Tercer lanzamiento del cohete chino Larga Marcha CZ-5

Por Daniel Marín, el 28 diciembre, 2019. Categoría(s): Astronáutica • China • Cohetes ✎ 116

Después de dos años y medio, China ha vuelto a lanzar el cohete Larga Marcha CZ-5, el más potente que el país tiene en servicio. El lanzamiento de la misión Y3 tuvo lugar el 27 de diciembre de 2019 a las 12:45 UTC y el cohete despegó desde la rampa LP-101 del centro espacial de Wenchang, en la isla de Hainán. La carga era el satélite de comunicaciones geoestacionario Shijian 20 (SJ-20). Se trata de un prototipo de satélite pesado 7,6 toneladas diseñado por CAST (China Academy of Space Technology) usando el bus DFH-5. Tras dos encendidos de la segunda etapa, el SJ-20 quedó situado en una órbita de transferencia geoestacionaria (GTO) inicial de 180 x 67 690 kilómetros y 19,4º de inclinación.

Lanzamiento de la misión Y3 del CZ-5 (spaceflightfans.cn).

La segunda misión del CZ-5 (Y2) tuvo lugar el 2 de julio de 2017 y resultó en la pérdida del lanzador y la carga útil (el satélite Shijian 18) por culpa del fallo de las turbobombas de uno de los dos motores criogénicos YF-77 de la primera etapa. La turbobomba se fragmentó a los seis minutos tras el despegue, bloqueando la inyección de combustible —hidrógeno— en el motor. Aunque el Shijian 18 alcanzó el espacio, no se situó en la órbita planeada. Desde entonces, China ha realizado un exhaustivo programa de control de calidad del CZ-5, un programa que incluyó varias pruebas de ignición del YF-77 en 2018 y 2019. Este tercer lanzamiento era crítico porque el CZ-5 es el cohete chino más potente y de él dependen los proyectos espaciales más ambiciosos del país. En 2020 el CZ-5 debe lanzar la sonda Chang’e 5 para recoger muestras de la Luna, la sonda Huoxing 1 a Marte —que incluye un orbitador y un rover— y el módulo Tianhe, el primer elemento de la estación espacial permanente china. En concreto, el lanzamiento de la Chang’e 5 y el módulo Tianhe han tenido que retrasarse debido a los problemas con el CZ-5.

Satélites Shijian 18 (arriba) y Shijian 20 (spaceflightfans.cn).

El Larga Marcha CZ-5 no solo es el cohete chino más potente, sino que es el buque insignia de la segunda generación de lanzadores chinos. A diferencia de los Larga Marcha anteriores, el CZ-5 no emplea combustibles hipergólicos, tóxicos y menos eficientes, sino kerolox e hydrolox. El CZ-5 fue concebido en 1992 junto a otros proyectos destinados a modernizar el panorama espacial chino. El objetivo era disponer de un lanzador con las características, por entonces, de los cohetes occidentales y rusos más potentes. Pero la clave del proyecto era la propulsión. China carecía de experiencia en motores criogénicos o de kerolox potentes. Aunque el país asiático pudo adquirir tres motores de kerolox RD-120 ucranianos de la segunda etapa del cohete Zenit y motores RD-801, Rusia se negó a darles acceso a la tecnología del motor RD-171, el motor cohete de combustible líquido más potente de la historia (también a base de queroseno y oxígeno líquido).

Emblema de la misión Y3 (spaceflightfans.cn).
Los tres módulos de la estación espacial china (Tianhe, Wentian y Mengtian) se lanzarán con el CZ-5.

El programa Larga Marcha CZ-5 fue aprobado oficialmente en 2004 y CALT (China Academy of Launch Vehicle Technology) pasó a estar a cargo de su desarrollo. Sin embargo, el proyecto sufrió numerosos retrasos. Por un lado, la concepción de los motores YF-77 e YF-100 tomó más tiempo del esperado. Por otro, el diseño tuvo que ser revisado varias veces para incorporar nuevas tecnologías que habían aparecido desde su creación. Además, la construcción de la etapa central y su tanque de hidrógeno líquido de 5 metros de diámetro también fue un problema más complejo de lo planeado. Cierto es que China tampoco tenía prisa por poner este lanzador en servicio porque ya disponía de una numerosa flota de lanzadores hipergólicos que cubrían sus necesidades estratégicas más importantes. Por estos motivos, el primer lanzamiento del CZ-5, planeado para 2014, tuvo lugar en 2016.

