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火箭(燃气推进装置)

火箭(rocket)是火箭发动机喷射工质(工作介质)产生的反作用力向前推进的飞行器。它自身携带全部推进剂,不依赖外界工质产生推力,可以在稠密大气层内,也可以在稠密大气层外飞行,是实现航天飞行的运载工具。 [1] 火箭按用途分为探空火箭和运载火箭。

探空火箭是用于将科学仪器以抛物线轨迹送入地球大气层的上不去与,使其进入近地空间的一种火箭。 [2]

探空基本结构火箭包括箭体结构、动力装置、稳定尾翼等。大多数探空火箭为单级或两级火箭,也有为3级、4级的。动力装置通常用固体火箭发动机,可以简化和缩短发射操作时间。探空火箭对火箭姿态和飞行弹道的要求不象导弹和运载火箭那样严格,一般不设控制系统,仅靠稳定尾翼或火箭绕纵轴旋转来保证飞行稳定。需要精确定位和定向时才设置控制系统。 除探测火箭基本结构外,探空火箭系统还包括有效载荷、发射装置和地面台站等: (1) 有效载荷大多装在箭头的仪器舱内。仪器舱的直径有时可大于箭体直径。有效载荷采集到的信息通过遥测装置发送到地面台站接收处理,或者在火箭下降过程中将有效载荷从火箭内弹射出来,利用降落伞等气动减速装置安全降落到地面回收。有效载荷的重量和尺寸取决于探测要求,一般为几公斤到几百公斤,最大可达几吨。 (2) 发射装置通常用导轨和塔式发射架,使火箭获得足够大的出架速度。无控制火箭的飞行弹道受风的影响较大,为了保证达到预定的高度和减小弹道散布,探空火箭发射时尚需根据发射场的高空风资料采用风补偿技术来调整和确定发射角度。大多数探空火箭从地面以接近垂直状态发射,也有从移动式发射车发射的,根据需要还可从舰船或升在空中的气球上发射。 (3) 地面台站主要包括接收测量信息的地面接收设备、跟踪火箭的定位测速设备(如雷达)和电子计算机等。雷达跟踪方式有反射式和应答式两种,应答式比反射式的跟踪距离更大。地面接收设备接收的遥测数据直接输入电子计算机处理,实时给出探测结果。 [3]

无论固体运载火箭还是液体运载火箭,无论单级运载火箭还是多级运载火箭,其主要的组成部分均包括结构系统(又称箭体结构)、动力装置系统(又称推进系统)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。其中: [4]

1)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载火箭上的各种载荷,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。 [5]

2)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为简单,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。 [5]

3)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。 [5]

4)遥测系统的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。 [5]

5)外弹道测量系统的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的依据。 [5]

6)安全系统的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(炸药筒)组成。当运载火箭的飞行姿态、飞行速度超出允许的范围时,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,从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。 [5]

7)瞄准系统的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。 [5]

火箭是中国古代的重大发明之一。公元969年,中国已经发明了火药(火药是在唐朝发明的)。北宋军官岳义方、冯继升造出了世界上第一个以火药为动力的飞行兵器-火箭。这种火箭由箭身和药筒组成,其中药筒用竹、厚纸制成,内充火药,前端封死,后端引出导火绳,点燃后,火药燃烧产生的气体向后喷出,以气体的反作用力把火箭推向前,飞行中杀伤敌兵。这种最早的原始火箭在工作原理上与现代火箭没有什么不同。公元12世纪中叶,原始的火箭经过改进后,广泛地用于战争。如公元1161年宋军与金兵的“采石之战”中所使用的“霹雳炮”,其实就是一种火箭兵器。当时在中国民间广为流行的能高飞的“火流星”(亦称“起火”),实际就是世界上第一种观赏性火箭。元、明之后,即公元13世纪以后,中国的火箭兵器在战争中有了很大发展,涌现了许多与现代火箭类型相近的火箭形式。13世纪中叶,蒙古人入侵中亚、西亚和欧洲,阿拉伯人侵略西班牙,他们把中国的火箭技术传入了欧洲及世界其它地区。到了这时,德意志的艾伯特斯麦格诺才在欧洲首次记述了关于制作火箭的技术。欧洲人最早使用火箭兵器,是在1379年意大利的帕多亚战争和1380年的威尼斯之战中。 [6]

