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运载火箭

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美国60年代研制的“土星-5”号运载火箭美国60年代研制的“土星-5”号运载火箭

按照所用的推进剂来分,运载火箭包括固体火箭、液体火箭和固液混合型火箭三种类型。如中国的长征三号运载火箭是一种三级液体火箭;长征一号运载火箭则是一种固液混合型的三级火箭,其第一级、第二级是液体火箭,第三级是固体火箭;美国的“飞马座”运载火箭则是一种三级固体火箭。 

按照级数来分,运载火箭包括单级火箭和多级火箭两种类型;多级火箭又可分为串联型、并联型和串并联混合型三种。串联型多级火箭级与级之间的连接分离机构简单,但串联后火箭总长较长、火箭的长细比(长度与直径之比)大,给设计带来一定的困难;发射时,这种火箭竖起来后太高,给发射操作带来不便;同时,其上面级的火箭发动机要在高空点火,点火的可靠性差。并联型多级火箭采用横向捆绑连接,连接分离机构稍复杂,但其中间芯级第一级火箭采用横向捆绑的火箭可在地面同时点火,避免了高空点火,点火的可靠性高。

组成编辑本段回目录

运载火箭结构运载火箭结构

不管是固体运载火箭还是液体运载火箭,不管是单级运载火箭还是多级运载火箭,其主要的组成部分有结构系统、动力装置系统和控制系统。这三大系统称为 运载火箭的主系统,主系统工作的可靠与否,将直接影响运载火箭飞行的成败。此外,运载火箭上还有一些不直接影响飞行成败并由箭上设备与地面设备共同组成的 系统,例如,遥测系统、外弹道测量系统、安全系统和瞄准系统等。

箭体结构

是运载火箭的基体,它用来维持火箭的外形,承受火箭在地面运输、发射操作和在飞行中作用在火箭上的各种载荷,安装连接火箭各系统的所有仪器、设备,把箭上所有系统、组件连接组合成一个整体。

动力装置系统

是推动运载火箭飞行并获得一定速度的装置。对液体火箭来说,动力装置系统由推进剂输送、增压系统和液体火箭发动机两大部分组成。固体火箭的动力装置系统较简单,它的主要部分就是固体火箭发动机推进剂直接装在发动机的燃烧室壳体内。

控制系统

是用来控制运载火箭沿预定轨道正常可靠飞行的部分。控制系统由制导和导航系统、姿态控制系统、电源供配电和时序控制系统三大部分组成。制导和导航系 统的功用是控制运载火箭按预定的轨道运动,把有效载荷送到预定的空间位置并使之准确进入轨道。姿态控制系统(又称姿态稳定系统)的功用是纠正运载火箭飞行 中的俯仰、偏航、滚动误差,使之保持正确的飞行姿态。电源供配电和时序控制系统则按预定飞行时序实施供配电控制。

遥测系统

功用是把运载火箭飞行中各系统的工作参数及环境参数测量下来,通过运载火箭上的无线电发射机将这些参数送回地面,由地面接收机接收;亦可将测量所得 的参数记录在运载火箭上的磁记录器上,在地面回收磁记录器。这些测量参数既可用来预报航天器入轨时的轨道参数,又可用来鉴定和改进运载火箭的性能。一旦运 载火箭在飞行中出现故障,这些参数就是故障分析的依据。

外弹道测量系统

功用是利用地面的光学和无线电设备与装在运载火箭上的对应装置一起对飞行中的运载火箭进行跟踪,并测量其飞行参数,用来预报航天器入轨时的轨道参数,也可用来作为鉴定制导系统的精度和故障分析依据。

安全系统

功用是当运载火箭在飞行中一旦出现故障不能继续飞行时,将其在空中炸毁,避免运载火箭坠落时给地面造成灾难性的危害。安全系统包括运载火箭上的自毁 系统和地面的无线电安全系统两部分。箭上的自毁系统由测量装置、计算机和爆炸装置组成。当运载火箭的飞行姿态,飞行速度超出允许的范围,计算机发出引爆爆 炸装置的指令,使运载火箭在空中自毁。无线电安全系统则是由地面雷达测量运载火箭的飞行轨道,当运载火箭的飞行超出预先规定的安全范围时,由地面发出引爆 箭上爆炸装置的指令,由箭上的接收机接收后将火箭在空中炸毁。

瞄准系统

功用是给运载火箭在发射前进行初始方位定向。瞄准系统由地面瞄准设备和运载火箭上的瞄准设备共同组成。

运载火箭的技术指标包括运载能力、入轨精度、火箭对不同重量的有效载荷的适应能力和可靠性。

设计指标编辑本段回目录

运载能力
土星五号(左5——载人登月状态,左7——发射天空实验室状态)、苏联未研制成功的N-1火箭(左6),与航天飞机(右1)及其他运载火箭的对比图。土星五号(左5——载人登月状态,左7——发射天空实验室状态)、苏联未研制成功的N-1火箭(左6),与航天飞机(右1)及其他运载火箭的对比图。