El CZ-5 en la rampa (spaceflightfans.cn).

El CZ-5 fue concebido como un vehículo modular, con cuatro aceleradores laterales a base de kerolox que rodearían una etapa central criogénica, además de una segunda etapa también criogénica para lanzamientos a la órbita geoestacionaria. Los aceleradores laterales usarían dos motores YF-100 de ciclo cerrado cada uno (con un empuje de 1200-1330 kilonewton), basados en los RD-120 y RD-801 soviéticos. A pesar de contar con la ventaja del empleo de la ingeniería inversa, su desarrollo, a cargo de la AALPT (Academy of Aerospace Liquid Propulsion Technology) fue largo y duro. Desarrollar un motor de ciclo cerrado de alta presión que alcanza más de 3000 ºC y con turbobombas que se mueven a más de veinte mil revoluciones por minuto no es sencillo. Las pruebas de ignición para desarrollar el YF-100 comenzaron en 1999 y se prolongarían hasta 2006, con más de seiscientos encendidos en bancos de pruebas. No sería hasta 2015 cuando se pudo llevar a cabo una prueba real de los motores simulando un despegue. Pero al final el esfuerzo valió la pena. Actualmente China es, junto a Rusia, el único país del mundo que dispone de motores de kerolox de este tipo.

El CZ-5 en el edificio de ensamblaje vertical (spaceflightfans.cn).

En cuanto a los motores criogénicos YF-77 (de 700 kN de empuje), se decidió que la etapa central usase dos unidades. Su desarrollo comenzó en 2002 y estuvo a cargo de la AALPT. El primer encendido de prueba tuvo lugar en 2004 y hasta 2014 se realizaron más de setenta encendidos usando un total de doce motores. El desarrollo del YF-77 fue inicialmente más sencillo porque China pudo emplear su experiencia adquirida en el motor criogénico YF-75 de las etapas superiores, pero, no obstante, la tecnología criogénica es muy compleja y construir un motor de hydrolox potente dista de ser una tarea sencilla (hay que trabajar con hidrógeno líquido a muy bajas temperaturas y, además, el hidrógeno es altamente inflamable y ocupa mucho volumen). A cambio, los motores criogénicos son los más eficientes —en términos de impulso específico (Isp)— en servicio. La segunda etapa del CZ-5 usa dos motores YF-75D, una modificación de los YF-75 usados en el CZ-3 que comenzó a ser desarrollada en 2006.

Segunda etapa del CZ-5 Y3 (Xinhua).

A partir del CZ-5, China quería introducir una familia de lanzadores modulares. Por ejemplo, el CZ-7 tendría capacidad para colocar unas 13 toneladas en LEO y usaría cuatro aceleradores con un motor YF-100 cada uno alrededor de una etapa central con dos YF-100. Por último, el CZ-6, con capacidad para 3 toneladas en LEO, usaría una primera etapa con un único motor YF-100. Del mismo modo, se plantearon varias versiones del CZ-5 en función de los módulos empleados, aunque finalmente solo dos han visto la luz: la versión CZ-5 con dos etapas para misiones más allá de LEO (a la que se le puede añadir una tercera etapa YZ-2) y la CZ-5B, sin segunda etapa, para misiones a LEO (esta última versión todavía no ha volado). La cofia del CZ-5, de 5,2 metros de diámetro y 12,5 metros de longitud, le permite lanzar cargas útiles voluminosas.

Lanzadores chinos de nueva generación (spaceflightfans.cn).

