運載火箭

運載火箭

運載火箭,由多級火箭組成的航天運輸工具。用途是把人造地球衛星、載人飛船、空間站、空間探測器等有效載荷送入預定軌道。是在飛彈的基礎上發展的,一般由2~4級組成。每一級都包括箭體結構、推進系統和飛行控製系統。末級有儀器艙,內裝製導與控製系統、遙測系統和發射場安全系統。級與級之間靠級間段連線。有效載荷裝在儀器艙的上面,外面套有整流罩。1980年5月18日,中國第一枚運載火箭發射成功。1982年10月7-16日,我國向預定海域發射運載火箭獲得成功,達到預期目的。這一成就標志著我國運載火箭技術又有了新的發展。1988年9月27日,我核潛艇水下發射運載火箭成功。

  • 中文名稱
    運載火箭
  • 類型
    航天運輸工具
  • 組成
    箭體結構、推進系統等

基本分類

運載火箭

目前常用的運載火箭按其所用的推進劑來分,可分為固體火箭、液體火箭和固液混合型火箭三種類型。如我國的長征三號運載火箭是一種三級液體火箭;長征一號運載火箭則是一種固液混合型的三級火箭,其第一級、第二級是液體火箭,第三級是固體火箭;美國的“飛馬座”運載火箭則是一種三級固體火箭。

按級數來分,運載火箭可以分為單級火箭、多級火箭。其中多級火箭按級與級之間的連線形式來分,分為串聯型、並聯型、串並聯混合型三種。串聯型火箭級與級之間的連線分離機構簡單,其上面級的火箭發動機在高空點火。並聯型火箭的連線分離機構較串聯型復雜,其核芯級第一級火箭與助推火箭在地面同時點火。蘇聯發射世界上第一顆人造地球衛星的衛星號運載火箭,就是在中間芯級火箭的周圍捆綁了4支助推器。助推器與芯級火箭在地面一起點火,燃料用完後關機拋離。我國的長征二號E運載火箭則是一枚串並聯混合型火箭,其第一級火箭周圍捆綁了4枚助推器,在第一級火箭上面又串聯了一枚第二級火箭。

發展歷程

運載火箭是第二次世界大戰後在飛彈的基礎上開始發展的。第一枚成功發射衛星的運載火箭是蘇聯用洲際飛彈改裝的衛星號運載火箭(見“人造地球衛星”1號工程)。到 20世紀80年代,蘇聯、美國、法國、日本、中國、英國、印度和歐洲空間局已研製成功20多種大、中、小運載能力的火箭。最小的僅重10.2噸,推力 125千牛(約12.7噸力),隻能將1.48公斤重的人造衛星送入近地軌道;最大的重2900多噸,推力 33350千牛(3400噸力),能將120多噸重的載荷送入近地軌道。主要的運載火箭有“大力神”號運載火箭、“德爾塔”號運載火箭、“土星”號運載火箭、“東方”號運載火箭、“宇宙”號運載火箭、“阿裏安”號運載火箭、 N號運載火箭、“長征”號運載火箭等。

結構組成

不管是固體運載火箭還是液體運載火箭,不管是單級運載火箭還是多級運載火箭,其主要的組成部分有結構系統、動力裝置系統和控製系統。這三大系統稱為運載火箭的主系統,主系統工作的可靠與否,將直接影響運載火箭飛行的成敗。此外,運載火箭上還有一些不直接影響飛行成敗並由箭上設備與地面設備共同組成的系統,例如,遙測系統、外彈道測量系統、安全系統和瞄準系統等。

箭體

是運載火箭的基體,它用來維持火箭的外形,承受火箭在地面運輸、發射操作和在飛行中作用在火箭上的各種載荷,安裝連線火箭各系統的所有儀器、設備,把箭上所有系統、組件連線組合成一個整體。

動力裝置系統

是推動運載火箭飛行並獲得一定速度的裝置。對液體火箭來說,動力裝置系統由推進劑輸送、增壓系統和液體火箭發動機兩大部分組成。固體火箭的動力裝置系統較簡單,它的主要部分就是固體火箭發動機推進劑直接裝在發動機的燃燒室殼體內。

