火箭与长征火箭的故事-争奇斗艳的运载火箭
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    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。从上世纪60年代至今的半个多世纪时间里,全球共进行了大约4500多次轨道发射,把1万余个卫星、飞船、实验设备、探测器、着陆器和其他航天器送上各类飞行轨道、地外星球。

    世界主要的运载火箭有“大力神”号运载火箭、“德尔它”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、“能源”号运载火箭等。这些火箭堪称一朵朵美丽的奇葩,在世界航天史上争奇斗艳。

    开创航天新纪元

    前苏联“东方号”(ракетаноситель“Восток”)系列运载火箭是世界上第一种载人航天运载工具,它开创了人类航天的新纪元,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、“上升号”结构图第一艘载人飞船、第一艘无人载货飞船等。

    该系列主要包括“卫星号”、“月球号”、“东方号”、“上升号”、“联盟号”、“进步号”和“闪电号”等型号。后四种火箭又构成了“联盟号”子系列,其中“上升号”是“联盟号”的初始型号,“进步号”是“联盟号”用于发射无人货运飞船的基本型,“闪电号”是三级“联盟号”火箭的别名。“东方号”系列是目前世界上发射次数最多的运载火箭系列。“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。

    争奇斗艳的运载火箭“卫星号”火箭

    “卫星号”是“东方号”系列的第一种型号,是在P-7洲际弹道导弹的基础上改进而来的。它奠定了前苏联航天运载工具发展的基础。该火箭由芯级火箭和4台侧挂助推火箭并联捆绑而成,全长29.17米,最大直径10.3米,起飞质量达267吨,低地轨道有效载荷能力1327千克。为了控制航向,火箭另外安装了12台可摆动的小型游动发动机。火箭发射时,5台发动机同时点火工作。飞行中,4台助推火箭先行熄火和分离,芯级发动机继续工作,直到把卫星送入轨道。“卫星号”火箭成功发射了3颗人造卫星。1957年10月4日,它成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星。以“卫星号”为基础,加上不同的上面级,就构成了“东方号”系列中的其他型号。

    “月球号”

    “月球号”月球探测器

    “月球号”是“东方号”系列的第二种型号,因发射“月球号”探测器而得名。它是世界上第一种发射月球探测器的火箭,因而也是第一种达到第二宇宙速度的运载火箭。它是在“卫星号”的基础上增加一个上面级改型而成的,全长33.5米,最大直径10.3米,环月轨道运载能力为360千克。它主要用于发射“月球号”探测器。1958年5月1日首次发射失败,次年1月2日首次成功地把“月球一号”探测器送入离月球最近距离为5000千米的日心轨道,使其成为第一颗人造行星。1959年9月12日,它又将“月球二号”探测器送到月球,首次实现月球表面硬着陆。

    “东方号”火箭

    “东方号”是世界上第一种载人航天运载火箭。它由“卫星号”和“月球号”发展而来,主要是增加了一子级的推进剂质量和提高了二子级发动机的性能。“东方号”火箭全长38.4米,最大直径10.3米,低地轨道运载能力为4730千克,太阳同步轨道运载能力为1150千克。中心的两级火箭,一子级长28.75米,二子级长2.98米,呈圆筒形状。发射时,芯级火箭发动机和4台助推火箭发动机同时点火。大约两分钟后,助推火箭分离脱落,主火箭继续工作两分钟后,也熄火脱落。接着末级火箭点火工作,直到把有效载荷送入绕地球的轨道。1960年5月15日,“东方号”首次成功地进行了不载人卫星式飞船的发射。

    “东方号”火箭是因发射“东方号”宇宙飞船而得名的,1961年4月12日,“东方号”宇宙飞船把世界上第一位宇航员尤里·阿列克谢耶维奇·加加林(ЮрийАлексеевичГагарин)送上地球轨道飞行,并安全返回地面。这是人类成功发射的第一艘载人飞船,开创了载人航天的新纪元。到1963年6月16日,它共发射运载6艘载人飞船。其后,“东方号”主要用于发射侦察、气象和地球资源卫星等。到1988年12月,它共发射149次,失败3次。

    历史上,“东方号”曾发生过两次严重的爆炸事故,造成215人丧生。一次是1960年10月24日,“东方号”在拜科努尔发射场41号发射台准备发射月球探测器时发生爆炸,包括前苏联国防部副部长、火箭部队司令涅杰林元帅(МаршалНеделин)以及在场的工程技术人员共计165人全部丧生。另一次是1980年3月18日,“东方号”在普列谢茨克发射场的发射台上加注推进剂并进行最后测试时再次发生爆炸,造成50名士兵死亡。

    “联盟”系列飞船“联盟号(Союз)”是一种多用途两级运载火箭,是“联盟号”子系列中的两级型火箭,是通过挖掘“东方号”火箭一子级的潜力和采用新的更大推力的二子级研制而成。因发射“联盟号”载人飞船而得名。它是在“东方号”的基础上发展起来的,全长49.5米,最大直径10.3米,起飞重量310吨,低地轨道运载能力约为7.2吨。

    1963年11月16日,“联盟号”首次成功地将一颗照相侦察卫星送入轨道。“联盟号”火箭使用频繁,每年大约要发射40次,原来主要用于发射军用侦察卫星、载人或不载人的“联盟号”飞船和“进步号”无人货运飞船。“联盟号”目前仍在使用之中,并用于商业发射,包括发射“全球星”移动通信卫星系统的多颗卫星。

    “闪电号”是“东方号”系列中的第一个三级型号,也是发射世界上第一颗金星探测器及第一颗火星探测器的运载火箭。“闪电号”由两级的“联盟号”增加一级上面级构成,因1965年4月发射“闪电号”通信卫星而得名,现已成为三级“联盟号”火箭的代称。

    火星探测器“闪电号”全长43.3米,芯级最大直径10.3米,起飞重量300吨,运载能力为:“闪电号”卫星1600千克(近地点400千米,远地点40000千米);预报号卫星900千克(近地点200千米,远地点200000千米);月球探测器1620千克;金星探测器1180千克;水星探测器950千克。