至20世纪初,俄国著名科学家康斯坦丁齐奥尔科夫斯基从理论上证明了多级火箭可以克服地球引力而进入太空,并建立了火箭运动的基本数学方程,奠定了航天飞行动力学的基础。此外,他肯定了液体火箭发动机是航天器最适宜的动力装置,为运载器的发展指出了方向,并提出为实现飞向其他行星必须设置中间站,以及火箭在星际空间飞行的条件和火箭地面起飞条件。 [7]

美国著名火箭专家罗伯特哈金斯戈达德把航天理论与火箭技术相结合,提出了火箭飞行的数学原理,指出火箭必须具有每秒7.9公里的速度才能克服地球引力,同时他研究了利用火箭把载荷送至月球的几种可能方案。戈达德从1921年开始研制液体火箭,于1926年3月16日进行了人类首次液体火箭飞行试验并获得成功(火箭长3.04米,飞行2.5秒,达到 12米高,56米远),这使得他成为液体火箭的实际发明人。1932年他首次用陀螺控制的燃气舵操纵火箭的飞行,1935年他试验的火箭以超声速飞行,最大射程约20公里。 [7]

1942年10月3日,德国首次成功地发射了人类历史上第一枚弹道导弹V-2,并于1944年9月6日首次投入作战使用。第二次世界大战期间,先后有约4300多枚V-2导弹袭击了英国、荷兰安特卫普港和其他目标,造成了极大的破坏。V-2是单级液体火箭,全长14米,质量为13吨,箭体直径1.65米,最大射程320公里,发动机熄火高度96公里,飞行时间约320秒,命中精度圆公算偏差5公里,有效载荷约1吨。其动力系统选用液氧/酒精液体火箭发动机,推力为260千牛(合26.5吨力),最长工作时间68秒。其控制系统使用带程序装置和陀螺积分仪的自主式陀螺控制系统。V-2的成功在工程上实现了19世纪末、20世纪初航天技术先驱者的技术设想,并培养和造就了一大批有实践经验的火箭专家,对现代大型火箭的发展起到了继往开来的作用。V-2的设计虽不尽完美,但它却是人类拥有的第一件向地球引力挑战的工具,成为航天技术发展史上的一个重要里程碑。第二次世界大战后,美、苏两国分别接收了参与V-2研制的部分专家、设备及资料,为这两个国家在第二次世界大战后迅速发展火箭和导弹的技术创造了有利的条件。40年代末至50年代末,在V-2的基础上,以美、苏为主研制的火箭武器得到了迅速发展,各种类型的导弹武器相继问世,并形成了一个完整的导弹武器系统。 [7]

世界第一枚专门用于高空大气探测的火箭是美国于 1945年秋研制成功的“女兵下士”火箭。它能将11公斤的有效载荷送到 70公里的高空。此后,美国和苏联利用缴获的V-2火箭发射了一批探空火箭。50年代的国际地球物理年活动大大推动了探空火箭的发展,许多国家开始了探空火箭的研制。到80年代,世界上已有20多个国家发展或使用了探空火箭,年发射量高达数千枚。中国在1958年以前曾发射过试验性火箭,1958年正式研制探空火箭,先后研制成T-7液体探空火箭和改进型 T-7A探空火箭。 1965年起开始研制固体探空火箭“和平”2号和6号。 [3]

看似复杂的火箭,原理其实非常简单,早在17世纪,牛顿就很清晰地进行了描述:如果以一定速度向后抛出一定质量,就会受到一个反作用力的推动,向前加速。简单的火箭甚至早在牛顿提出这一原理前几百年就在中国被发明出来,并得到了应用,包括军用的火药箭和节日庆典的烟花。

火箭向后抛出一定质量是靠火箭发动机来完成的。火箭发动机点火以后,推进剂(液体的或固体的燃料和氧化剂)在发动机燃烧室里燃烧,产生大量高压气体;高压气体从发动机喷管高速喷出,对火箭产生的反作用力,使火箭沿气体喷射的反方向前进。固体推进剂是从底层向顶层或从内层向外层快速燃烧的,而液体推进剂是用高压气体对燃料与氧化剂贮箱增压,然后用涡轮泵将燃料与氧化剂进一步增压并输送进燃烧室。推进剂的化学能在发动机内转化为燃气的动能,形成高速气流喷出,产生推力。 [8]