El Larga Marcha CZ-5 ha permitido a China jugar en la misma liga que EEUU, Europa y Rusia, todas ellas potencias con lanzadores que tienen capacidad de colocar en órbita baja (LEO) más de 20 toneladas. Con una capacidad máxima de 25 toneladas LEO y 14 toneladas en una órbita de transferencia geoestacionaria (GTO), el CZ-5 era más potente que el Atlas V (19 toneladas en LEO), el Protón-M (22 toneladas) o el Ariane 5 (21 toneladas). Eso sí, es comparable al Angará-A5 ruso (24 toneladas) y al Falcon 9 (23 toneladas), pero inferior en prestaciones al Delta IV Heavy (28 toneladas), Angará-A5M (27 toneladas) y Falcon Heavy (64 toneladas). En cualquier caso, con el CZ-5 China se adelanta a Japón e India en capacidad de lanzamiento. Al mismo tiempo, este lanzador ha permitido que China entre en el selecto club de países que dominan la tecnología de motores criogénicos potentes, en el que actualmente solo están los EEUU (Delta IV y SLS), Europa (Ariane 5 y 6) y Japón (H-2).

El CZ-5 en la rampa (Xinhua).

El problema es que, a pesar de incorporar tecnologías avanzadas, el CZ-5 es un lanzador de los años 90. Su diseño está optimizado para que el CZ-5 sea el miembro más potente de la familia, por lo que tiene muy poca capacidad de crecimiento. Por si fuera poco, el uso de cinco bloques de propulsión en la primera etapa, con dos tipos de combustible diferentes, complica sobremanera las operaciones de montaje y lanzamiento del vehículo. Por este motivo, China está desarrollando un lanzador capaz de colocar 80 toneladas en LEO y que usará bloques en la primera etapa, cada uno con siete motores YF-100K. Este cohete, apodado el «Falcon Heavy chino» y conocido oficiosamente como CZ-X, tendrá una longitud de 87 metros y una masa al lanzamiento de 2200 toneladas. El CZ-X supone un paso intermedio entre el CZ-5 y el lanzador pesado CZ-9 que debe entrar en servicio alrededor de 2030 y tendrá una capacidad máxima de 140 toneladas en LEO. Con el CZ-X China podría llevar a cabo misiones tripuladas a la Luna usando varios lanzamientos y su nave tripulada de nueva generación.

Maqueta del nuevo lanzador tripulado chino (izquierda) junto al Larga Marcha CZ-9 (derecha) (https://twitter.com/RickJoe_PLART/).

El CZ-5 y el CZ-7 usan el nuevo centro espacial de Wenchang, en la isla de Hainán. La situación de este centro, en el sur de China permite aprovechar mejor la rotación terrestre para aumentar la carga útil y, de paso, evitar que las primeras etapas caigan en lugares poblados, como ocurre en los centros de Taiyuan y Xichang. No obstante, China no tiene intención de abandonar los otros tres centros de lanzamiento (Taiyuan, Xichang y Jiuquan) a corto plazo y seguirá usando Larga Marcha hipergólicos.

Las rampas del centro espacial de Wenchang (XD Photography / spaceflightfans.cn).

Características del Larga Marcha CZ-5

El Larga Marcha CZ-5 o Chang Zheng 5 (LM-5 o 长征五号) es un cohete de tres etapas capaz de situar entre 22 y 25 toneladas en órbita baja (LEO) o 14 toneladas en órbita de transferencia geoestacionaria (GTO). Tiene una masa de 870 toneladas al lanzamiento y 56,97 metros de longitud. La versión de dos etapas para vuelos a la órbita baja, de solo dos etapas, se denomina CZ-5B. El CZ-5 puede llevar la etapa superior YZ-2 (Yuan Zheng 2/远征二号) de propulsión hipergólica capaz de situar directamente hasta 4,5 toneladas en órbita geoestacionaria (GEO).

Lanzador Larga Marcha CZ-5 (www.spacechina.com).

La etapa central (H5-1) tiene una masa de 175,8 toneladas (con 158 toneladas de combustible), un diámetro de 5 metros y una longitud de 31,02 metros. Usa dos motores criogénicos (oxígeno e hidrógeno líquidos) YF-77 que generan 104 toneladas de empuje al lanzamiento. Cada motor desarrolla un empuje de entre 510 y 700 kN, así como un impulso específico (Isp) de entre 310,1 y 430 segundos. Esta etapa funciona durante 492 segundos.