控製系統  

運載火箭

是用來控製運載火箭沿預定軌道正常可靠飛行的部分。控製系統由製導和導航系統、姿態控製系統、電源供配電和時序控製系統三大部分組成。製導和導航系統的功用是控製運載火箭按預定的軌道運動,把有效載荷送到預定的空間位置並使之準確進入軌道。姿態控製系統(又稱姿態穩定系統)的功用是糾正運載火箭飛行中的俯仰、偏航、捲動誤差,使之保持正確的飛行姿態。電源供配電和時序控製系統則按預定飛行時序實施供配電控製。

遙測系統

功用是把運載火箭飛行中各系統的工作參數及環境參數測量下來,通過運載火箭上的無線電發射機將這些參數送回地面,由地面接收機接收;亦可將測量所得的參數記錄在運載火箭上的磁記錄器上,在地面回收磁記錄器。這些測量參數既可用來預報航天器入軌時的軌道參數,又可用來鑒定和改進運載火箭的性能。一旦運載火箭在飛行中出現故障,這些參數就是故障分析的依據。

外彈道測量系統

功用是利用地面的光學和無線電設備與裝在運載火箭上的對應裝置一起對飛行中的運載火箭進行跟蹤,並測量其飛行參數,用來預報航天器入軌時的軌道參數,也可用來作為鑒定製導系統的精度和故障分析依據。

安全系統

功用是當運載火箭在飛行中一旦出現故障不能繼續飛行時,將其在空中炸毀,避免運載火箭墜落時給地面造成災難性的危害。安全系統包括運載火箭上的自毀系統和地面的無線電安全系統兩部分。箭上的自毀系統由測量裝置、電腦和爆炸裝置組成。當運載火箭的飛行姿態,飛行速度超出允許的範圍,電腦發出引爆爆炸裝置的指令,使運載火箭在空中自毀。無線電安全系統則是由地面雷達測量運載火箭的飛行軌道,當運載火箭的飛行超出預先規定的安全範圍時,由地面發出引爆箭上爆炸裝置的指令,由箭上的接收機接收後將火箭在空中炸毀。

瞄準系統

功用是給運載火箭在發射前進行初始方位定向。瞄準系統由地面瞄準設備和運載火箭上的瞄準設備共同組成。

相關指標

運載火箭的技術指標包括運載能力、入軌精度、火箭對不同重量的有效載荷的適應能力和可靠性。

運載能力

指火箭能送入預定軌道的有效載荷重量。有效載荷的軌道種類較多,所需的能量也不同,因此在標明運載能力時要區別低軌道、太陽同步軌道、地球同步衛星過渡軌道、行星探測器軌道等幾種情況。表示運載能力的另一種方法是給出火箭達到某一特征速度時的有效載荷重量。各種軌道與特征速度之間有一定的對應關系。例如把衛星送入 185公裏高度圓軌道所需要的特征速度為7.8公裏/秒,1000公裏高度圓軌道需8.3公裏/秒,地球同步衛星過渡軌道需10.25公裏/秒,探測太陽系需12~20公裏/秒。

飛行程式 

運載火箭

運載火箭在專門的航天發射中心發射。火箭從地面起飛直到進入最終軌道要經過以下幾個飛行階段:

①大氣層內飛行段:火箭從發射台垂直起飛,在離開地面以後的10幾秒鍾內一直保持垂直飛行。在垂直飛行期間,火箭要進行自動方位瞄準,以保證火箭按規定的方位飛行。然後轉入零攻角飛行段。火箭要在大氣層內跨過聲速,為減小空氣動力和減輕結構重量,必須使火箭的攻角接近于零。

②等角速度程式飛行段:第二級火箭的飛行已經在稠密的大氣層以外,整流罩在第二級火箭飛行段後期被拋掉。火箭按照最小能量的飛行程式,即以等角速度作低頭飛行。達到停泊軌道高度和相應的軌道速度時,火箭即進入停泊軌道滑行。對于低軌道的航天器,火箭這時就已完成運送任務,航天器便與火箭分離。