    “闪电号”第一、二次发射均告失败。1961年2月4日成功发射了前苏联第7颗人造卫星,创造了当时低地轨道6483千克运载能力的世界纪录。1961年2月12日它成功发射了世界上第一颗金星探测器;1962年11月1日它又成功发射了世界上第一颗火星探测器。“闪电号”主要用于发射各种空间探测器、“闪电号”通信卫星和预警卫星等,曾发射了7颗金星号探测器、10颗“月球号”探测器和1颗“火星号”探测器。

    知识点载人飞船

    载人飞船是能保障航天员在外层空间生活和工作以执行航天任务并返回地面的航天器,又称宇宙飞船。载人飞船可以独立进行航天活动,也可用为往返于地面和空间站之间的“渡船”,还能与空间站或其他航天器对接后进行联合飞行。载人飞船容积较小,受到所载消耗性物质数量的限制,不具备再补给的能力,而且不能重复使用。1961年苏联发射了第一艘东方号飞船,后来又发射了上升号和联盟号飞船。美国也相继发射了水星号、双子星座号、阿波罗号等载人飞船。导弹孕育出的“雷神”

    “雷神(Raytheon)”是美国道格拉斯飞机公司研制的第一代战略导弹,是美国空军一级液体燃料单弹头中程弹道导弹,属于地地中程导弹。1955年底研制工作开始,1956年7月定型,1957年试飞成功,1959年10月装备美国空军。

    1963年4月,“雷神”导弹退役后,被用作运载火箭的第一级(芯级),下部捆绑固体助推器,顶部串联不同的上面级,先后研制使用了20多个型号,形成了一个比较完整的运载火箭系列。

    “雷神”火箭被用作美国各种型号的“雷神—德尔它”系列运载火箭的第一级。能把重约1800千克的人造地球卫星发射到300~400千米高的轨道上。

    “雷神”系列运载火箭是在“雷神”中程弹道导弹的基础上发展起来的,主要用来发射军用卫星和早期的航天探测器,也发射过宇航局的一些科学及应用卫星。该系列包括“雷神—艾布尔”、“雷神—艾布尔星”、“雷神—博纳”、加大推力的“雷神—阿金纳”等型号。

    “雷神—艾布尔”型是三级运载火箭,综合了“雷神”中程导弹和“先锋号”火箭两者的技术,一子级是“雷神”中程弹道导弹的改型,代号为DM-18;二子级是“先锋号”运载火箭二子级的改型;三子级是固体火箭,采用阿勒格尼弹道实验室的X-248A7型动力装置。箭长27.28米,最大直径2.44米。

    “雷神—艾布尔星”是“雷神—艾布尔”的改进型,该火箭运载能力增大,长度缩短,结构简化,可靠性增强。该箭长24.11米,最大直径2.44米。

    “雷神—博纳”箭长21.56米,最大直径2.44米,是为美国空军发射中、小型卫星而设计的。

    “加大推力雷神—阿金纳D”型火箭长29米,最大直径为2.44米,是为发射大质量侦察卫星而研制的,1963年在“雷神”基础级上增加了三台固体助推器,并与“阿金纳D”的上面级组合而成的。1966年,通过增加贮箱长度,形成“长贮箱加大推力雷神”基础级。

    知识点中程弹道导弹

    中程弹道导弹,是将弹道导弹依射程进行分类时的一个子类。通常它的范围被限定为地对地导弹。按照一般的定义,中程弹道导弹是指射程在3000~5500千米之间的地对地弹道导弹。这个分类是很模糊的,因为射程较远的中程导弹与射程较短的洲际导弹之间没有什么本质性区别,而且,各国对于中程弹道导弹的射程范围的定义也不尽相同。研制中程弹道导弹可能成为一国研制洲际导弹的中间步骤。火箭常青树:“宇宙神”

    “宇宙神”运载火箭“宇宙神”是美国最早应用的一种液体洲际弹道导弹,射程1.8万千米以上,总推力为1.7兆牛顿。1959年装备部队,1965年被“民兵”洲际导弹取代后被用作运载火箭的芯级,与不同的上面级组合形成运载火箭系列。

    1959年10月,洛马公司成功研制SM-65/CGM-16“宇宙神”地对地洲际弹道导弹,并于1960年正式装备美空军。但由于该型导弹存在对推进剂要求高、燃料填装耗时长、防护能力差等弱点,因此其在服役数年后即由第二代洲际弹道导弹所代替,而原有导弹则改装为运载火箭用于发展航天计划。

    “宇宙神(Atlas)”系列运载火箭主要有“宇宙神/半人马座”、“宇宙神-1”、“宇宙神-2”、“宇宙神-3”、“宇宙神-5”等型号。

    “宇宙神/半人马座”运载火箭

    “宇宙神/半人马座”运载火箭主要为美空军发射军事卫星,执行NASA的载人航天飞行与太阳系探测的发射任务。该型火箭是以“宇宙神D”导弹为基础发展而成的,可以把1800千克的有效载荷送入180千米的太空轨道。

    1960年1月31日,“宇宙神/半人马座”火箭第一次执行发射任务,1989年9月25日最后一次为美空军发射军事卫星,前后共进行了68次发射,失败11次,任务成功率为83.82%。

    “宇宙神-1”运载火箭

    “宇宙神-1”运载火箭是由原“宇宙神/半人马座”号运载火箭改进而成的,因为考虑成本问题,两者基本组件相同,但对其导引控制系统进行了重大改进,重点是有可替换的模块化飞行控制单元及与飞行电脑联结的数据总线。

    1990年7月25日,“宇宙神-1”运载火箭首次发射,将可观察地球磁场变化的“辐射综合效应观测卫星”送入轨道。随后为执行美空军和NASA的发射任务共制造了18枚“宇宙神-1”运载火箭。1997年4月25日,“宇宙神-1”运载火箭成功进行了最后一次航天发射。