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Primera etapa del CZ-5 (Y2) (chinaspaceflight.com).
Motores criogénicos YF-77 de la primera etapa.
Motores criogénicos YF-77 de la primera etapa.
Esquema del YF-77.
Esquema del YF-77.

Rodeando a la etapa central hay cuatro cohetes aceleradores K3-1 de 147 toneladas (135 toneladas), 3,25 metros de diámetro y 26,28 metros de longitud. Cada uno dispone de dos motores YF-100 de queroseno (RP-1) y oxígeno líquido que generan de 1199,2 kN a 1339,5 kN de empuje cada uno, con un Isp de 300 a 335 segundos. Los aceleradores funcionan durante 174 segundos.

Bloque lateral de un CZ-5 (Xinhua).
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Motor YF-100.

La segunda etapa (H5-2) tiene una masa de 26 toneladas (22,9 toneladas de combustible), 5 metros de diámetro máximo y 12 metros de longitud. Tiene un motor criogénico YF-75D capaz de generar 88,26 kN de empuje, y con un empuje específico de 442 segundos. Es capaz de realizar varios encendidos (dos en una misión normal a GTO). La cofia tiene 5,2 metros de diámetro.

Segunda etapa del CZ-5 (chinaspaceflight.com).
Segunda etapa del CZ-5 (chinaspaceflight.com).
Otra vista de una segunda etapa del CZ-5 (Xinhua).
Los motores criogénicos chinos: el YF-77 (izquierda) y el YF-75.
Los motores criogénicos chinos: el YF-77 (izquierda) y el YF-75.
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Larga Marcha CZ-5.

Wenchang

El centro espacial de Wenchang o WSC (Wenchang Space Center o文昌卫星发射中心) está situado en el noreste de la isla de Hainán (19º 38′ norte, 110º 57′ este). Es el cuarto centro espacial chino tras Xichang, Jiuquan y Taiyuan, aunque es el primero situado en la costa y que ha sido construido para un uso exclusivamente civil. También es el situado más al sur y, por tanto, más favorable para lanzamientos a la órbita baja y geoestacionaria. Su construcción comenzó en 2009 en un polígono dedicado inicialmente a lanzamientos de pequeños vectores suborbitales y fue finalizado en 2014. Dispone de dos edificios de ensamblaje vertical (VAB por sus siglas en inglés) para el montaje de los cohetes CZ-5 (edificio 501, «VAB oeste») y CZ-7 (edificio 502, «VAB este»). El edificio 501 tiene 99,4 metros de altura y el 502 alcanza los 96,6 metros. Las puertas del edificio 501 tienen una altura de 81 metros. El centro de control de lanzamientos está situado en el edificio 508, situado a poca distancia de los VABs en dirección oeste.

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Los dos edificios de ensamblaje vertical (VAB) de Wenchang (a la derecha el VAB del CZ-7 y a la izquierda el del CZ-5)(Google Earth).

En medio se encuentra el edificio 503 para almacenamiento de las partes de los lanzadores en horizontal y el edificio 506 para pruebas de los satélites y demás cargas útiles. A 2,7 kilómetros de distancia hacia el sur se encuentra la rampa LP-101 (Launch Pad 101), también LC-101 (Launch Complex 101), destinada al cohete CZ-5. La torre de servicio, de 96 metros de altura, recibe el nombre de edificio 102. A 650 metros de distancia de la LP-101 está la rampa LP-201, situada más al este, construida para el CZ-7. La torre de servicio de la rampa 201, edificio 202, tiene 86 metros de altura. Las rampas disponen de un sistema de supresión de ondas de choque sonoras a base de agua, una característica común en otras instalaciones similares en otros lugares del mundo, pero que es la primera vez que se emplea en un centro espacial chino. Las rampas están conectadas con los VABs mediante líneas ferroviarias de 20 metros de ancho.

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Las dos rampas de lanzamiento. La LP-101 es para el CZ-5 y la LP-201 para el CZ-7 (Google Earth).
Las rampas de Wenchang (Xinhua).
Plataforma de lanzamiento del CZ-5.

