mini|Eine CZ-5 auf dem Kosmodrom Wenchang (2017)
Langer Marsch 5, kurz LM-5 (, kurz CZ-5), ist eine von der China Aerospace Science and Technology Corporation hergestellte Serie von schweren Trägerraketen der Volksrepublik China. Die zweistufige Grundversion der Rakete ist für Tiefraummissionen gedacht, die einstufige Variante Langer Marsch 5B für den Transport schwerer Lasten in erdnahe Umlaufbahnen. Die erste CZ-5 startete am 3. November 2016 vom Kosmodrom Wenchang, dem einzigen für diese Rakete ausgelegten Weltraumbahnhof.
Geschichte Schon 1986 war im Fachbereich Raumfahrt des Programms 863 zur Förderung von Hochtechnologie in der Sektion 863-204 (Raumtransportsysteme) die Entwicklung einer schweren Trägerrakete vorgesehen. Nach der Gründung des „Ministeriums für Luft- und Raumfahrtindustrie“ (), einer Vorgängerorganisation der China Aerospace Science and Technology Corporation, begann man 1988 dann mit den konkreten Vorplanungen. Die Experten fanden bei den bisherigen Trägerraketen folgende Probleme:
Niedrige Nutzlast Geringer Durchmesser Mangelnde Zuverlässigkeit Lange Startvorbereitung Toxizität und Preis der Treibstoffe 1,1-Dimethylhydrazin und Distickstofftetroxid
Drei schwere Unfälle auf dem Kosmodrom Xichang Mitte der 1990er Jahre machten die mangelnde Zuverlässigkeit der alten Raketen sichtbar. China befürchtete außerdem durch die europäische Ariane 5 als Anbieter von kommerziellen Satellitenstarts den Anschluss auf dem Weltmarkt zu verlieren. Im Jahr 2000 startete das Projekt zur Entwicklung des „Flüssigkeitsraketentriebwerks 100“ (, daher kurz „YF-100“), das mit einer diergolen Treibstoffkombination aus Raketenkerosin und Flüssigsauerstoff auf Meereshöhe eine Schubkraft von 1200 kN liefern sollte. Dieses Triebwerk war für die Booster der Schwerlastrakete gedacht. Im Mai 2001 begann die Kommission für Wissenschaft, Technik und Industrie für Landesverteidigung mit den Planungen für die eigentliche Rakete und genehmigte im Januar 2002 die Entwicklung des Raketentriebwerks YF-77, das mit flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff laufen und auf Meereshöhe einen Schub von 500 kN liefern sollte.
2002 schlug Zhu Senyuan (, * 1930) von der Chinesischen Akademie für Trägerraketentechnologie, der Leiter der Expertengruppe für Raketentriebwerke und schwere Trägerraketen beim Programm 863, ein modulares System vor, bei dem nach dem Motto „Eine Familie, zwei Triebwerke, drei Module“ aus wenigen Grundbausteinen Raketenvarianten für verschiedene Anwendungszwecke zusammengesetzt werden sollten. Ein erstes Modell einer solchen Trägerrakete mit 5 m Durchmesser und seitlichen Boostern wurde im November 2002 auf der vom Staatsrat der Volksrepublik China veranstalteten Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung in Zhuhai gezeigt. Die drei Module waren:
Eine Rakete mit 5 m Durchmesser und Flüssigsauerstoff/Flüssigwasserstoff-Antrieb, wegen des englischen hydrogen für „Wasserstoff“ und des Durchmessers „H-5“ genannt Eine Rakete mit 3,35 m Durchmesser und Flüssigsauerstoff/Raketenkerosin-Antrieb, wegen des Kerosin-Treibstoffs und des Durchmessers „K-3“ genannt Eine Rakete mit 2,25 m Durchmesser und Flüssigsauerstoff/Raketenkerosin-Antrieb, wegen des Kerosin-Treibstoffs und des Durchmessers „K-2“ genannt
Die zwei Triebwerke waren: YF-77 mit 500 kN Schub auf Meereshöhe und Flüssigsauerstoff/Flüssigwasserstoff als Treibstoff YF-100 mit 1200 kN Schub auf Meereshöhe und Flüssigsauerstoff/Raketenkerosin als Treibstoff
Aus den drei Modulen sollte in einem ersten Schritt eine schwere Trägerrakete wie die in Zhuhai gezeigte gebaut werden, in einem nächsten Schritt dann eine mittlere und eine kleine Trägerrakete mit 3,35 m Durchmesser. Diese Raketen sollten eine Familie bilden, mit der Nutzlasten von 1,5–25 t in einen erdnahen Orbit und 1,5–14 t in geosynchrone Transferbahnen befördert werden konnten. Durch die Modulbauweise reduzierten sich die Entwicklungskosten, außerdem lag bei einer Rakete mit nur einer oder zwei Stufen die Wahrscheinlichkeit für eine Fehlfunktion niedriger als bei einem Raketendesign mit drei Stufen.