    “宇宙神-1”运载火箭共执行11次航天发射任务,8次成功,3次失败,任务成功率为72.73%。

    “宇宙神-2”运载火箭

    1988年5月,美国空军与通用动力公司签署了第二代军用发射工具的研发合同,主要希望为美国防部发射通信卫星,并可满足商业发射需求,这即是“宇宙神-2”系列运载火箭的发展基础。

    “宇宙神-2”运载火箭是美空军使用最为广泛的运载火箭,任务成功率为100%,并连续63次发射成功。“宇宙神-2”运载火箭由美国通用动力公司研制生产,是从20世纪50年代研制的“宇宙神”洲际导弹发展而来。它包含3个子型号:“宇宙神-2”,“宇宙神-2A”和“宇宙神-2AS”。其中改进型火箭“宇宙神-2A”和“宇宙神-2AS”的有效载荷分别达3066千克和3719千克。最新型的“宇宙神-2AS”火箭于1993年12月15日进行了首次发射。

    “宇宙神-2”是“宇宙神”火箭系列中最后一个在助推级上采用“一级半”结构的成员,这种独特的结构是从其原型“宇宙神”式洲际导弹的设计中继承下来的。在一级半结构中,助推级总共有三台发动机,其中两台(助推器)在上升过程中被抛弃,但其燃料箱和伺服全称伺服驱动系统,是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统,例如数控车床等。机构则不与箭体分离。

    “宇宙神-2”系列中运载能力最大的型号是改进后的“宇宙神-2AS”,它是在芯级周围捆绑了4枚“卡斯托-4A”助推器的型号。

    在1988年到2004年间,“宇宙神-2”的所有型号总共发射了63次,其中“宇宙神-2”基本型10次,“宇宙神-2A”23次,“宇宙神-2AS”20次。

    “宇宙神-3”运载火箭

    “宇宙神”系列运载火箭自“宇宙神-3”起,开始由国际卫星发射服务公司负责发射招商业务及火箭研发工作。它是美国洛马公司为提高商业发射市场竞争力和可靠性、降低发射成本,于20世纪90年代后期开始研制的新型运载火箭。

    “宇宙神-3”火箭“宇宙神-3”由“宇宙神-2”运载火箭改进而成,由以RD-180液体发动机为核心的“宇宙神”主级、改装的“半人马座”上面级、惯性制导系统、整流罩等主要部分组成,采用无毒的液氧/煤油和液氢/液氧为推进剂,地球转移轨道(GTO)的运载能力为3700~4500千克。

    “宇宙神-3”火箭装备有俄罗斯制造的RD-180型发动机,目前有两种型号,即“宇宙神-3A”和“宇宙神-3B”。两种型号的区别在于3A型使用RL10A-4-1单发动机“半人马座”上面级,而3B型的上面级使用加长贮箱,并可选用一个或两个RL10A-4-2发动机,有效载荷分别可达4037千克和4500千克。

    洛马公司的“宇宙神-3”火箭计划将生产29枚3A和3B型火箭,其商业发射计划和服务由国际发射服务公司(ILS)承担。2000年5月24日,“宇宙神-3A”运载火箭进行首次发射,成功地将欧洲通信卫星公司的一颗通讯卫星送入预定轨道。“宇宙神-3”未来还计划进行50次连续成功发射。

    “宇宙神-5”运载火箭

    “宇宙神-5”运载火箭根据“改进型一次性运载火箭”计划(EELV),美国于1995年开始了“宇宙神-5”系列运载火箭的研制工作,其目的是寻求一种使用方便、费用较低的运载火箭。要求是能够将中型及重型卫星发射至地球同步轨道和低层转移地球同步轨道。

    “宇宙神-5”由“宇宙神-3”运载火箭改装而成。除了具有较高的飞行技术性能之外,“宇宙神-5”运载火箭还具有良好的使用参数。例如,生产一枚“宇宙神-5”运载火箭的整个周期为15个月左右,发射准备周期总共为15~21昼夜(其中在发射场的时间近2昼夜)。而“大力神-4”运载火箭的相应参数分别为36个月,150~240昼夜(其中在发射场的时间近90昼夜);“宇宙神-2AS”运载火箭相应的参数分别为24个月,42~57昼夜(其中在发射场的时间近38昼夜)。

    “宇宙神-5”型两级运载火箭是洛马公司“宇宙神”火箭家族的最新成员,高约59米,研制费用超过了10亿美元。该型火箭推力强大,低轨道运载能力达20吨,与上一代火箭相比提高了1倍。该型火箭的另一个特点是发射准备时间短,只需提前12小时送上发射台即可,而一般火箭则需要提前几周甚至数月。此外,这种火箭发射时不用庞大的发射塔,只需一座发射架,并可在大风的条件下发射。

    2002年8月21日,“宇宙神-5”型火箭在卡纳维拉尔角基地首次发射成功,将欧洲的一枚通信卫星送入了预定轨道。

    2005年2月3日,一枚“宇宙神-3”型火箭从佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地发射升空,将美国军方的一颗秘密间谍卫星送入了太空轨道。据悉,这是“宇宙神-3”型火箭最后一次执行发射任务。此次发射不仅标志着“宇宙神-3”型火箭的退役,也宣告卡纳维拉尔角空军基地36号发射场正式完成了历史使命。

    知识点间谍卫星

    间谍卫星又称侦察卫星,是用于获取军事情报的军用卫星。侦察卫星利用所载的光电遥感器、雷达或无线电接收机等侦察设备,从轨道上对目标实施侦察、监视或跟踪,以获取地面、海洋或空中目标辐射、反射或发射的电磁波信息,用胶片、磁带等记录器存储于返回舱内,在地面回收或通过无线电传输方式发送到地面接收站,经过光学、电子设备和计算机加工处理,从中提取有价值的军事情报。

    名不虚传的“大力神”

    “大力神”导弹是美国液体洲际弹道导弹的一种,它的研制时间比“宇宙神”晚一年多。

    共发展了两种型号:“大力神-5”射程11700千米,1962年4月装备部队,1965年全部退役;“大力神-2”射程13400千米,1963年开始装备部队,直到1987年才全部退役,退役后也被改装成运载火箭系列。