火药曾经是原始的火箭推进剂,目前战术型火箭或较小导弹大多采用火药推进剂。人们习惯性把这样的固体燃料叫做“单元推进剂”。需要燃烧剂加氧化剂的燃料被称为:“二元推进剂”。组合使用液体和固体燃料推进剂的称为混合推进剂。使用混合推进剂的火箭发动机比冲和体积比冲介于液体和固体火箭推进剂之间。1950年代美国研制成功氧化氢和聚乙烯作为火箭发动机的混合推进剂。1964年法国首先发射成功采用混合推进剂为动力的气象火箭。我国“长征一号D”运载火箭第一级、第二级用液体燃料火箭发动机,第三级用固体燃料火箭发动机。也是采用混合推进剂。 [9]

选择推进剂所需要考虑的因素很多,如要求高的化学能焓、低分子量的燃烧产物。比热大、导热率高。饱和蒸汽气压低,化学稳定性好,比重大、无毒、无腐蚀性等。一种推进剂不可能完全具备以上的这些性能,因此不断研究新燃料是开发空间航行的首要任务。 [9]

使用核能燃料的火箭发动机的比冲量高、寿命长。但技术复杂,只适用长期工作的航天器及运载火箭的高能末级。1986年前苏联已在和平号空间站应用核动力发动机。核燃料的危害性是放射性污染环境。 [9]

目前火箭发射有三种方式:一是地面发射,二是空中发射,三是海上发射。 [10]

早期,运送有效载荷的火箭都是从地面发射场发射的。地面发射场受地理位置的制约,限制了有效载荷的发射范围,难以满足各种有效载荷的需求,于是出现了从空中发射和从海上平台发射火箭的方式。 [10]

从空中发射火箭是用飞机将火箭运送到高空后,再释放火箭,火箭在空中点火飞向预定轨道。采用这种发射方式,飞机可以在不同地点的机场起飞,从空中任何地点发射,它不受地理位置的限制。这样,不仅增加了发射窗口,而且还会扩大轨道倾角的范围,因而具有很大的机动性。载机相当于火箭的基础级,能提高火箭本身的运载能力,同样火箭从空中发射比从地面发射,其运载能力几乎可以提高一倍。 [10]

与地面发射场相比,从海上平台发射火箭同样具有多种优势。首先,可以灵活选择发射地点,当选择在赤道附近海域发射时,能充分借助地球的自转速度,提高火箭的运载能力;其次,周围没有居民点,火箭落区的选择范围较大,从而可使多级火箭的设计更加优化,进一步提高火箭的运载能力。 [10]

与运载火箭的研制一样,运载火箭的发射同样是一项综合性的系统工程。它涉及的面很广,包括运载火箭的检查、测试、转运、加注推进剂、发射程序与数据的计算和装订、点火发射、跟踪测量、安全控制、指挥通信、地面勤务保障等多方面的工作。 [11]

运载火箭首先进入技术准备区的专用厂房。在这里先对箭上的仪器设备进行单元测试,即对仪器设备单独进行测试,检查其性能和精确测量其参数。单元测试合格后进行分系统测试,它是在系统处于工作状态下,对系统内各仪器设备工作的协调性和功能进行检查,并测量其工作参数。接下来各分系统之间进行匹配测试,检查系统之间工作是否协调匹配。最后进行箭上所有系统都参加的总检查,总检查一般要进行多次,以模拟各种飞行状态来验证运载火箭全系统的技术性能和可靠性,并使火箭达到符合发射状态的要求。总检查之后,开始在运载火箭上安装各种火工品和火工装置,并准备转场。 [11]

在运载火箭进行技术测试的同时,发射场内的测控系统要进行设备联试。先是进行场内设备联试,然后再与分布在各地的测控站设备联试。与此同时,地面勤务保障部门对发射设备、加注设备进行调试;气象保障部门开通气象情报网和天气会商网,启动气象测量雷达,开始进行天气的长、中、短期预报。 [11]