Los cohetes se envían en distintas piezas separadas a bordo de barcos desde la ciudad costera de Tianjin, cerca de Pekín. Tras llegar al puerto de Qinglan, en la isla de Hainán, los elementos de los lanzadores se transportan por camión hasta el edificio de comprobación horizontal del centro espacial. Los vectores se ensamblan verticalmente en el VAB y se transportan a la rampa sobre raíles en una de las dos plataformas MLP (Mobile Launcher Platform) disponibles.

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Centro espacial de Wenchang. A la izquierda el edificio de integración del CZ-7 y a la derecha el del CZ-5. Al fondo las rampas de lanzamiento LP-101 (derecha, para el CZ-5) y LP-201 (para el CZ-7)(CCTV).
Azimuts de lanzamiento desde Wenchang.
Azimuts de lanzamiento preferidos desde Wenchang.
Lanzador CZ-5 (Y3) (spaceflightfans.cn).
Trayectoria de lanzamiento y zonas de caída de las etapas y la cofia (spaceflightfans.cn).
Lanzamiento (Xinhua).
Despegue (spaceflightfans.cn).

Reentrada de la primera etapa:



116 Comentarios

  1. En general, ningunear o relativizar este gran paso logrado por China es estar ciegos a la realidad. Cuando los chinos se ponen manos a la obra, se ponen. Es irrelevante que la tecnología sea “antigua” si pueden usarla masivamente.
    Yo creo que nos espera un torrente espacial chino, al tiempo.

    1. Hay otro país muy tenaz en sus objetivos : EEUU. Y su actual objetivo es destrozar la economía de China. Impuestos a sus productos, aislamiento tecnológico, aislamiento económico, probablemente acuerdos con países para conseguir dichos objetivos, promover una guerra civil a través de su apoyo al movimiento de Taiwan de independencia. Y a ello hay que sumar que su crecimiento económico hace que ya no sean los más baratos y que además su mercado de venta está en crisis (al menos Europa). Cada año China reduce su incremento de PIB respecto al año anterior.
      La inversión espacial, necesita de apoyo económico. Sólo hay que ver lo bien que estaba EEUU económicamente durante el desarrollo del programa Apolo. Era el espejo al que quería parecerse el resto del mundo. Parecía el país idílico.
      Mis mejores deseos para el pueblo chino. No me parece justa la oposición y juego sucio de EEUU a China.
      De momento las cosas siguen yendo bien. En 2025 ya veremos. Los primeros recortes que se hacen en épocas de crisis es en I+D.

      1. China va incrementando su desarrollo, es difícil continuar con porcentajes tan altos de crecimiento.
        Está claro que se trata del juego del gato y del ratón: USA quiere aislar a China y todos los esfuerzos de China pasan por no dejarse aislar. Ambos son ya demasiado grandes como para que haya vencedores o vencidos.

  2. Un ejemplo curioso de cómo de diferente es un desarrollo por libre de una empresa privada como SpaceX con respecto a un desarrollo tradicional con apoyo gubernamental.
    En este tuit Musk, a raíz de una sugerencia sobre un nuevo tipo de soldadura, pregunta si hay “disponible” una máquina de ese tipo, pero para soldar las cúpulas de los depósitos de la Starship. En cambio, en un desarrollo tradicional, se inventaría y fabricaría dicha máquina.
    Quiero decir con esto que ambos caminos son interesantes. Por un lado intentar ser muy eficiente y tratar de conseguir solucionar los problemas y alcanzar los objetivos con la inversión mínima posible. Por otro lado, intentar no reparar demasiado en gastos porque el objetivo (gubernamental) también es apoyar a las empresas y por tanto subvencionarles para que consigan todo tipo de nuevas tecnologías que luego puedan servirles para ser más competitivos o incluso únicos, gracias a todos los nuevos desarrollos.
    https://twitter.com/elonmusk/status/1211552159034171392