    美国的“大力神(Titan)”系列运载火箭是以洲际弹道导弹“大力神-2”为基础发展起来的,主要包括“大力神-2”、“大力神-3”、“大力神-34”、“大力神-4”、“商业大力神-3”、“大力神-5”等子系列火箭。

    “大力神-2”运载火箭

    “大力神-2”是美国第二代战略导弹,主要用于攻击地面目标,如大型硬目标、核武器库等,空军最大的两级液体燃料单弹头洲际弹道导弹,双目标选择能力,配装陆基武器中最大的核弹头,对软目标(人口中心、工业)造成破坏最大。

    1960年6月由马丁公司(主承包)研制,1963年12月首次部署。在堪萨斯州(381战略导弹联队)、亚利桑那州(390战略导弹联队)、阿肯色州(308战略导弹联队)共部署54枚。

    从1982年10月起,“大力神-2”开始执行退役计划,以每月一枚导弹的速度撤出,1987年底全部退役。

    “大力神-2”系列火箭有“大力神-2LV-4”、“大力神-2SLV”、“大力神-2S”等几种型号。“大力神-2LV-4”是为“双子星座”载人飞船计划而服务,火箭长33.22米,最大直径3.05米。

    截至1994年底,该系列火箭共执行17次任务,成功率100%。“

    “大力神34-D”运载火箭

    “大力神-2LV-4”是在洲际导弹“大力神-2”的基础上发展起来的,1962年初开始改型。它是为“双子星座”载人飞船计划服务的,也是“大力神”系列最早投入使用的火箭。“大力神-2LV-4”火箭又称“双子星座运载火箭”。“双子星座-大力神-2”虽然属于航空航天局的民用计划,但是美国空军不仅直接参与火箭的研制与发射,而且还利用“双子星座”飞船的10余次飞行,进行了各种科学试验。

    航空航天局选用“大力神-2”作“双子星座”飞船运载工具的原因有:第一,“大力神-2”是当时美国运载能力最大的火箭,只有它具有发射“双子星座”飞船的能力;第二,“大力神-2”采用可贮推进剂,便于操作、处理,并具有长时间停放和随时发射的特点,适合于载人飞行和完成空间会合对接任务。

    载人飞行需要满足以下4项要求:

    (1)适应人的生理特点;

    (2)提高可靠性,保障飞行绝对安全;

    (3)发生灾难性故障时宇航员能及时脱险;

    (4)改善火箭性能,提高任务成功率。

    为满足以上4项要求,对“大力神-2”采取了11项改进措施:

    (1)增设故障探测系统;

    (2)改用冗余制导和控制系统;

    (3)改用冗余电源系统;

    (4)一子级改用冗余液压系统;

    (5)用“水星”计划的无线电制导系统代替原“大力神-2”的惯性制导系统;

    双子星座(6)改进推进系统;

    (7)改进发射场飞行中止系统;

    (8)改进测量系统;

    (9)二子级氧化剂箱前增设用于对接飞船的前裙段;

    (10)改进二子级仪器架;

    (11)取消反推火箭和游动发动机。

    “大力神-2LV-4”从卡纳维拉尔角10号工位发射,1964年4月8日首次飞行,截至1966年11月共进行12次飞行,成功率100%,1966年底停止使用。

    “大力神-3”运载火箭

    “大力神-3”系列火箭由美国国防部主持研制,有A、B、C、D、E五种型号,可发射各种轨道卫星,有代表性的是“大力神-3C”火箭。该火箭由“大力神-3A”发展而来,主要用于发射军用同步轨道卫星。火箭最长50.6米,最大直径9.7米。

    “大力神-3”是美国国防部主持研制的第一种航天运载器。1961年提出设想,1962年12月开始研制,1964年9月进行首次发射。到1983年6月,“大力神-3”系列火箭执行最后一次任务为止,共发射126次,失败9次,成功率92.86%。

    “大力神-3”系列共有A、B、C、D、E五种型号。该系列火箭可作单星或多星发射。发射的有效载荷有近地轨道、极轨道、地球同步轨道、高椭圆轨道、日心轨道等各种卫星。

    “大力神-3A”是“大力神-2”运载火箭的改型,由换用了LR-87-AJ一9和LR-91-AJ-9发动机的“大力神-2”一、二子级和新的上面级——过渡级组成。火箭于1964年9月1日首飞,飞行4次后由“大力神-3B”取代。飞行失败一次,成功率75%。

    “大力神-4”运载火箭

    “大力神-4”系列火箭是“大力神34D”的改型,系美国空军预备在航天飞机不能满足军需时使用的火箭。主要用于发射太阳同步轨道大型军用卫星及其他军用卫星。

    “大力神-4”原名“大力神34D7”,是“大力神34D”的改型,由3.1米直径7节药柱或3.2米直径3节药柱固体助推器、加长的“大力神34D”一、二子级和5.08米直径整流罩组成。火箭也可与“半人马座G”或惯性上面级配合使用,发射各种高轨道卫星。经各种组合后共有“大力神-4NUS(Ⅰ型)”、“大力神-4NUS(Ⅱ型)”、“大力神-4/半人马座G(Ⅰ型)”、“大力神4/半人马座G(Ⅰ型)”和“大力神-4/惯性上面级”5种型号。

    轨道二级火箭三级火箭助推器助推器及三子级CSD①H②CSD+半人马座H+半人马座CSD+惯性上面级(千克)28.6°倾角近地轨道1774021550地球同步轨道〖4〗454056702313太阳同步轨道〖4〗14515空间站转移轨道(28.5°倾角370千米)18770深空任务(20.5千米2/秒)〖5〗5200①CSD——联合技术公司7节药柱固体助推器;

    ②H——赫克里士公司3节药柱固体助推器。

    “大力神-4”初期使用由联合技术公司化学系统部提供的钢壳7节药柱固体助推器,后期采用赫克里士公司的纤维缠绕石墨复合材料壳体高性能端羟基聚丁二烯三节药柱固体助推器,使火箭运载能力提高25%。