当运载火箭在技术准备区经检查测试达到可以进行发射的状态后,即可转运到发射区。发射区内有发射台、勤务塔和脐带塔等主要发射设施。运载火箭分级运至发射区后,由勤务塔上的吊装设备对运载火箭分级吊装、对接和总装,并将其竖立在发射台上。随后在竖立状态下对运载火箭再一次进行分系统测试、系统间性能匹配测试、总检查和发射演练等。在发射区测试的内容要比在技术区的测试简化。在检查测试工作结束后,就可向运载火箭加注推进剂,并进行瞄准定位。与此同时,地面勤务保障部门要进行推进剂化验,确定推进剂的加注参数;气象部门要提供临发射前发射场区的天气情况及发射场区上空的高空风场等情况,以及火箭飞行经过地区的气象情况。 [11]

当一切准备工作基本结束之后,发射工作便可进入倒计时阶段。倒计时阶段开始时,由指挥中心向发射场、火箭飞行过程中箭体分离后的落区、分布在各地的测控站、远洋测量舰队和有关部门统一发布口令。各部门、各单位接到口令后,根据时间统一勤务系统提供的统一时钟各自进入临射前的工作程序。一般运载火箭的倒计时从由发射窗口确定的发射时间前1个小时开始,叫做1小时准备。然后是30分钟准备、15分钟准备、5分钟准备、1分钟准备,最后是从10开始倒数至1,运载火箭点火起飞。采用低温推进剂的运载火箭,由于低温推进剂极易蒸发,必须严格控制推进剂加注后的时间,因此常提前到离发射时间4-7小时就开始进入倒计时阶段。 [12]

发射工作进入1小时准备后,发射场的各项工作均按时间程序由地面测试发射控制设备来操作,它可以是半自动的,也可以是全自动的。在这段时间的准备过程中,主要的工作有:对箭上系统通电以进行射前功能检查,对火箭装订飞行程序和数据,进行精确瞄准,对推进剂贮箱进行增压,对采用低温推进剂的火箭补加推进剂,气路连接器、加注连接器自动脱开,遥测系统、外测系统的连接插头自动脱落。到1分钟准备时,箭上系统由地面供电转为由箭上电池供电,经10秒钟自检正常后,电缆连接器自动脱落,电缆摆杆离开运载火箭摆到预定位置。这时运载火箭除底部只有一个经脱拔插头连接的电缆尚与地面连接外,其他一切与地面连接的插头均已完全脱开。射前30秒钟,发射场的测控系统与各地测控跟踪站开始启动;射前7秒钟,发射台周围的高速摄影机开拍,开始记录火箭点火起飞的实况;到0秒时火箭点火。当火箭离开发射台时,底部唯一尚连接着的电缆脱拔插头被拉脱,火箭与地面的有线控制完全中断。但如果在火箭点火尚未离开发射台前,发现火箭发动机工作不正常,地面可通过这根电缆对火箭实施紧急关机。 [12]

火箭起飞后,在控制系统的控制下,分别完成程序转弯、助推器脱落、上面级火箭的点火与关机、级间分离和整流罩分离等;当火箭到达入轨点时,有效载荷与火箭分离、进入预定轨道运行,这时,运载火箭的发射工作完满结束。 [12]

按级数来分,可分为单级火箭、多级火箭两种类型。由于单级火箭在实际应用上很难实现宇宙飞行所必需的宇宙速度,因此需要采用多级火箭来解决这一问题。多级火箭的一子级在发射点火后就开始工作,工作结束后与整个火箭分离,再由二子级继续将有效载荷推向太空,以此类推,直至把有效载荷送入预定轨道。多级火箭一般由2-4级组成,有串联、并联和串-并联三种联接方式。 [13]

按动力能源分为化学能火箭、电能火箭、核能火箭、太阳能火箭及光子火箭等。目前最常用的是化学能火箭,它又分为液体推进剂火箭、固体推进剂火箭和固-液混合推进剂火箭。作为新能源火箭的代表,核能火箭的优点是其发动机比冲比化学能火箭的高,而推进剂只有一种,简化了火箭结构,适合执行长时间任务或星际任务。 [13]

按用途分为探空火箭和运载火箭。探空火箭指在近太空进行探测、科学试验的火箭,一般不设控制系统,是30~200千米高空的有效探测工具。探空火箭还可按研究对象或用途分翔如地球物理火箭、气象火箭、生物火箭、技术试验火箭和防雹火箭等。运载火箭又分为卫星运载火箭和载人运载火箭。 [13]