    1. Yo lo veo como un desarrollo de andar por casa…
      Es de suponer que el o los ingenieros que estén a cargo deberían conocer todas las posibilidades de trabajar el material con el que están realizando el desarrollo. No que de repente alguien les “descubra” una nueva técnica ya existente.
      Y, cuando se agotan las vias conocidas, es cuando toca la innovación y el desarrollo de nuevas tecnologías

      1. No iba por ahí mi comentario, el tuit era sólo para tirar del argumento.
        La cuestión es que el “espacio tradicional” una vez que ha decidido que es necesario (o al menos provechoso) un nuevo desarrollo para alcanzar el objetivo final, pues va el gobierno y se lo financia. Ese es uno de los motivos por los que cuesta tanto. A cambio, se ha desarrollado una nueva técnica o máquina o lo que sea.
        Si la inversión es puramente privada, no se va tan fácilmente a desarrollar algo nuevo sino a intentar aprovechar lo existente, siempre que se pueda cumplir el objetivo. Sólo si el nuevo desarrollo es inexcusable para el objetivo y si tanto el desarrollo como el objetivo son rentables y estratégicos para la empresa, se acometen.
        Son dos enfoques muy diferentes.
        Se puede argumentar el coste y tiempo necesitados por China para el desarrollo de este cohete (para algunos un esfuerzo desmedido para construir algo obsoleto) pero no sabemos cuántos avances tecnológicos y cuánto know-how ha desarrollado China gracias a este nuevo cohete (como bien argumentaba otro comentarista más atrás).

    2. No es que me posicione a favor o en contra de uno u otro enfoque. En el fondo todo tiene sus ventajas y sus inconvenientes.
      Si le das un cheque en blanco a todo lo que te pide la empresa privada puede que termines subvencionando desarrollos que después mueran, porque no tienen un aprovechamiento industrial o comercial rápido. O los costes se disparen porque fomentas la ineficiencia.
      Por el otro lado, no sabes cuántas iniciativas empresariales que podrían llegar a ser rupturistas mueren antes de nacer porque la empresa en cuestión no estaba dispuesta a arriesgar (invertir) lo suficiente como para poder dar el salto definitivo en esa nueva tecnología.

  3. Interesado a nivel autodidacta por la ciencia y fascinado por el nivel del autor del blog y de los comentarios en general, me disculpo por formular esta pregunta que deja al descubierto mi ignorancia y que me hizo hace unos días mi nieta (9 años): si en la Luna no hay atmósfera, ¿podría volar un dron, rediseñando y recalculando las hélices y el número de r.p.m. para esa ínfima densidad? Muchas gracias por vuestra ayuda.

    1. Señor JGT recuerda lo que siempre digo: “todos somos ignorantes de algo”. Uno no ha de pedir perdón por no saber, sino por no querer aprender; y veo que este no es tu caso. En este blog aprenderás mucho sobre tecnología espacial.

      Con respecto a la pregunta de tu nieta, la respuesta corta de si un dron puede volar en la Luna es: no. ¿Por que no? Precisamente porque no hay atmosfera sobre las que actúen la palas del rotor. Si ese dron tuviera pequeños cohetes podría ir dando saltos de un lugar a otro. Pero es mas seguro un rover y que vaya moviéndose con ruedas.
      Saludos

  4. Adoro tus artículos donde das todos los detalles de los cohetes Daniel… se que dejaste de hacerlo porque era un trabajazo, pero molan mucho 😉 GRACIAS POR TODO!!!

  5. Gracias Daniel,
    Este blog es una fuente disfrute en medio del mar de mediocridad y chatura,
    Es un placer leer todos los comentarios, desde los técnicos (que entiendo poco) hasta los de tinte político/ideológico que dan que pensar, pasando por los referentes a las iniciativas privadas que en general me hacen reir muchísimo por la forma en que se lanzan piedras entre los fanáticos de uno y otro lado y los que quieren tomar una postura equilibrada aún sabiendo que es un esfuerzo vano.
    Gracias de nuevo y espero que puedas continuar con ese blog
    Feliz año a todos

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Por Daniel Marín, publicado el 28 diciembre, 2019
Categoría(s): Astronáutica • China • Cohetes