    火箭采用麦克唐纳-道格拉斯公司的机械铣切等边三角形网格结构整流罩。分离时柔性爆炸引信和12个爆炸螺栓在0.2秒内,以4.6米/秒速度将整流罩分为3个部分。引信爆炸产生的气体和碎片收入波纹管内,防止污染卫星。火箭采用数字惯性制导系统和三轴姿态稳定系统。

    “大力神-4”于1984年开始研制,是空军在航天飞机不能满足军用需求时使用的火箭。1986年美国航天飞机失事后,空军将“大力神-4”的订货从原来的10枚增为23枚,1989年又增补26枚,现已被定为美国空军20世纪90年代的主要大型军用火箭,1990~1995年期间的年发射率原定为8~10发。火箭主要用于发射太阳同步轨道大型军用卫星KH-12、地球同步轨道大型电子情报卫星ELINT、导弹早期预警卫星DSP、三期国防通信卫星和SDI试验件等,它也将用于NASA深空发射和空间站运输等任务。

    大力神火箭于1989年6月14日进行首次发射,将导弹早期预警卫星DSD送入地球同步轨道,截至1994年底共发射11次,失败一次,成功率90.9%。“德尔它”:用事实证明实力

    美国“德尔它”火箭美国“德尔它(Delta)”系列运载火箭于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3.8吨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13吨以上。

    “德尔它”火箭是在“雷神”中程弹道导弹基础上发展起来的运载火箭。它是世界上型号最多、改型最快的火箭系列。其发射次数居美国之首,已经研制了近40种火箭型号,承担了美国近18%的卫星发射任务。它发射了世界上第一颗地球同步轨道卫星。

    该型火箭因具有较强的适应性而得到广泛应用,已将200多颗不同用途的卫星和试验物送入轨道。这些卫星中有近地、极地和高椭圆轨道卫星,也有地球同步、太阳同步、日心和月心轨道卫星;有通信、导航、气象卫星,也有科学、对地观测和各种特殊用途的卫星。

    它不仅是美国使用次数最多的运载火箭,而且已多次为英国、加拿大、日本、印度尼西亚、印度等国以及国际通信卫星组织、北大西洋公约组织、欧洲航天局等发射卫星。

    “德尔它”运载火箭被美国国家航空航天局预定为导弹至运载火箭的过渡时期的运载火箭,在1960~1961年应用于通讯气象科学月球探测等项目。该计划试图以其他火箭取代“德尔它”运载火箭旧有的设计,并不是加强“德尔它”运载火箭的性能,而是增加其可靠性。1959年4月美国国家航空航天局与道格拉斯航空公司签约进行12枚火箭的设计。

    1969年到1978年间,“德尔它”运载火箭是美国国家航空航天局使用最频繁的火箭,在这10年间共发射了84次。美国国家航空航天局不仅使用该系列火箭发射自己的卫星,也帮美国政府发射过卫星,甚至是外国政府的卫星来履行与他国的契约。“雷神-德尔它”运载火箭的可靠性在20世纪60年代和70年代已算极高的了,在84次发射中,仅有7次是失败的(91.6%的成功率)。截止到1994年底,“德尔它”系列运载火箭共计发射227次,其中失败12次,发射成功率为94.71%。

    知识点地球同步卫星

    地球同步卫星是人为发射的一种卫星,它相对于地球静止于赤道上空。从地面上看,卫星保持不动,故也称静止卫星;从地球之外看,卫星与地球共同转动,角速度与地球自转角速度相同,故称地球同步卫星。

    发射同步卫星需要有高超的技术,一般先用多级火箭,将卫星送入近地圆形轨道,此轨道称为初始轨道;当卫星飞临赤道上空时,控制火箭再次点火,短时间加速,卫星就会按椭圆轨道(也称转移轨道)运动;卫星飞临远地点时,再次点火加速,卫星就最后进入相对地球静止的轨道。重量级的航天大力士:“土星号”

    “土星-5(Saturn-Ⅴ)”运载火箭是美国专为阿波罗登月计划研制的、迄今为止最大的巨型运载火箭。其起飞重量为3000吨,直径10米,高110米,近地轨道运载能力达139吨,它能把重达50吨的“阿波罗”飞船送入登月轨道。“土星-5”曾先后将12名宇航员送上月球。

    20世纪60年代,美国为执行“阿波罗”登月计划,专门研制了“土星”型运载火箭系列。主要有“土星-1”、“土星-1B”和“土星-5”等几种型号。其中,“土星-1”为一种试验型的两级运载火箭,第一级运载装置由8台“H-1”液体火箭发动机组成,总推力为7兆牛;第二级由6台总推力为408千牛的液体火箭发动机组成。入轨高度185千米时的最大有效载荷为10.2吨。为了改进“土星”火箭并确定“阿波罗”飞船的总体方案,“土星-1”于1961年至1965年从卡纳维拉尔角共发射10次,其中有5次把“阿波罗”飞船的主体模型发射入轨。

    “土星-1B”是为在近地轨道试验载人和不载人的“阿波罗”飞船研制的。它也是两级运载火箭,第一级和第二级均为“土星-1”的改进型,但在第二级配备了一台用液氧/液氢作推进剂的J-2发动机,推力1.023兆牛。这样,火箭在入轨高度为195千米时,最大有效载荷达到18.1吨。在1966~1975年间,“土星-1B”在卡纳维拉尔角共发射9次,均获成功。

    “土星-5”运载火箭是美国“土星-1B”运载火箭的改进型,主要改进是在“土星-1B”的基础上增加了第三级,是“土星”系列运载火箭的最后一种型号。“土星-5”运载火箭是专为在近地和近月轨道试验“阿波罗”飞船的全套设备,以及将航天员送往月球而研制的。