③過渡軌道:對于高軌道或行星際任務,末級火箭在進入停泊軌道以後還要再次工作,使航天器加速到過渡軌道速度或逃逸速度,然後航天器與火箭分離。

設計特點

運載火箭

運載火箭的設計特點是通用性、經濟性和不斷進行小的改進。這和大型飛彈不同。大型飛彈是為滿足軍事需要而研製的,起支配作用的因素是保持技術性能和數量上的優勢。因此飛彈的更新換代較快,幾乎每 5年出一種新型號。運載火箭則要在商業競爭的環境中求發展。作為商品,它必須具有通用性,能適應各種衛星重量和尺寸的要求,能將有效載荷送入多種軌道。經濟性也要好。也就是既要性能好,又要發射耗費少。訂購運載火箭的使用者通常要支付兩筆費用。一筆是付給火箭製造商的發射費,另一筆是付給保險公司的保險費。發射費代表火箭的生產成本和研製費用,保險費則反映火箭的可靠性。火箭製造者一般都盡量採用成熟可靠的技術,並不斷通過小風險的改進來提高火箭的性能。運載火箭不像飛彈那樣要定型和批生產。而是每發射一枚都可能引進一點新技術,作一點小改進,這種小改進不影響可靠性,也不必進行專門的飛行試驗。這些小改進積累起來就有可能導致大的方案性變化,使運載能力能有成倍的成長。

80年代以來,一次使用的運載火箭已經面臨太空梭的競爭。這兩種運載工具各有特長,在今後一段時間內都將獲得發展。太空梭是按照運送重型航天器進入低軌道的要求設計的,運送低軌道航天器比較有利。對于同步軌道航天器,太空梭還要攜帶一枚一次使用的運載器,用以把航天器從低軌道發射出去,使之進入過渡軌道。這樣有可能導致入軌精度和發射可靠性的下降。

一次使用的運載火箭在發射同步軌道衛星時可以一次送入過渡軌道,比太空梭稍為有利。這兩種運載工具之間的競爭將促進可靠性的提高和成本的降低。

典型型號

大力神(Titan)系列運載火箭

美國大力神運載火箭系列由大力神-2洲際飛彈發展而來,1964年首次發射。該系列由大力神-2、大力神-3、大力神-34、大力神-4和商用大力神-3等型號和子系列組成。它的最大近地軌道運載能力為21.9 t,地球同步轉移軌道運載能力為5.3 t。

宇宙神(Atlas)系列運載火箭

美國宇宙神系列運載火箭于1958年12月18日首次發射,曾經發射過世界上第一顆通信衛星、美國第一艘載人飛船等。目前正在使用的主要有宇宙神-2A、宇宙神-2AS和宇宙神-3。研製中的宇宙神-5運載火箭的第一級採用了通用模組化設計,其中的重型火箭使用了3個通用模組,其地球同步轉移軌道運載能力達到13 t。

德爾它(Delta)系列運載火箭

美國德爾它系列運載火箭系列于1960年5月13日首次發射,迄今為止已發展了19種型號,目前正在使用的是德爾它-2和德爾它-3兩種型號。美國空軍的全部GPS衛星都是由德爾它-2發射的。德爾它-3是在德爾它-2的基礎上研製的大型運載火箭,可以把3.8t的有效載荷送入地球同步轉移軌道。德爾它-3于2000年8月發射成功。美國還正在研製具有多種配置的德爾它-4子系列,其中的重型德爾它-4的地球同步轉移軌道運載能力在13t以上。

土星-V(Saturn)系列運載火箭

土星-V運載火箭是美國專為阿波羅登月計畫而研製的、迄今為止最大的巨型運載火箭。其起飛重量為3000t,直徑10m,高110m,近地軌道運載能力達97t,它能把重達47t的阿波羅飛船送入登月軌道。土星-V曾先後將12名宇航員送上月球。

東方號(Vostok)系列運載火箭

俄羅斯東方號系列運載火箭是世界上第一種載人航天運載工具,它創造了多個世界第一:發射了第一顆人造衛星,第一顆月球探測器,第一顆金星探測器,第一顆火星探測器,第一艘載人飛船,第一艘無人載貨飛船進步號等。它也是世界上發射次數最多的運載火箭系列。其中聯盟號是東方號的一個子系列,主要發射聯盟號載人飛船、進步號載貨飛船。

