的增压输送系统和伺服机构等。另外芯二级采用辅助动力系统，配有气氧煤油姿控发动机。

芯二级结构包括贮箱、箱间段和仪器舱等。

为了简化操作、提高可靠性、降低成本，芯二级贮箱均采用独立箱体结构而不采用共底结构，液氢箱直径5米，液氧箱直径3.35米，液氧箱位于液氢箱下部。二子级液氢箱采用球形底的箱底结构形式，箱筒段为光筒壳；前、后短壳采用正置正交网格结构；芯二级液氧箱的前、后箱底采用椭球底，前、后短壳和箱筒段均为光筒壳。主体结构材料为2219铝合金。

芯二级箱间段为倒锥形，大端直径5米，小端直径3.35米，采用复合材料杆结构。

仪器舱为截锥型壳体，完成由5.2米直径整流罩到5米直径芯级结构的过渡。截锥型壳体采用蜂窝夹层结构，由内、外碳纤维面板、铝蜂窝夹芯和前、后端框等组成。

有效载荷支架

有效载荷支架为截锥形壳体，采用蜂窝夹层结构，由内、外碳纤维面板，铝蜂窝夹芯，前、后端框和分离弹簧支座等组成；前端面是火箭与有效载荷的分离面，包带锁紧装置将有效载荷牢固地连接在此面上；其后端框通过螺栓与仪器舱连接。为减少有效载荷支架的振动，采取了增加阻尼减振结构的措施。

上面级

2009年，中国启动了基于常规推进剂四氧化二氮/偏二甲肼的远征系列上面级研制，其中就包括远征二号。远征二号是一种液体专用上面级，能和长征五号火箭组合承担一箭一星、一箭双星和一箭四星直接入轨发射任务，在轨时间6.5小时，具备2次启动能力。

整流罩

长征五号有效载荷整流罩外形是冯·卡门外形（原始卵形）+圆柱形，由两个半罩组成，直径为5200毫米，分为12.267米、20.5米两个长度系列，分别用于长征五号和长征五号乙。整流罩采取了降噪措施，以改善发射过程中有效载荷的环境。

整流罩依结构可划分为端头帽、前锥段、前柱段、基本圆柱段和横向分离段五个模块。

端头帽的主要功能是保证气动外形，适应气动加热要求，采用带加强框架的层压玻璃钢半球壳结构形式。

前锥段为冯卡门外形，主要目的是改善气动外形，采用由碳/环氧面板和聚甲基丙烯酰亚胺（PMI泡沫）芯子组成的夹层结构。PMI泡沫与铝蜂窝相比具有较高的弯曲刚度和侧压强度，且有较好的热变形能力，能很好地吻合冯·卡门不可展开曲面成型工艺，而成本可降低20%～25%。

前圆柱段主要功能是为有效载荷提供有效空间，由两瓣罩组成，采用由碳/环氧面板和铝蜂窝芯组成的蜂窝夹层结构，结构质量轻，结构简单。

基本圆柱段主要功能是为有效载荷提供有效空间，采用铝合金半便壳式结构形式，结构适应性强、承载能力大，组合方便。

由于气流的冲刷，在有效载荷整流罩的外表面，特别是端头帽和前锥段的外表面会产生比较大的热流，因此有效载荷整流罩需采取防热措施。有效载荷整流罩的防热结构，是在外表面粘贴特制的低导热系数复合材料。

整流罩在中国首次采用了横向线性分离装置。

助推器推进系统

发动机

3.35米直径助推器发动机采用2台高压补燃循环方式的YF-100发动机并联；助推器的内侧发动机采用泵前摇摆方式，可单向摆动参与控制，发动机最大摆角8°。

液氧煤油补燃循环（又称分级燃烧循环）发动机工作原理为：氧化剂经预压泵主泵增压后进入燃气发生器；燃料经预压泵一级泵增压后分为两路，少部分经二级泵进一步增压后进入燃气发生器，绝大部分进入推力室；全部氧化剂与少部分燃料在燃气发生器中燃烧，产生高压富氧燃气，驱动涡轮泵，之后进入推力室，与大部分燃料再次燃烧（即补燃），产生高温高压的燃气，燃气经喷管喷出产生推力。