    由于“阿波罗”飞船总重达46吨,高25米,最大直径6.6米,要把这么重的飞船以第二宇宙速度当物体(航天器)飞行速度达到11.2千米/秒时,就可以摆脱地球引力的束缚,飞离地球进入环绕太阳运行的轨道,不再绕地球运行。这个脱离地球引力的最小速度就是第二宇宙速度。送入月球轨道,以往任何一种运载火箭都无法胜任。为此,专门研制的“土星-5”三级运载火箭称得上是一个重量级的航天“大力士”,它全长85米,直径10米,起飞质量达2950吨,起飞推力达35211千牛,总功率约1.47亿千瓦,相当于200万辆普通大轿车功率的总和。“土星-5”运载火箭与“阿波罗”登月飞船组装在一起后,高达110.64米,相当于36层楼房高。

    运载能力在逃逸轨道时为50吨。1967年11月9日首次发射不载人的“阿波罗-4”成功后,于1968年12月21日进行首次载人飞行发射,将阿波罗8号成功地送入绕月球运行轨道。在1967~1973年间,“土星-5”从卡纳维拉尔角共发射13次,全部成功。其中有10次是运载“阿波罗”载人飞船进入预定轨道。功不可没的“质子号”

    “质子号”运载火箭“质子号(Протон)”运载火箭是前苏联研制的大型运载火箭系列的名称。“质子”号火箭从20世纪60年代中期以来一直是前苏联及其航天力量的主要继承者俄罗斯在发射大型航天器时的主要运载工具。由于N-1探月火箭的研制失败和对“能源号”运载火箭的弃用,“质子号”火箭实际上成为俄罗斯现在拥有的发射能力最强的运载火箭。

    最初的“质子号”火箭是在1961~1965年间研制成功的。1965年7月16日,基础型“质子号”火箭在拜科努尔发射场执行了第一次任务,将“质子-1”科学考察卫星送入太空,火箭也因此而得名“质子号”。

    早期的“质子号”火箭主要用于发射大型人造卫星。但由于其运载能力远大于其他前苏联火箭(如“联盟号”和“闪电号”),“质子号”就成为了发射星际探测器的首选。在美苏登月竞赛时期,“质子号”承担了大多数将“月球号”无人探测器送上月球的任务。“质子号”也预定参加前苏联载人登月计划。当时前苏联平行开展了两个计划:科罗廖夫主导的使用“N-1”的宇航员登月计划和切洛勉主导的使用“质子号”的载人环月飞行计划。但在一次内部论证会之后,切洛勉的计划被搁置。在“N-1”开发失败而美国人率先实现登月之后,前苏联政府对登月失去了兴趣。虽然还是用“质子号”发射了几艘“探测器号”飞船进行了绕月飞行,但所携带的只是动物而已。

    从1971年开始,前苏联用“质子-K”火箭先后将8个空间站(“礼炮-1”~“礼炮-7”,“和平号”)的几乎全部舱体发射入轨。冷战结束后,“质子-K”又用于发射国际空间站的几个重要舱段。除了美国的航天飞机以外,“质子号”是目前唯一能够承担这项任务的运载工具。

    在前苏联的航天活动中,“质子号”运载火箭发射最为频繁,它是目前世界上运载能力最大的火箭之一。它先后研制有二、三、四级3种型号。最大的一种四级火箭全长44.3米,底部最大直径7.4米,起飞重量800吨。第一级由6台助推火箭组成,中心是一个直径较大的氧化剂箱,四周捆绑6个燃料箱,起飞推力达1000吨。第二级高约13.7米,装有4台发动机,总推力为240吨。第三级高6.4米,装1台发动机,另有4台校正航向的可控微调发动机。第四级高5.5米,装有一台封闭式循环发动机,可二次点火。这种火箭可将21吨重的有效载荷送入近地轨道。

    1965年7月16日,“质子号”运载火箭首次发射,将一颗重达12.2吨的卫星成功送入预定轨道。1971年4月19日,成功发射重17.5吨的“礼炮-1”轨道站。从1971年到1973年,“质子号”又相继发射了6个“火星号”探测器。1974年发射第一颗静止轨道卫星宇宙637号,1975年到1983年陆续发射了金星号探测器,1984年发射两个维加号哈雷彗星探测器,1986年又把第三代轨道站“和平号”送入太空。这一系列发射纪录充分表明,“质子号”火箭对于前苏联航天活动有着举足轻重的作用。

    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20吨,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-1”到“礼炮-7”空间站、“和平号”空间站各舱段及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。

    前苏联解体后,俄罗斯将“质子号”火箭投入国际市场,受到客户广泛青睐。1996年4月,“质子号”将欧洲的阿斯特拉-1F卫星发射入轨,完成了第一次商业发射。到2007年,“质子号”已执行了40多次商业发射任务。

    “和平”号空间站苏联火箭的大力士:“能源号”

    1987年5月15日,前苏联成功发射了一枚名为“能源号(Энергетиканомером)”的超级运载火箭。火箭长约60米,总重2400吨,起飞推力3500吨,能把100吨有效载荷送入近地轨道。

    “能源号”运载火箭由两级组成,分助推级和芯级两级。助推级由四台液体助推器构成,每个助推器长32米,直径4米;芯级长60米,直径8米,由四台液体火箭发动机组成。

    第一级捆绑4台液体助推火箭,高39米,直径4米;第二级为直径8米的芯级,由4台液氢液氧发动机组成。发射时,助推级和芯级同时点火,助推级4台助推火箭工作完毕后,芯级将有效载荷加速到亚轨道速度,在预定的轨道高度与有效载荷分离。第一级4台助推火箭工作完成后,由地面控制脱离芯级火箭后回收,经修理后可重复使用50次;芯级火箭可将有效载荷送入地球轨道运行。

    由于这种两级“能源号”火箭只能把重型有效载荷送入低地球轨道(芯级只能作亚轨道飞行),要把有效载荷送入高地球轨道或逃逸轨道还需再加一级,所以研制了两种新的辅助级,即上面级(EUS)及制动和修正级(RCS)。这两种辅助级是单独使用还是一起使用,取决于执行的任务类型。

    正是由于“能源号”采取了积木式的设计,它既具有发射大型低轨道有效载荷(105吨)和航天飞机的能力,又具有将10吨以上有效载荷送入地球同步轨道或飞往月球和行星轨道的能力。其中,同步轨道运载能力约为18吨,月球轨道运载能力为32吨,火星和金星轨道的运载能力为28吨。

