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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。是在導彈的基礎上發展的,一般由2~4級組成。每一級都包括箭體結構、推進系統和飛行控制系統。末級有儀器艙,內裝制導與控制系統、遙測系統和發射場安全系統。級與級之間靠級間段連接。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。

1 運載火箭 -簡介

運載火箭運載火箭

運載火箭,是第二次世界大戰後在導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導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),只能將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、「阿里安」號運載火箭、 N號運載火箭、「長征」號運載火箭等。

2 運載火箭 -種類

按推進劑類型分

按照所用的推進劑來分,運載火箭包括固體火箭、液體火箭和固液混合型火箭三種類型。

按級數分

按照級數來分,運載火箭包括單級火箭和多級火箭兩種類型;多級火箭又可分為串聯型、並聯型和串並聯混合型三種。

3 運載火箭 -組成

運載火箭運載火箭結構

運載火箭主要的組成部分有結構系統、動力裝置系統和控制系統。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。

箭體結構

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,安裝連接火箭各系統的所有儀器、設備,把箭上所有系統、組件連接組合成一個整體。

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。

控制系統

是用來控制運載火箭沿預定軌道正常可靠飛行的部分。控制系統由制導和導航系統、姿態控制系統、電源供配電和時序控制系統三大部分組成。制導和導航系統的功用是控制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。姿態控制系統(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、滾動誤差,使之保持正確的飛行姿態。電源供配電和時序控制系統則按預定飛行時序實施供配電控制。

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、計算機和爆炸裝置組成。當運載火箭的飛行姿態,飛行速度超出允許的範圍,計算機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后將火箭在空中炸毀。

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。

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。

4 運載火箭 -設計指標

運載能力
運載火箭土星五號(左5——載人登月狀態,左7——發射天空實驗室狀態)、蘇聯未研製成功的N-1火箭(左6),與太空梭(右1)及其他運載火箭的對比圖。

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徵速度時的有效載荷重量。

飛行程序

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幾秒鐘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於零。

②等角速度程序飛行段: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序,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。對於低軌道的航天器,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:對於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。

5 運載火箭 -設計特點

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。

通用性

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

經濟性要好。也就是既要性能好,又要發射耗費少。訂購運載火箭的用戶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。

改進性

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。運載火箭不像導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增長。 

6 運載火箭 -典型代表

國外典型的運載火箭
運載火箭美國60年代研製的「土星-5」號運載火箭,起飛質量3038噸,具備將118噸載荷送入近地軌道、47噸載荷送入月球軌道的能力

(1)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洲際導彈發展而來,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。

(2)宇宙神(Atlas)系列運載火箭

美國宇宙神系列運載火箭於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塊化設計,其中的重型火箭使用了3個通用模塊,其地球同步轉移軌道運載能力達到13 t。

(3)德爾它(Delta)系列運載火箭

美國德爾它系列運載火箭系列於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於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。

(4)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劃而研製的、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139t,它能把重達50t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。

(5)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。

(6)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。三級型質子號於1968年11月16日首次發射,其低地軌道運載能力達到20t,它是世界上第一種用於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。

運載火箭印度的GSLV運載火箭,起飛重量約400噸

(7)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和用於海上發射的天頂-3SL。天頂-2的低地軌道運載能力約為14t,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。

(8)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,也可用於發射載人太空梭。能源號於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。目前由於俄羅斯經濟狀態不佳就再也沒有發射過。

(9)阿里安(Ariane)系列運載火箭

阿里安火箭是由歐洲11個國家組成的歐空局研製的系列運載火箭,該系列已有阿里安l~5共5個子系列,目前正在使用的是阿里安-4和阿里安-5。阿里安-4於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。阿里安-5於1997年進行了首次發射,近地軌道運載能力為22t,地球同步轉移軌道運載能力為6.7t。目前阿里安-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6.7 t提高到11~12t。

(10)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系列火箭只有H-2A,2001年8月首次發射成功。

(11)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,但由於火箭出現故障,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。 

運載火箭運載火箭  運載火箭運載火箭 運載火箭 

大力神系列運載火箭 

宇宙神系列運載火箭

德爾它系列運載火箭

土星系列運載火箭

東方號系列運載火箭

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質子號系列運載火箭

天頂號系列運載火箭

能源號系列運載火箭

阿里安系列運載火箭

H系列運載火箭

中國運載火箭的發展
運載火箭研製中的「長征5號」運載火箭結構示意圖

截止2009年中國共研製了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,中國發射長征系列火箭共計67次,成功61次,6次失敗或部分失敗,發射成功率為91%。自1996年10月到2009年已連續25次發射成功。

長征系列火箭

在中國運載火箭的發展初期,探空火箭的研製佔有重要的地位,儘管它是結構簡單的無控火箭,但卻是新中國成立后的第一枚真正的火箭。從1958年開始,中國陸續研製出包括生物、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(LM-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導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。

長征二號(LM-2)系列運載火箭

長征二號(LM-2)運載火箭是從洲際導彈的基礎上發展而來的,並於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。

長征三號(LM-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啟動,在技術上是當時國際先進水平,是中國火箭技術發展的一個重要里程碑。

長征三號甲運載火箭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。長征三號乙主要用於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。

長征四號(LM-4)系列運載火箭

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

長征五號運載火箭

研製中的「長征5號」運載火箭,高59.5米,起飛重量為643噸,起飛推力為833.8噸。目標在2014年首飛。

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