指火箭能送入预定轨道的有效载荷重量。有效载荷的轨道种类较多,所需的能量也不同,因此在标明运载能力时要区别低轨道、太阳同步轨道、地球同步卫星过渡轨道、行星探测器轨道等几种情况。表示运载能力的另一种方法是给出火箭达到某一特征速度时的有效载荷重量。各种轨道与特征速度之间有一定的对应关系。例如把卫星送入185公里高度圆轨道所需要的特征速度为7.8公里/秒,1000公里高度圆轨道需8.3公里/秒,地球同步卫星过渡轨道需10.25公里/秒,探测太阳 系需12~20公里/秒。

飞行程序

运载火箭在专门的航天发射中心发射。火箭从地面起飞直到进入最终轨道要经过以下几个飞行阶段:
①大气层内飞行段:火箭从发射台垂直起飞,在离开地面以后的10几秒钟内一直保持垂直飞行。在垂直飞行期间,火箭要进行自动方位瞄准,以保证火箭按 规定的方位飞行。然后转入零攻角飞行段。火箭要在大气层内跨过声速,为减小空气动力和减轻结构重量,必须使火箭的攻角接近于零。
②等角速度程序飞行段:第二级火箭的飞行已经在稠密的大气层以外,整流罩在第二级火箭飞行段后期被抛掉。火箭按照最小能量的飞行程序,即以等角速度 作低头飞行。达到停泊轨道高度和相应的轨道速度时,火箭即进入停泊轨道滑行。对于低轨道的航天器,火箭这时就已完成运送任务,航天器便与火箭分离。
③过渡轨道:对于高轨道或行星际任务,末级火箭在进入停泊轨道以后还要再次工作,使航天器加速到过渡轨道速度或逃逸速度,然后航天器与火箭分离。

设计特点编辑本段回目录

运载火箭的设计特点是通用性、经济性和不断进行小的改进。这和大型导弹不同。大型导弹是为满足军事需要而研制的,起支配作用的因素是保持技术性能和 数量上的优势。因此导弹的更新换代较快,几乎每5年出一种新型号。运载火箭则要在商业竞争的环境中求发展。作为商品,它必须具有通用性,能适应各种卫星重量和尺寸的要求,能将有效载荷送入多种轨道。经济性也要好。也就是既要性能好,又要发射耗费少。订购运载火箭的用户通常要支付两笔费用。一笔是付给火箭制造商的发射费,另一笔是付给保险公司的保险费。发射费代表火箭的生产成本和研制费用,保险费则反映火箭的可靠性。火箭制造者一般都尽量采用成熟可靠的技术,并不断通过小风险的改进来提高火箭的性能。运载火箭不像导弹那样要定型和批生产。而是每发射一枚都可能引进一点新技术,作一点小改进,这种小改进不影响可靠性,也不必进行专门的飞行试验。这些小改进 积累起来就有可能导致大的方案性变化,使运载能力能有成倍的增长。

80年代以来,一次使用的运载火箭已经面临航天飞机的竞争。这两种运载工具各有特长,在今后一段时间内都将获得发展。航天飞机是按照运送重型航天器 进入低轨道的要求设计的,运送低轨道航天器比较有利。对于同步轨道航天器,航天飞机还要携带一枚一次使用的运载器,用以把航天器从低轨道发射出去,使之进 入过渡轨道。这样有可能导致入轨精度和发射可靠性的下降。

一次使用的运载火箭在发射同步轨道卫星时可以一次送入过渡轨道,比航天飞机稍为有利。这两种运载工具之间的竞争将促进可靠性的提高和成本的降低。

国外典型的运载火箭编辑本段回目录

美国60年代研制的“土星-5”号运载火箭,起飞质量3038吨,具备将118吨载荷送入近地轨道、47吨载荷送入月球轨道的能力美国60年代研制的“土星-5”号运载火箭,起飞质量3038吨,具备将118吨载荷送入近地轨道、47吨载荷送入月球轨道的能力

(1)大力神(Titan)系列运载火箭
美国大力神运载火箭系列由大力神-2洲际导弹发展而来,1964年首次发射。该系列由大力神-2、大力神-3、大力神-34、大力神-4和商用大力神-3等型号和子系列组成。它的最大近地轨道运载能力为21.9 t,地球同步转移轨道运载能力为5.3 t。