    “能源号”系列运载火箭“能源号”运载火箭的主要任务有:发射多次使用的轨道飞行器;向近地空间发射大型飞行器、大型空间站的基本舱或其他舱段、大型太阳能装置;向近地轨道或地球同步轨道发射重型军用、民用卫星;向月球、火星或深层空间发射大型有效载荷。

    1988年11月15日,“能源号”火箭将不载人的“暴风雪号”航天飞机送入亚轨道,在160千米高度上启动航天飞机上的发动机,将“暴风雪号”助推到入轨速度,然后机上发动机再次启动,把“暴风雪号”送上250千米的圆形轨道,成为前苏联运载火箭发展史上的一座新的里程碑。“能源号”运载火箭目前仍是世界上起飞质量和推力最大的火箭。

    “天顶号”:完全无人化的发射工序

    “天顶号(Зенит)”火箭是前苏联政府在1976年正式批准研制的一种中型运载火箭。“天顶号”的设计工作与前苏联当时最具野心的航天计划——“能源-暴风雪号”航天飞机计划捆绑在一起。之所以出现这种情况,是因为工程师打算直接用“天顶号”火箭的第一级作为“能源号”火箭的助推器,并为其配套发展一种大推力液体火箭发动机。

    “天顶号”运载火箭“天顶号”系列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14吨,太阳同步轨道运载能力约为11吨。“天顶-2”是两级运载火箭,其一子级还被用作“能源号”火箭助推级的助推器。“天顶-2”最大长度为57米,最大直径是3.9米。“天顶-3”是三级运载火箭,它在二型的基础上增加了一个远地点级,用于将有效载荷送入地球同步轨道、其他高轨道或星际飞行轨道。“天顶-3”最大长度为61.4米,最大直径3.9米。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2吨,1999年3月首次发射成功。

    “天顶号”火箭有许多优点。它使用无毒无污染的液氧/煤油推进剂组合,而其他一些前苏联运载火箭(如“质子号”)则使用有剧毒的肼类推进剂。“天顶号”的发射工序实现了完全无人化:火箭可以被机械装置自动吊装在发射台上并连上必需的地面控制管线,其后在发射准备、点火或因发射任务取消而需从发射台上撤下火箭时都不需要进行手动操作,从而大大减少了因发射事故导致人员伤亡的可能性。此外,“天顶号”的发射台不包含在发射时会被烧毁的设备,因此在一次发射完成的5小时之后,就可以再次进行发射。抗衡苏美的“阿丽亚娜”

    “阿丽亚娜(Ariane)”运载火箭是由欧洲11个国家组成的欧洲航天局研制的不可重复使用的火箭系列。迄今为止,“阿丽亚娜”运载火箭系列已发展了从“阿丽亚娜-1”至“阿丽亚娜-5”共5个型号。

    为了抗衡前苏联和美国在航天领域的强大发展势头,1972年法国建议西欧10国联合组成欧洲航天局(ESA),共同研制“阿丽亚娜”运载火箭。1973年7月,研制计划获得批准。法国空间研究中心(CNES)负责“阿丽亚娜”火箭的计划管理,航空航天公司负责总装。

    “阿丽亚娜”运载火箭

    “阿丽亚娜-1”是三级液体运载火箭,该火箭长50米(带有效载荷),直径3.8米,发射质量200吨,进入远地点36000千米高度过渡轨道的有效载荷为1700千克。“阿丽亚娜-2”在“阿丽亚娜-1”基础上将第一、第二推力通过增加发动机燃烧室压力而增加了9%,第三级通过加大推进剂数量而延长了燃烧时间。这样,进入地球同步轨道的运载能力达到2200千克。“阿丽亚娜-3”是在“阿丽亚娜-2”的基础上再装两枚固体推进器组成,使进入地球同步轨道的运载能力增加到2600千克。1984年8月“阿丽亚娜-3”首次发射,成功地将两颗通信卫星送入转移轨道。

    1982年1月开始研制的“阿丽亚娜-4”除将“阿丽亚娜-3”的第二、三级稍加改进外,还重新研制了新的液体火箭发动机、4米直径的整流罩和多星发射装置等,并组合成6种不同的型号。其进入地球同步轨道的运载能力,基本型号(AR40)为1900千克,最大型号(AP44L)高达4200千克。

    在希腊神话中,阿丽亚娜是克里特王米诺斯之女,这位美丽又聪明的公主曾用一团小线帮助雅典英雄泰西逃出迷宫。以“阿丽亚娜”命名的欧洲航天局的运载火箭“阿丽亚娜-4”也不负众望,它以可靠性高、入轨精度高、交货及时和价格适中等优点,占据了世界商业火箭发射市场一半的生意。

    但欧洲航天局并未因此而满足。为了在激烈竞争的航天市场中进一步巩固优势,并且把这种领先优势一直保持下去,早在1985年1月,欧洲航天局ESA参加国就通过一项研制更大型运载火箭“阿丽亚娜-5”的计划,目标是既能将重10余吨的“赫尔墨斯”载人航天飞机送上地球低轨道;又能将总重8吨(有同时运载两颗或三颗卫星两种装配方式)的有效载荷送上同步转移轨道。

    “阿丽亚娜-5”火箭由上、下两部分组成,上部分包括上面级、设备舱、整流罩等,下部分包括一个低温主级和两台大型固体助推器。火箭全长可达56米,起飞质量716吨,起飞推力11.4兆牛。

    “阿丽亚娜-5”经过近三年的筹备后,在1988年正式立项,计划耗资35亿美元,于1995年升空。但在研制过程中发生了一连串的事故:1995年4月11日,在法国小城沃农的火箭发动机试车台上,主发动机(HM60液氧/液氢发动机)的涡轮泵发生爆炸;同年5月5日,南美法属圭亚那库鲁航天中心,在“阿丽亚娜-5”发射台上的两名军官在操作中因有毒气体泄露而中毒死亡。随后,同年5月30日、7月3日和9月1日又接连出现各类大小事故,这迫使阿丽亚娜空间公司不得不推延了首次发射时间,并将总研制费用提高到60亿美元以上。