按控制形式分为有控火箭和无控火箭。 [13]

按运载能力分为小型火箭、中型火箭、大型火箭和重型火箭。 [13]

按轨道分为近地轨道火箭、太阳同步轨道火箭、地球同步轨道火箭及月球轨道火箭等。 [13]

按可否重复使用分为一次性使用火箭、部分重复使用火箭和完全重复使用火箭等。 [13]

由中国航天科技集团有限公司自主研制的长征系列运载火箭,承担了我国96.4%的发射任务,发射航天器总质量占中国发射总质量的99.2%。从1970年首飞至今,长征系列运载火箭先后有17型基础级火箭和5型上面级投入使用,成功将500多个航天器送入预定轨道,实现了从无到有,从串联到捆绑,从一箭一星到一箭多星,从发射卫星到发射载人飞船和月球探测器,从现役运载火箭到新一代运载火箭等一系列重大跨越,具备了发射低、中、高不同轨道、不同类型载荷的能力,运载能力和入轨精度均处于世界先进水平,已成为中国第一、世界知名、在国际高科技产业具有自主知识产权的品牌。多年来,长征系列运载火箭有力支撑保障了我国载人航天、月球探测、北斗卫星导航、高分辨率对地观测系统等一系列重大工程任务的成功实施,为推动相关领域发展,加快科技强国和航天强国建设打下了坚实基础。据统计,长征火箭300次发射的成功率约为96%。与前50次发射相比,后250次发射的成功率明显提升且趋于稳定。在第三个100次发射中,长征火箭共将225颗航天器送入预定轨道,发射成功率高达97%,居世界领先地位。2018年,长征火箭年发射连续成功次数达到37次,首次独居世界航天发射次数年度第一位,在近20年世界各国航天发射史中,是连续成功发射次数最高的一年,创造了世界航天发射的新纪录。 [14]

欧空局研制的运载火箭系列。由欧洲11个国家组成的欧空局于1973年开始研制,迄今已发展了阿里安1~5五种型别。目前使用最多的是阿里安5火箭。阿里安5火箭于1988年1月开始研制,1996年6月首次飞行,迄今为止,研制并投入使用的有阿里安5G、5GS、5ECA、5ES等型号,起飞质量为746~480吨,起飞推力为11400~13000kN,可用于向地球同步转移轨道、太阳同步轨道、中低轨道以及飞离地球轨道发射各类卫星和航天器,同时也可执行一箭多星发射任务,曾发射过天网、SYRACUSE等军用通信卫星。阿里安5为两级液体火箭,一子级采用液氢、液氧推进剂,二子级采用四氧化二氮、一甲基肼或液氧/液氢推进剂,在一子级周围捆绑了2枚大型固体助推器。目前在用的火箭型号主要有阿里安5GS、5ECA、5ES。阿里安5GS低温主级采用火神发动机,上面级采用可重复点火常温推进剂发动机,地球同步转移轨道运载能力达到6.5吨。阿里安5ECA采用改进的火神2低温推进剂发动机,二子级改用低温上面级,使地球同步转移轨道运载能力提高到10.5吨。阿里安5ES火箭主要用于发射欧洲自动转移飞行器(ATV),近地轨道运载能力为21吨。 [15]

日本研制的运载火箭系列。研制始于1981年,迄今已发展了H-1、H-2、H-2A等多种型号,目前正在研制H-2B火箭,用于发射H-2转移飞行器(HTV)。H-1火箭的地球同步转移轨道运载能力为1.1吨,由于使用了美国技术,只允许用来发射日本国内卫星,1988年投入使用,1992年退役。H-2火箭是日本独立研制的首枚大型两级捆绑式液体运载火箭,主要用于发射1~2吨级的地球同步轨道卫星,于1994年开始首飞,由于成本高、可靠性差以及操作复杂等问题,1999被停止使用。目前在用的是以H-2为基础进行了较大的改进的H-2A火箭系列,有标准型(H2A202、H2A2022、H2A2024)和增强型(H2A204),均为二级火箭,一、二子级使用液氧/液氢推进剂,通过模块化设计,采用相同火箭结构模块的不同配置来组成不同火箭型号,最大近地轨道运载能力为10吨,最大地球同步转移轨道的运载能力为6吨,用于日本政府军用和民用有效载荷的发射,包括地球同步轨道通信卫星、侦察卫星、月球探测器和星际探测器等,同时承揽国际商业发射服务。日本正在H-2A火箭的基础上发展更大的H-2B火箭,其一子级直径从4米增加到5米,主发动机增加到2台,可用于发射有效载荷质量为16.5吨的HTV,向国际空间站运送货物,也可将质量8吨的其他类型有效载荷送入地球同步转移轨道。 [16]