Zhu Senyuans Grundidee wurde im Laufe der Zeit immer wieder angepasst. So veröffentlichte Ma Zhibin () im April 2003 zusammen mit mehreren Kollegen von der Akademie für Trägerraketentechnologie ein Schaubild, wo für die kleine Version der Trägerrakete eine Stufe mit 3,35 m Durchmesser und Wasserstofftriebwerk angedacht war, die daher „H-3“ genannt wurde.马志滨 et al: 构筑中国通天路——前进中的中国运载火箭. In: 国防科技工业, 2003, 04, S. 19–21. Von letzterer Variante kam man wieder ab. In der Version des Plans, der am 8. August 2006 vom Staatsrat der Volksrepublik China genehmigt wurde, gab es insgesamt 6 Varianten der Rakete, durchnummeriert von A bis F, die alle mit einem Kernmodul von 5 m Durchmesser ausgestattet waren, dazu noch verschiedene Booster-Kombinationen, von 4 × 2,25 m über 2 × 2,25 m plus 2 × 3,35 m bis zu 4 × 3,35 m. Für die zweite Stufe bei den größeren Varianten waren nach dem 2006 genehmigten Plan zwei von der dritten Stufe der Changzheng 3A übernommene Sauerstoff/Wasserstoff-Flüssigkeitstriebwerke vom Typ YF-75 vorgesehen, mit von 78 auf 88 kN gesteigertem Vakuumschub und nun als YF-75D bezeichnet. Entwicklung und Bau der Triebwerke wurde der Akademie für Flüssigkeitsraketentriebwerkstechnik in Xi’an übertragen, die Booster der Shanghaier Akademie für Raumfahrttechnologie, und die Kernmodule der Akademie für Trägerraketentechnologie, die auch die Gesamtleitung des Projekts hatte. Alle drei Akademien sind Tochterfirmen der China Aerospace Science and Technology Corporation. Der seit Januar 2001 mit den Vorplanungen für die Rakete befasste Chefkonstrukteur Xu Shenghua (, *1939) hatte bereits im Januar 2006 seinen Posten an Li Dong (, * 1967) abgegeben.
Bis dahin hieß die Rakete immer nur „Trägerrakete der neuen Generation“ (). Mit den alten Changzheng-Raketen hatte dieses Modell nicht mehr viel zu tun. Da aber „Changzheng“ bzw. „Langer Marsch“ ein seit 1970 eingeführter Markenname war, beschloss die chinesische Regierung 2007, der neuen Raketenfamilie den Namen „Langer Marsch 5“ bzw. „Changzheng 5“ () zu geben.我国将研制新一代运载火箭. In: 中国科技信息, 2007, 06, S. 288. Der erste Start einer Rakete vom Typ Changzheng 5 erfolgte am 3. November 2016.
Parallel zur Arbeit an der Changzheng 5 begann im November 2011 die Entwicklung einer einstufigen Variante. Die „Changzheng 5B“ genannte Rakete mit einer Nutzlastkapazität von 25 t für eine erdnahe Umlaufbahn war damals speziell dafür gedacht, die Module der Chinesischen Raumstation ins All zu befördern (2022 wurde das Einsatzgebiet auf die Satelliten der China Satellite Network Corporation erweitert). Im Januar 2012 begann man mit dem Bau eines ersten Prototyps, der ab November 2018 intensiv getestet wurde. Im Januar 2020 verließ die erste Rakete dieses Typs die Fabrik, am 5. Mai 2020 erfolgte der Erstflug.