質子號(Proton)系列運載火箭

俄羅斯質子號系列運載火箭分為二級型、三級型和四級型3種型號。目前正在使用的有質子號三級型和四級型兩種。三級型質子號于1968年11月16日首次發射,其低地軌道運載能力達到22t,它是世界上第一種用于發射空間站的運載火箭,曾發射過禮炮l~7號空間站、和平號空間站各艙段和其他大型低地軌道有效載荷。1998年11月20日,質子號發射了國際空間站的第一個艙段。

天頂號(Zenit)系列運載火箭

天頂號系列運載火箭是前蘇聯(後為烏克蘭)研製的運載火箭,分為兩級的天頂-2、三級的天頂-3和用于海上發射的天頂-3SL。天頂-2的低地軌道運載能力約為18t,太陽同步軌道運載能力約為11t。可在海上發射的天頂-3SL是美國、烏克蘭、俄羅斯、挪威聯合研製的運載火箭,其地球同步軌道運載能力為2t,1999年3月首次發射成功。

運載火箭

能源號(Energia)運載火箭

能源號運載火箭是前蘇聯/俄羅斯研製的目前世界上起飛質量和推力最大的火箭。其近地軌道運載能力為105 t,既可發射大型無人載荷,也可用于發射載人太空梭。能源號于1987年首次發射成功,曾將蘇聯的暴風雪號太空梭成功地送上天。目前由于俄羅斯經濟狀態不佳就再也沒有發射過。

阿裏安(Ariane)系列運載火箭

阿裏安火箭是由歐洲11個國家組成的歐空局研製的系列運載火箭,該系列已有阿裏安l~5共5個子系列,目前正在使用的是阿裏安-4和阿裏安-5。阿裏安-4于1988年6月15日進行了首次發射,其近地軌道運載能力為9.4t,地球同步轉移軌道運載能力為4.2t。阿裏安-5于1997年進行了首次發射,近地軌道運載能力為25t,地球同步轉移軌道運載能力為7.5t。目前阿裏安-5正在進行改進,在2005年底之前將逐步把地球同步轉移軌道運載能力從目前的7.5 t提高到13~15t。

H系列運載火箭

日本H系列運載火箭由H-1、H-2、H-2A等火箭組成,目前正在使用的H系列火箭隻有H-2A和H2B,2001年8月首次發射成功。

極軌衛星火箭(PSLV)

印度自行研製的極軌道4級運載火箭的太陽同步軌道運載能力為1t,低地軌道運載能力為3t。1993年9月首次發射,但由于火箭出現故障,衛星未能入軌。此後,該火箭連續三次發射成功。1999年5月,一箭三星技術又取得成功。

我國發展

到目前為止我國共研製了12種不同類型的長征系列火箭,能發射近地軌道、地球靜止軌道和太陽同步軌道的衛星。

從1970年到2000年的30年間,我國發射長征系列火箭總計67次,成功61次,6次失敗或部分失敗,發射成功率為91%。在1994~1996年間曾一度幾次發射失敗,使我國在國際商業發射市場的聲譽處于低谷。中國航天工業總公司經過一系列質量整飭後終于打了個翻身仗。自1996年10月到目前已連續25次發射成功,這在世界衛星發射界也是不多見的。

在我國運載火箭的發展初期,探空火箭的研製佔有重要的地位,盡管它是結構簡單的無控火箭,但卻是新中國成立後的第一枚真正的火箭。從1958年開始,我國陸續研製出糗括生物、氣象、地球物理、空間科學試驗等多種類型的探空火箭。

長征一號(CZ-1)系列運載火箭

1970年4月24日,中國使用長征一號(LM-1)運載火箭發射了第一顆人造衛星東方紅一號。長征一號是在兩級中遠程飛彈上再加一個第三級固體火箭所組成,火箭全長29.86m,起飛總重81.57t,起飛推力為1040kN。