苏联/俄罗斯研制的第一种非导弹衍生的运载火箭。是专为航天任务设计的大型运载器,包括二级型、三级型和四级型,于1965年进行首飞,曾发射了“荧光屏”、“彩虹”、“地平线”系列通信卫星、格洛纳斯(GLONSS)军民两用导航卫星及“月球”、“金星”、“火星”等探测器,执行过月面采样返回和金星表面软着陆任务。二级型质子号1961年开始研制,采用四氧化二氮及偏二甲肼推进剂,用于发射大型月球探测器、星际探测器、空间站舱件和地球同步轨道卫星,能把12.5吨有效载荷送入近地轨道。三级型由二级型火箭加上一个液体三子级构成,主要用于发射苏联空间站与量子号、晶体号及宇宙号空间站舱,能把21吨的有效载荷送入近地轨道。目前使用的主要是四级型质子号K/DM和质子号M/微风M两种型号火箭,是在三级型火箭的基础上增加上面级Block DM 和微风M构成,Block DM采用液氧和煤油推进剂,微风M采用四氧化二氮和偏二甲肼推进剂。质子号K/DM主要用于发射政府的有效载荷,地球同步转移轨道运载能力覆盖2.75-4.35吨,月球轨道的运载能力达到6.2吨。质子号M/微风M火箭主要用于国际商业发射服务,同时也可执行政府的发射任务,是目前质子号火箭中运载能力最大的型号,地球同步转移轨道运载能力达到6.2吨,地球同步轨道运载能力达到2.92吨。 [17]

苏联/俄罗斯的联盟号火箭系列是世界上历史最久、发射次数最多的多用途运载火箭。前苏联以战略导弹为基础发展了东方号运载火箭,后续又发展了联盟号火箭,现已发展了上升号、闪电号、联盟号、联盟U、联盟号U/伊卡尔、联盟号U/弗雷盖特、联盟号FG、联盟号2等10余个型号,最大近地轨道运载能力为8.2吨,太阳同步轨道运载能力为4.8吨,地球同步转移轨道运载能力为2.4吨。目前主要使用的是联盟号U、闪电号M、联盟号FG和联盟号2火箭。联盟号U和联盟号FG火箭为两级结构,全部采用液氧、煤油推进剂,主要用于发射载人/不载人货运飞船或军用照相侦察卫星,曾发射过上升号载人飞船、联盟号载人飞船、进步号货运飞船以及第2代宇宙号照相侦察卫星。在二级型火箭联盟号U/FG的基础上还可增加伊卡尔和弗雷盖特上面级,用于商业高轨道发射。闪电号M火箭是三级火箭,主要用于发射军用的大椭圆轨道卫星,地球同步转移轨道运载能力为1.6吨,曾发射过闪电号通信卫星和预警卫星。联盟2火箭是联盟号系列中改动最大的型号,采用了新的二子级和三子级。其基本型(二级型)可将近地轨道运载能力提高到8.2吨,带上面级的三级型火箭可将有效载荷送入大椭圆轨道和地球同步轨道,地球同步轨道运载能力为2.7~3吨,太阳同步轨道运载能力为4.5~4.9吨。联盟号2火箭既与原来的联盟号火箭有很好的继承性,又能更好地适应国际商业发射市场的需求,最终将取代现用的联盟号U/FG和闪电号M,进行载人飞船、军事和商业卫星的发射。 [18]