Komponenten Bei den bislang gebauten Varianten der Rakete kamen folgende Komponenten zum Einsatz:
Erste Stufe mini|Nebenstromverfahren (hier mit einer gemeinsamen Turbine für beide Pumpen)
Die erste Stufe, wegen der Hydrogenium-Triebwerke und ihres Durchmessers auch „H-5-1“ genannt, verwendet flüssigen Sauerstoff und flüssigen Wasserstoff als Treibstoff, die mit zusammen 165,3 t fast 90 % des Gesamtgewichts der Stufe ausmachen. Sie besteht von unten nach oben aus einem Bodenstück, an dem die beiden YF-77-Triebwerke montiert sind, einem großen Wasserstofftank und einem kleineren Sauerstofftank sowie dem Verbindungsstück zur nächsten Stufe, das den Stufentrennmechanismus enthält. Da flüssiger Sauerstoff eine Temperatur von −183 °C hat, und flüssiger Wasserstoff −253 °C, sind die Tanks von einer knapp 2 cm dicken, dreilagigen Isolierschicht umgeben, bei der die eigentliche Isolation aus Polyurethan-Schaum zum Tank hin durch eine wenige Zehntelmillimeter dicke Schicht vor dessen temperaturbedingter Kontraktion und Expansion geschützt ist, sowie durch eine Deckschicht vor der hohen Luftfeuchtigkeit auf dem Kosmodrom Wenchang. Die Tanks wurden mit der für diese Material besonders geeigneten Rührreibschweiß-Technik aus einer Aluminium-Kupfer-Legierung gefertigt. Aus Gewichtsersparnisgründen wurde das Lastverteilungsgitter der Stufe (die obere Befestigung der Booster greift an dem Trennstück zwischen Wasserstoff- und Sauerstofftank an) mit einer Außenhaut von nur 1,2 mm bis 2 mm Dicke bespannt.
Während das ab 2005 entwickelte YF-100-Triebwerk der Booster zu Beginn große Schwierigkeiten machte – von den ersten vier hergestellten Triebwerken explodierten zwei auf dem Prüfstand, zwei gerieten in Brand – verlief die Entwicklung der nach dem Nebenstromverfahren arbeitenden Triebwerke der ersten Stufe weitgehend problemlos. Der Führer durch die Montagehalle ist Chefkonstrukteur Li Dong. Bei dieser Art von Triebwerk wird ein Teil des Treibstoffs in einer gesonderten Brennkammer verbrannt, und das entstehende Heißgas treibt zwei Turbinen an, die wiederum die Treibstoffpumpen für den eigentlichen Raketenmotor antreiben. Das entspannte Heißgas aus den Turbinen wird über zwei Auspuffrohre neben der Schubdüse in die Umgebung entlassen. Beim zweiten Start der Rakete am 2. Juli 2017 ergab sich bei einem der Triebwerke durch die schwierigen Temperaturbedingungen ein Problem am Abgassystem einer Turbine, was 346 Sekunden nach dem Start zu einem Schubverlust und dem Absturz der Rakete führte.
Am 12. Oktober 2017 hatten die Ingenieure den Unfallhergang rekonstruiert und den Fehler gefunden. Nach Erarbeitung und Diskussion diverser Ansätze entschloss man sich im April 2018, die Turbine umzukonstruieren. Fünf weitere Leitschaufeln wurden hinzugefügt und das Material für das Austrittsleitrad, das dem ausströmenden Heißgas seinen Rotationsdrall nimmt, wurde von rostfreiem Stahl auf eine Nickelbasis-Superlegierung geändert. Das bedeutete zunächst, dass die Lagerbestände verschrottet werden mussten, zum anderen war das neue Material wesentlich schwieriger zu bearbeiten. Für letzteres Problem hatte die Chinesische Universität für Erdölwesen (Ostchina) die Lösung in Form einer dort entwickelten funkenerodierenden Lichtbogen-Hochgeschwindigkeits-CNC-Fräsmaschine.
Einige Monate später hatten die Werkstätten der Fabrik 211 (das Stammwerk der Chinesischen Akademie für Trägerraketentechnologie in Peking) neue Austrittsleiträder hergestellt. Beim Test auf dem Prüfstand der Akademie für Flüssigkeitsraketentriebwerkstechnik in Shaanxi am 30. November 2018 kam es jedoch erneut zu einer Fehlfunktion. Die Turbine wurde ein weiteres Mal umkonstruiert. Am 29. März 2019 fand der erste Test der neuen Version statt. Bei einer Analyse der dabei aufgezeichneten Messdaten bemerkten die Ingenieure jedoch am 4. April 2019 eine anormale Vibrationsfrequenz. Da die Anweisung ausgegeben worden war, dass die Rakete nur dann starten dürfe, wenn es „nicht den geringsten Hauch eines Zweifels mehr gäbe“ (), wurden weitere Veränderungen an dem Triebwerk vorgenommen. Bis Juli 2019 waren diese abgeschlossen und das Triebwerk hatte gut ein dutzend großangelegte Tests auf dem Prüfstand erfolgreich überstanden. Die Triebwerke für die reale Rakete wurden nach Tianjin gebracht, von wo am 22. Oktober 2019 die beiden Raketenfrachter der Bahnverfolgungsschiffsbasis Jiangyin mit den in Containern verpackten Komponenten der Rakete nach Hainan aufbrachen. Zwischen dem Fehlstart am 2. Juli 2017 und dem erfolgreichen nächsten Versuch am 27. Dezember 2019 war die Rakete 908 Tage außer Dienst gestellt.
Zweite Stufe mini|Expanderverfahren