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長征二號(CZ-2)系列運載火箭

長征二號(LM-2)運載火箭是從洲際飛彈的基礎上發展而來的,並于1975年發射了1t多重的近地軌道返回式衛星,成功地回收了返回艙。此後,又根據發射衛星的需要,陸續衍生出長征二號丙(LM-2C)、長征二號丙改進型(LM-2C/SD)和發射極軌衛星的長征二號丁(LM-2D)運載火箭。在長征火箭大家族中,長征二號系列主要用于發射各類近地軌道衛星,LM-2C/SD曾以一箭三星方式發射了12顆美國的銥星移動通信衛星。

1986年初美國的挑戰者號太空梭爆炸後,太空梭被停飛,美國用了很長時間分析和處理故障,其後美國停止用太空梭發射一般商業衛星。趁此時機,我國僅用了18個月就研製成功長征二號E(又稱長二捆,LM-E)運載火箭,可以發射原來準備用美國太空梭發射的商用衛星。長征二號E火箭是以長征二號為芯級,周圍捆綁了4個液體助推器,它的近地軌道運載能力高達9.2t。長征二號E于1990年試射成功,從1992年到1995年曾發射多顆外國衛星。

為滿足發射神舟號飛船的要求,保證宇航員的安全,我國又在長征二號E的基礎上改進了可靠性並增設了故障檢測系統和逃逸救生系統,從而發展出了長征二號F(LM-F)運載火箭,專門用來發射神舟號載人飛船。

由于長征二號火箭的質量和可靠性非常高,1975~1996年連續成功地把17顆返回式衛星送上天,這使長征二號運載火箭在國際衛星發射市場上獲得了非常好的可靠性聲譽。

長征三號(CZ-3)系列運載火箭

長征三號運載火箭是在長征二號二級火箭上面加了一個以液氫、液氧為推進劑的第三級,所用的液氫液氧發動機可以二次啓動,在技術上是當時國際先進水準,是我國火箭技術發展的一個重要裏程碑。1984年長征三號成功地發射了我國第一顆地球同步試驗通信廣播衛星東方紅二號。1985年中國宣布進入國際商業衛星發射市場。1990年我國首次用長征三號運載火箭將美國休斯公司製造的亞洲一號衛星送入地球同步軌道。

此後,長征三號系列不斷增加新成員,如長征三號甲(LM-3A)、長征三號乙(LM-3B),主要用于發射地球靜止軌道衛星。

長征三號甲運載火箭(圖25)是在長征三號的基礎上研製的大型火箭,它的氫氧發動機具有更大的推力,性能也得到很大的提高,地球同步轉移軌道運載能力也從長征三號的1.6t提高到2.6t。

長征三號乙運載火箭(圖26)是在長征三號甲和長二捆的基礎上研製的,即以長征三號甲為芯級,再捆綁4個與長二捆類似的液體助推器。長征三號乙主要用于發射地球同步軌道的大型衛星,也可進行輕型衛星的一箭多星發射,其地球同步轉移軌道運載能力達到5.1t,躍入了世界大型火箭行列。

長征三號丙是在長征三號甲是單枚三級火箭捆綁2個助推器而成,運載能力為2600-3800公斤,介于2600公斤的長征三號甲和5100公斤的長征三號乙之間。2003年才完成整體設計,2008年4月26日發射“天鏈一號01星”是首次其飛行,長征三號丙是“長三甲”系列中最後一型火箭。

長征四號(CZ-4)系列運載火箭

目前投入使用的是長征四號乙運載火箭是長征火箭家族中用于發射各種太陽同步軌道和極軌道套用衛星的主要運載工具。

長征五號(CZ-5)運載火箭

“長征五號”運載火箭即將進入初樣研製階段,這是對中國航天未來三十至五十年發展具有重要意義和深遠影響的一大項目,旨在面對國際商業衛星發射市場和國內未來衛星發射、深空探測的更高需求,其研製成功後,中國進入空間的能力將得到大幅度提升。“長征五號”整體設計由中國運載火箭技術研究院第一設計部負責,生產基地已在天津開建,目標是二〇一四年實現首次航天飛行,長征五號將主要運載嫦娥衛星直接進入月球。    

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