印度为发射卫星在探空火箭基础上发展而来的运载火箭。先后成功研制了卫星运载火箭3(SLV-3)、加大推力卫星运载火箭(ASLV)、极地轨道卫星运载火箭(PSLV)和地球同步轨道卫星运载火箭(GSLV)。PSLV、GSLV是印度在用的主力运载火箭。PSLV采用四级结构,一、三子级使用固体推进剂,二、四子级使用一甲基肼和四氧化二氮,主要用于向极轨道发射遥感卫星,近地轨道运载能力达到3.2吨,太阳同步轨道运载能力为2吨。GSLV火箭是在PSLV火箭基础上改进而来,主要用于向地球同步轨道发射卫星,同时也可执行近地轨道发射任务。GSLV由固体一子级、液体二子级、低温上面级等三级构成,并在一子级周围捆绑了4枚液体助推器,地球同步转移轨道运载能力约为2吨。 [19]

美国轨道科学公司研制的一种空射型运载火箭。它是世界上唯一投入使用的空射运载火箭,主要用于将小型卫星送入近地轨道,进行微重力实验、材料试验、通信、定位、地球资源探测或完成其他特殊任务。它具有较大的军用潜力,适合于战时发射小卫星,也可用来运送武器弹药,使军事指挥员拥有攻击地球上任何目标的能力。飞马座运载火箭包括标准型和加长型(飞马座XL)两个型号,均为三级固体运载火箭,采用端羟基聚丁二烯推进剂。标准型飞马座全长15.5米,直径1.27米,翼展6.7米,起飞质量18.886吨,起飞推力498.2千牛,近地轨道运载能力375千克,1998年停止使用。加长型飞马座XL是在基本型的基础上通过加长一、二级和提高性能发展而来的,全长16.9米,起飞质量23.13吨,近地轨道运载能力443千克。发射标准型飞马座火箭的载机为改装的B-52轰炸机,运载火箭吊挂在机翼下。加长型飞马座XL使用改装的L-1011飞机作载机,火箭吊挂在载机腹部。发射时,火箭由载机携带至预定地点上空投放,自由下落5秒后点火,投放时,飞机高度约11900米,飞行速度0.8马赫。 [20]

在大力神洲际弹道导弹基础上发展起来的运载火箭系列。包括大力神2、大力神3、大力神34和大力神4等运载火箭,主要用于发射军用卫星。大力神2为两级可贮推进剂(混肼/四氧化二氮)火箭,是该系列中最早投入使用的型

号,曾用于发射美国的双子星座飞船、气象卫星和月球探测器。大力神3、34和大力神4均为三级火箭,其中大力神3和大力神34主要用于发射极地轨道军事卫星(侦察)、地球同步轨道卫星(国防通信、预警)以及星际探测器。大力神4火箭于1985年开始研制,在1986年挑战者号航天飞机失事之后,成为发射大型军用卫星的主要运载火箭,承担美国空军地球同步轨道卫星(预警、通信、中继、气象)和近地轨道侦察卫星的发射任务。大力神4系列包括大力神4A、4B两种型号,为芯级加捆绑构型,一、二子级也采用混肼/四氧化二氮推进剂,可以在无上面级的状态下把有效载荷送入近地轨道,也可以使用惯性上面级(IUS)或半人马座上面级,把有效载荷直接送入地球同步轨道,近地轨道运载能力达到21.7吨,地球同步轨道运载能力达到5.7吨。2005年10月,大力神4完成最后一次发射后,被更为廉价、可靠的德尔它4和宇宙神5火箭取代。至此,大力神系列火箭全部退役。 [21]

美国从事火箭探空研究的主要机构有: 美国国家航空航天局(NASA)、陆海空军、能源研究与发展委员会(ERDA)和大学等单位。 据统计,1959-1976年NASA在全球37个发射场(国内24个)发射探空火箭30种1912枚。其中,1968年发射175枚,20世纪70年代中期后,每年发射70-80枚,近年来发射数量仍据世界之首。对于微重力火箭发展有两次重要的火箭发射任务。1971年10月NASA发射 了“空蜂”170A,首次利用探空火箭进行了空间材料加工实验尝试;1972年1月再次发射“黑雁”5C 火箭进行金属熔炼实验。这两枚火箭的发射,证实了利用探空火箭进行微重力科学实验是一条可行的技术途径, 揭开了微重力火箭研制和应用的序幕。20世纪70年代初美国开始利用探空火箭进行空间材料加工实 验。NASA于1974年初制定空间材料加工应用火箭(SPAR)计划,这是世界上第一个微重力火箭研究应用计划。从1975年12月至1981年1月,NASA 共发射9枚 SPAR 火箭,其中6枚成功,2枚失败,1枚局部成功,共进行了49项空间材料科学和加工的实验研究。 随着1989年3月“伙伴”1 号火箭首次成功发射,NASA决定20世纪90年代根据需要每年发射2-4 枚类似火箭,其中大部分为生物技术实验,其他为空间材料科学和加工实验。NASA 著名的火箭探空项目NSROC(NASA SoundingRocket Operations Contract)从1999年开始实施,为其火箭探空研究提供了完整的前期计划、设计、开发、集成、测试、发射和后期分析等工作。 NSROC于2000年8月达到ISO 9000标准,平均每年发射约20次,涵盖了不同的探测高度和科学应用范围。 [22]