    “阿丽亚娜”系列火箭的成功,是欧洲联合自强的一个象征,它在国际航天市场的角逐中占有重要地位,世界商业卫星的发射业务大约有50%是由“阿丽亚娜”火箭承担的。可与欧美火箭并驾齐驱的日本为了争当航天大国,已成功研制M系列(又称“谬”系列)和H系列两大类运载火箭。其中,M系列是由日本宇宙科学研究所研制的,主要用于发射科学研究卫星和空间探测器,尚在使用的有M3S2型和MS型。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,于2001年8月首次发射成功。

    H系列运载火箭H系列是日本宇宙开发事业团负责研制的,主要用于发射应用卫星。其中,1983年开始研制的H-2,为日本大型主力运载火箭。它是捆绑了两个大型固体助推器的两级火箭。第一、二级均采用液氢/液氧发动机。第一级的LE-7发动机是新研制的,推力86吨;第二级的LE-SA发动机是H-l火箭第一级发动机的改进型,推力12吨。火箭总长50米,直径4米,起飞质量260吨。

    H-2火箭的主要优点有二:一是结构良好,火箭长度短,重量轻,其重量仅为运载能力相同的前苏联“质子号”火箭的38%,是欧航局的“阿丽亚娜-4”的一半,而且可靠性高达96%。二是技术先进,如第一级主发动机(LE-7)采用的二级燃烧循环方式是一项燃烧效率很高的高难度技术,目前只有美国航天飞机的主发动机和前苏联的“能源号”火箭第一级发动机采用了这项技术;第二级火箭具有重新启动功能,使H-2火箭具有足够的灵活性来满足把有效载荷送入不同轨道的要求。但它也有不足之处:目前它的发射成本较高,每一枚需要1.55亿美元,而与其发射能力相近的“阿丽亚娜-4”只需0.82亿美元;另一不利因素是发射时间受限制,每年只有1~2月间和8~9月间共90天的时间可供发射。

    为了争夺运载火箭发射市场,日本成立了包括三菱重工、日产汽车和日本电气等著名公司在内的75家公司联合组成的火箭系统股份有限公司。一方面,着重对如何降低成本、进一步保持火箭的高可靠性进行研究;另一方面,正在努力争取放宽发射期,并考虑与“阿丽亚娜”火箭的兼容,借此在日本和世界赢得市场。

    1994年2月4日,H-2火箭从鹿儿岛县的种子岛宇宙中心首次发射成功,标志着日本的火箭技术已可与欧洲的“阿丽亚娜”火箭和美国的航天飞机技术并驾齐驱,为日本跻身世界卫星发射市场奠定基础。另外,日本为了适应国际市场小卫星的发射需要,开始争取在短时间内开发出一种低成本的火箭。曾是竞争对手的宇宙开发事业团和宇宙科学研究所在1992年联手,共同开发了一种三级固体火箭。第一级采用H-2的固体助推器,二、三级和整流罩则均为M-3S火箭的原件。只有第一、二两级的级间过渡段和第一级的两台游动小发动机等为数不多的部件是新开发的。这样,通过两家公司的火箭技术对接,取长补短,日本的火箭家族在20世纪取得了不小的进步。

    印度自行研制的极轨道4级运载火箭,太阳同步轨道运载能力为1吨,低地轨道运载能力为3吨。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,“极轨卫星”运载火箭的“一箭三星”技术又取得成功。

    在运载火箭的研发过程中,印度一直强调自力更生。当前可供使用的一次性运载火箭有“极轨卫星”运载火箭和近地轨道运载火箭等。2005年,印度积极进行低温发动机的研制,以实现卫星运载火箭的完全本土化。印度还积极进行超音速系统试飞的准备工作。

    2005年5月,印度安得拉邦斯里赫里戈达岛发射中心用一枚C6型“极轨卫星”运载火箭成功发射两颗卫星,分别为遥感卫星“Cartosat-1”和通讯卫星“Hamsat”。

    “极轨卫星”运载火箭高达44米,略矮于日本的H-2B和中国的长征3B火箭。“极轨卫星”运载火箭是四节火箭,有固态及液态燃料系统交互使用,第一节为固态推进火箭,有138吨重的燃料,直径为2.8米,外壳使用马钉钢材料,其拥有六支辅助推进引擎,其中四支在地面就点燃,其他两支则在空中点燃,每支固态辅助推进火箭都有9吨重,其使用燃料被沥青完好地包覆在容器内;第二节的燃料被注入在两个铝合金槽内,燃料为四氧化二氮及联氨,重量为41.5吨,也用沥青防止滚动;第三节有7吨的燃料,使用固态推进剂,使用凯拉夫合成纤维(一种高分子合成纤维,分子结构中有大量苯环,呈刚性,质量轻,强度高,很多防弹衣就是采用这种材料。)制成的低角度喷嘴和陀螺仪(+2至-2度以内),控制偏差;“极轨卫星”运载火箭的第四节有两个引擎的设计,且使用液态推进剂(甲基联氨/氮氧化物可释放氧的液体),“极轨卫星”运载火箭被反应控制系统控制。酬载的外壳是由纳米碳纤维管所制成,并能将卫星送达地球同步轨道。

    知识点“一箭多星”

    “一箭多星”就是用一枚运载火箭同时或先后将数颗卫星送入地球轨道的发射技术。“一箭多星”是一种优越的发射方式,它能充分地利用运载火箭的运载能力,降低卫星发射成本,使相关联的多颗卫星保持密切配合。目前国际上一箭多星的发射常用两种方式:第一种是把几颗卫星一次送入一个相同的轨道或几乎相同的轨道上;第二种是分次分批释放卫星,使每一颗卫星分别进入不同的轨道。就是说,运载火箭到达某一预定轨道速度时,先释放第一颗卫星,然后火箭继续飞行,达到另一个预定的轨道速度时,又释放第二颗卫星,依此类推,逐个把卫星送入各自的预定运行轨道。

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