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运载火箭

  运载火箭由多级火箭组成的航天运输工具。用途是把人造地球卫星、载人飞船、空间站、空间探测器等有效载荷送入预定轨道。是在导弹的基础上发展的,一般由2~4级组成。每一级都包括箭体结构、推进系统和飞行控制系统。末级有仪器舱,内装制导与控制系统、遥测系统和发射场安全系统。级与级之间靠级间段连接。有效载荷装在仪器舱的上面,外面套有整流罩。

目录
简介 飞行程序
发展 设计特点
  分类 国内详情
  结构组成 国外详情
  技术指标  

 

  简介

  运载火箭是由多级火箭组成的航天运载工具。通常,运载火箭将人造地球卫星、载人飞船、空间站、空间探测器等有效载荷送入预定轨道。任务完成后,运载火箭被抛弃。

  自1957年前苏联首次利用运载火箭发射第一颗人造卫星,至20世纪80年代,世界各国已研制成功20多种大、中、小型运载火箭。比较著名的有前苏联的“东方号”系列运载火箭、美国的“大力神”系列运载火箭、日本的“H”系列运载火箭等。中国则在液体弹道式导弹基础上研制出了“长征”系列火箭。

  发展

  运载火箭是第二次世界大战后在导弹的基础上开始发展的。第一枚成功发射卫星的运载火箭是苏联用洲际导弹改装的卫星号运载火箭(见“人造地球卫星”1号工程)。到 20世纪80年代,苏联、美国、法国、日本、中国、英国、印度和欧洲空间局已研制成功20多种大、中、小运载能力的火箭。最小的仅重10.2吨,推力 125千牛(约12.7吨力),只能将1.48公斤重的人造卫星送入近地轨道;最大的重2900多吨,推力 33350千牛(3400吨力),能将120多吨重的载荷送入近地轨道。主要的运载火箭有“大力神”号运载火箭、“德尔塔”号运载火箭、“土星”号运载火箭、“东方”号运载火箭、“宇宙”号运载火箭、“阿里安”号运载火箭、N号运载火箭、“长征”号运载火箭等。

  分类

  常用的运载火箭按其所用的推进剂来分,可分为固体火箭、液体火箭和固液混合型火箭三种类型。如我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。

  按级数来分,运载火箭可以分为单级火箭、多级火箭。其中多级火箭按级与级之间的连接形式来分,分为串联型、并联型、串并联混合型三种。串联型火箭级与级之间的连接分离机构简单,其上面级的火箭发动机在高空点火。并联型火箭的连接分离机构较串联型复杂,其核芯级第一级火箭与助推火箭在地面同时点火。苏联发射世界上第一颗人造地球卫星的卫星号运载火箭,就是在中间芯级火箭的周围捆绑了4支助推器。助推器与芯级火箭在地面一起点火,燃料用完后关机抛离。我国的长征二号E运载火箭则是一枚串并联混合型火箭,其第一级火箭周围捆绑了4枚助推器,在第一级火箭上面又串联了一枚第二级火箭。

  结构组成

  运载火箭的组成部分有箭体、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。此外,箭上还装有遥测系统、外测系统和安全控制系统等。

  箭体

  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。

  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。[1]

  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。

  技术指标

  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。

  运载能力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

  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。

  航天飞机是人货混合运输,兼有火箭和飞机的部分特征,因而其系统异常复杂,而越是复杂的系统其可靠性越难以保证。同时,航天飞机成本高昂,使其在货运领域竞争力不足。仅有美国拥有航天飞机技术,且已宣布终止航天飞机飞行任务,其他国家多采用或准备研制运载火箭进行载人航行,在可预见的若干年内,航天飞机在“客运”领域难有作为。尽管航天飞机已不再飞行,但其作为航天领域乃至整个工业的科技之珠,对于人类的科技发展起到了一定的推动作用。

  国内详情

  到目前为止我国共研制了12种不同类型的长征系列火箭,能发射近地轨道、地球静止轨道和太阳同步轨道的卫星。

  从1970年到2000年的30年间,我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,使我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。

  在我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,我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(CZ-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(CZ-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,我国仅用了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,我国又在长征二号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(CZ-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,是我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(图25)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(图26)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。

  长征三号丙是在长征三号甲是单枚三级火箭捆绑2个助推器而成,运载能力为2600-3800公斤,介于2600公斤的长征三号甲和5100公斤的长征三号乙之间。2003年才完成总体设计,2008年4月26日发射“天链一号01星”是首次其飞行,长征三号丙是“长三甲”系列中最后一型火箭。

  长征四号(CZ-4)系列运载火箭

  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(CZ-5)运载火箭

  “长征五号”运载火箭即将进入初样研制阶段,这是对中国航天未来三十至五十年发展具有重要意义和深远影响的一大项目,旨在面对国际商业卫星发射市场和国内未来卫星发射、深空探测的更高需求,其研制成功后,中国进入空间的能力将得到大幅度提升。“长征五号”总体设计由中国运载火箭技术研究院第一设计部负责,生产基地已在天津开建,目标是二〇一四年实现首次航天飞行,长征五号将主要运载嫦娥卫星直接进入月球。

  国外详情

  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。

  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。

  德尔塔(Delta)系列运载火箭

  美国德尔塔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塔-2和德尔塔-3两种型号。美国空军的全部GPS卫星都是由德尔塔-2发射的。德尔塔-3是在德尔塔-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。德尔塔-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塔-4子系列,其中的重型德尔塔-4的地球同步转移轨道运载能力在13t以上。

  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97t,它能把重达47t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。

  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。

  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22t,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。

  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18t,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。

  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。由于俄罗斯经济状态不佳就再也没有发射过。

  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25t,地球同步转移轨道运载能力为7.5t。。

  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和H2B,2001年8月首次发射成功。

  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。这种火箭有4级,12层楼房高,重230吨,性能优良,是印度最可靠的空间发射器。2008年【一箭十星】成为第一。

  N-1运载火箭

  N1运载火箭是苏联研发的用来将苏联宇航员送到月球的火箭。也就是被西方人称为 G-1e 或 SL-15 的火箭。N1就是俄语носитель(运载器)的缩写。使用三十台NK-15,火箭研发工作比土星五号晚,不仅资金短缺、未测试,四次发射试验都失败了,于是苏联在1976年正式取消了这项工程。

  质子号运载火箭

  (俄语:Протон)是苏联研制的大型运载火箭系列的名称,该系列也被称为Д运载火箭。在冷战结束后,由于能源号火箭的被弃用,质子号实际成为俄运载能力最强的火箭。但质子号使用剧毒的可贮存液体燃料,一旦发射失败可能对发射场周边地区造成严重污染,所以俄罗斯已决定用新研制的安加拉号(使用液氧/煤油作为推进剂)来取代它。

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