日本在火箭探空方面进行了非常广泛的研究,在大气科学、电离层、太阳物理、天体物理以及大气气候和预报方面取得了许多科学成果,并与美、英、法、西德等合作完成了多种类型的火箭实验,进行了独具特色的赤道区高层大气、电离层和天文学的探测研究。1977年日本宇宙开发事业团(NASDA)制定了TT-500A微重力火箭计划。1980年9月至1983年8月共发射了6枚,均用于空间材料加工实验,有19台设备进行了飞行实验,只有约一半的设备获得实验结果。20 世纪80年代后期,NASDA重新制定了微重力火箭研究计划,命名为TR-1A 的微重力火箭于1991年9月首次发射成功,搭载了5种用于空间材料科学研究和加工的实验装置。之后,又制定了继续发射 3 枚TR-1A 微重力火箭计划。2003 年10月,为了提高日本的空间研究水平,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)重组完成,所属ISAS继续用探空火箭等独特的手段提高空间科学研究水平。JAXA 目前使用的探空火箭系列有S-310、S-520 和 SS-520。 [22]

欧洲空间局(ESA)将微重力科学实验研究作为主要任务之一,制定了全面的发展研究计划,包括用探空火箭进行微重力实验研究,1990-1996年间,每年发射1枚长时间探空火箭,4枚短时间探空火箭。在德国政府2001年5月批准的新航天计划中,用于微重力实验的探空火箭为其重要的组成部分。德国的两种朗缪尔探针设备分别于 2002年和 2003年搭载 NASA 的探空火箭上天。探空火箭是德国空间项目中的重要工具,主要涉及空间科学、对地观测、微重力研究和返回技术。2004年10月23日,德国宇航中心(DLR)研制的VSB-30 型火箭试飞成功,它标志着欧洲微重力探空火箭计划的复兴。 [22]

火箭探空是中国发展航天事业的起步项目之一。 中国于1958 年开始发展火箭探空事业,在著名科学家钱学森、赵九章、杨南生、王希季等倡导和领导下创建了火箭探空事业。在研制发射了多种型号的试验研究、试验性探空火箭的基础上,中国的第一枚探空火箭于1960 年9月首次发射。中国最早开展研究和利用的探空火箭是用于气象探测的气象火箭,研制并发射了多种气象火箭,在20世纪发射的约260枚探空火箭中有半数以上为气象火箭,用于中层大气(海拔20~80公里)的大气温度、压力、密度、风速和风向等气象要素的探测,在气象火箭的研究和应用中取得了丰硕的成果。另有一些取样火箭、生物火箭和试验火箭。 [22]

2008 年开始的国家大科学工程“子午工程”的建设由中国科学院牵头,其中由空间中心负责建设实施的探空火箭系统的建设目标是进行海南火箭发射场的改造建设,以适应新的体制和新的探空技术要求,将为火箭探空事业的发展提供有利支撑,是重振中国火箭探空事业的重要一步。“子午工程”的探空火箭系统主要由探空运载火箭、有效载荷舱、地面遥测系统、地面数据处理系统和地面发射支持保障系统组成。其目标是在海南建成探空火箭探测和地面联合监测大气和电离层参数的综合探测系统。 联合观测时,探空火箭上的探测设备、电离层观测设备和大气观测设备等同步工作, 其目的是获取全面的200公里以下的空间环境资料,同时进行各个空间层次的耦合效应及应用研究,以期发现新的物理机制和规律。 [22]


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