(2)宇宙神(Atlas)系列运载火箭
美国宇宙神系列运载火箭于1958年12月18日首次发射,曾经发射过世界上第一颗通信卫星、美国第一艘载人飞船等。目前正在使用的主要有宇宙神-2A、宇宙神-2AS和宇宙神-3。研制中的宇宙神-5运载火箭的第一级采用了通用模块化设计,其中的重型火箭使用了3个通用模块,其地球同步转移轨道运载能力达到13 t。

(3)德尔它(Delta)系列运载火箭
美国德尔它系列运载火箭系列于1960年5月13日首次发射,迄今为止已发展了19种型号,目前正在使用的是德尔它-2和德尔它-3两种型号。美国空军的全部GPS卫星都是由德尔它-2发射的。德尔它-3是在德尔它-2的基础上研制的大型运载火箭,可以把3.8t的有效载荷送入地球同步转移轨道。德尔它-3于2000年8月发射成功。美国还正在研制具有多种配置的德尔它-4子系列,其中的重型德尔它-4的地球同步转移轨道运载能力在13t以上。

(4)土星-V(Saturn)系列运载火箭
土星-V运载火箭是美国专为阿波罗登月计划而研制的、迄今为止最大的巨型运载火箭。其起飞重量为3000t,直径10m,高110m,近地轨道运载能力达139t,它能把重达50t的阿波罗飞船送入登月轨道。土星-V曾先后将12名宇航员送上月球。

(5)东方号(Vostok)系列运载火箭
俄罗斯东方号系列运载火箭是世界上第一种载人航天运载工具,它创造了多个世界第一:发射了第一颗人造卫星,第一颗月球探测器,第一颗金星探测器,第一颗火星探测器,第一艘载人飞船,第一艘无人载货飞船进步号等。它也是世界上发射次数最多的运载火箭系列。其中联盟号是东方号的一个子系列,主要发射联盟号载人飞船、进步号载货飞船。

(6)质子号(Proton)系列运载火箭
俄罗斯质子号系列运载火箭分为二级型、三级型和四级型3种型号。目前正在使用的有质子号三级型和四级型两种。三级型质子号于1968年11月16日首次发射,其低地轨道运载能力达到20t,它是世界上第一种用于发射空间站的运载火箭,曾发射过礼炮l~7号空间站、和平号空间站各舱段和其他大型低地轨道有效载荷。1998年11月20日,质子号发射了国际空间站的第一个舱段。

印度的GSLV运载火箭,起飞重量约400吨印度的GSLV运载火箭,起飞重量约400吨

(7)天顶号(Zenit)系列运载火箭
天顶号系列运载火箭是前苏联(后为乌克兰)研制的运载火箭,分为两级的天顶-2、三级的天顶-3和用于海上发射的天顶-3SL。天顶-2的低地轨道运载能力约为14t,太阳同步轨道运载能力约为11t。可在海上发射的天顶-3SL是美国、乌克兰、俄罗斯、挪威联合研制的运载火箭,其地球同步轨道运载能力为2t,1999年3月首次发射成功。

(8)能源号(Energia)运载火箭
能源号运载火箭是前苏联/俄罗斯研制的目前世界上起飞质量和推力最大的火箭。其近地轨道运载能力为105 t,既可发射大型无人载荷,也可用于发射载人航天飞机。能源号于1987年首次发射成功,曾将苏联的暴风雪号航天飞机成功地送上天。目前由于俄罗斯经济状态不佳就再也没有发射过。

(9)阿里安(Ariane)系列运载火箭
阿里安火箭是由欧洲11个国家组成的欧空局研制的系列运载火箭,该系列已有阿里安l~5共5个子系列,目前正在使用的是阿里安-4和阿里安-5。阿里安-4于1988年6月15日进行了首次发射,其近地轨道运载能力为9.4t,地球同步转移轨道运载能力为4.2t。阿里安-5于1997年进行了首次发射,近地轨道运载能力为22t,地球同步转移轨道运载能力为6.7t。目前阿里安-5正在进行改进,在2005年底之前将逐步把地球同步转移轨道运载能力从目前的6.7 t提高到11~12t。

(10)H系列运载火箭
日本H系列运载火箭由H-1、H-2、H-2A等火箭组成,目前正在使用的H系列火箭只有H-2A,2001年8月首次发射成功。

(11)极轨卫星火箭(PSLV)
印度自行研制的极轨道4级运载火箭的太阳同步轨道运载能力为1t,低地轨道运载能力为3t。1993年9月首次发射,但由于火箭出现故障,卫星未能入轨。此后,该火箭连续三次发射成功。1999年5月,一箭三星技术又取得成功。 

运载火箭 运载火箭   运载火箭 运载火箭  运载火箭 

大力神系列运载火箭 

宇宙神系列运载火箭

德尔它系列运载火箭

土星系列运载火箭

东方号系列运载火箭

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质子号系列运载火箭

天顶号系列运载火箭

能源号系列运载火箭

阿里安系列运载火箭

H系列运载火箭

中国运载火箭的发展编辑本段回目录

研制中的“长征5号”运载火箭结构示意图研制中的“长征5号”运载火箭结构示意图

截止2009年中国共研制了12种不同类型的长征系列火箭,能发射近地轨道地球静止轨道太阳同步轨道的卫星。

从1970年到2000年的30年间,中国发射长征系列火箭共计67次,成功61次,6次失败或部分失败,发射成功率为91%。在1994~1996年间曾一度几次发射失败,使中国在国际商业发射市场的声誉处于低谷。中国航天工业总公司经过一系列质量整顿后终于打了个翻身仗。自1996年10月到2009年已连续25次发射成功,这在世界卫星发射界也是不多见的。

长征系列火箭

在中国运载火箭的发展初期,探空火箭的研制占有重要的地位,尽管它是结构简单的无控火箭,但却是新中国成立后的第一枚真正的火箭。从1958年开始,中国陆续研制出包括生物、气象、地球物理、空间科学试验等多种类型的探空火箭。

长征一号(LM-1)系列运载火箭
1970年4月24日,中国使用长征一号(LM-1)运载火箭发射了第一颗人造卫星东方红一号。长征一号是在两级中远程导弹上再加一个第三级固体火箭所组成,火箭全长29.86m,起飞总重81.57t,起飞推力为1040kN。

长征二号(LM-2)系列运载火箭
长征二号(LM-2)运载火箭是从洲际导弹的基础上发展而来的,并于1975年发射了1t多重的近地轨道返回式卫星,成功地回收了返回舱。此后,又根据发射卫星的需要,陆续衍生出长征二号丙(LM-2C)、长征二号丙改进型(LM-2C/SD)和发射极轨卫星的长征二号丁(LM-2D)运载火箭。在长征火箭大家族中,长征二号系列主要用于发射各类近地轨道卫星,LM-2C/SD曾以一箭三星方式发射了12颗美国的铱星移动通信卫星。

1986年初美国的挑战者号航天飞机爆炸后,航天飞机被停飞,美国用了很长时间分析和处理故障,其后美国停止用航天飞机发射一般商业卫星。趁此时机,中国仅用了18个月就研制成功长征二号E(又称长二捆,LM-E)运载火箭,可以发射原来准备用美国航天飞机发射的商用卫星。长征二号E火箭是以长征二号为芯级,周围捆绑了4个液体助推器,它的近地轨道运载能力高达9.2t。长征二号E于1990年试射成功,从1992年到1995年曾发射多颗外国卫星。

为满足发射神舟号飞船的要求,保证宇航员的安全,中国又在长征二号E的基础上改进了可靠性并增设了故障检测系统和逃逸救生系统,从而发展出了长征二号F(LM-F)运载火箭,专门用来发射神舟号载人飞船。

由于长征二号火箭的质量和可靠性非常高,1975~1996年连续成功地把17颗返回式卫星送上天,这使长征二号运载火箭在国际卫星发射市场上获得了非常好的可靠性声誉。

长征三号(LM-3)系列运载火箭

长征三号运载火箭是在长征二号二级火箭上面加了一个以液氢、液氧为推进剂的第三级,所用的液氢液氧发动机可以二次启动,在技术上是当时国际先进水平,是中国火箭技术发展的一个重要里程碑。1984年长征三号成功地发射了我国第一颗地球同步试验通信广播卫星东方红二号。1985年中国宣布进入国际商业卫星发射市场。1990年我国首次用长征三号运载火箭将美国休斯公司制造的亚洲一号卫星送入地球同步轨道。

此后,长征三号系列不断增加新成员,如长征三号甲(LM-3A)、长征三号乙(LM-3B),主要用于发射地球静止轨道卫星。

长征三号甲运载火箭是在长征三号的基础上研制的大型火箭,它的氢氧发动机具有更大的推力,性能也得到很大的提高,地球同步转移轨道运载能力也从长征三号的1.6t提高到2.6t。

长征三号乙运载火箭是在长征三号甲和长二捆的基础上研制的,即以长征三号甲为芯级,再捆绑4个与长二捆类似的液体助推器。长征三号乙主要用于发射地球同步轨道的大型卫星,也可进行轻型卫星的一箭多星发射,其地球同步转移轨道运载能力达到5.1t,跃入了世界大型火箭行列。

长征四号(LM-4)系列运载火箭
目前投入使用的是长征四号乙运载火箭是长征火箭家族中用于发射各种太阳同步轨道和极轨道应用卫星的主要运载工具。

长征五号运载火箭

研制中的“长征5号”运载火箭,高59.5米,起飞重量为643吨,起飞推力为833.8吨。目标在2014年首飞。

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