(3)气象预报火箭
气象火箭,也可以说是探空火箭的一种衍生火箭。它主要用于100千米以下高空的大气常规探测,所获得的高空大气温度、压力、密度、环流、风速等参数,对大气预报、气候变异环境保护和自然灾害的研究具有重要作用。
气象火箭通常是一种小型无控制火箭,一般重数10千克到100多千克,携带的仪器仅重几千克。它探测仪器直接测量大气参数;另一种是在弹道顶点附近从火箭中弹出探测仪器,挂在降落伞上,在下降过程中测量大气参数。这两种方法都是通过仪器上的遥测设备向地面接收站传送探测到的信息资料。第三种是气象火箭在弹道顶点附近抛出充气膨胀的球体,用地面雷达跟踪,测出大气的密度、风速和风向;第四种是火箭在高空弹出金属箔条、化学发光物质等跟踪物,再由地面雷达跟踪物测定高空风和紊流;第五种是从火箭上弹出榴弹,然后靠地面接收站接收榴弹在空中爆炸发出的声波来间接测定温度等参数。
气象火箭应用的一个例子,是快速测定风速的垂直分布,即提供风剖面图。在火箭诞生以前,测量高空风速采用气球,但一个气球只能在一个高度上测量,要迅速取得从地面到高空的风剖面图,气球是无能为力的。火箭出现后,用一种发烟火箭,可在10几秒种内上升到1000米左右的高度。它沿整个飞行路线造成直径近1米的稳定烟柱,并随风移动。在地面离发射点间适当距离而彼此互相垂直的两个位置上安装两部摄影机,就可准确摄录下整个烟柱随风移动的情况,并能迅速理成所要求的数据。这种气象火箭完成测量任务后,可用降落伞回收后再用。另一个例子,是用气象火箭快速收集核爆炸后的云烟样品。其方法是,核爆炸试验前,由飞机载着火箭在适当距离外待命,核爆炸后,飞机飞到指定地区上空用降落伞投下火箭,火箭在适当的高度上自动点火,并垂直向上飞去,沿途收集核云样品,然后用降落伞回收,分析所测得的数据。
中国从1959年开始研制气象火箭,到1971年研制成功4种型号。第一枚气象火箭T-7号,是一种由固体燃料助推器和液体燃料主火箭串联起来的无控制火箭,起飞质量1138千克,飞行高度约60千米,携带气象探测仪器25千克。1960年9月首次发射成功。随着空间探测活动的发展,对气象火箭提出了新的要求,经过一些重要改进,减轻火箭结构重量,提高火箭运载能力,增大助推器的推力,提高火箭的整个飞行速度,研究成功T-7A号气象火箭。T-7A号火箭起飞质量1145千克,总长1032米,主火箭直径045米,助推器直径046米,箭头和箭体在弹道顶点附近分离后分别用降落伞装置进行回收。1963年12月第一枚T-7A号火箭发射成功,火箭携带40千克探测仪器,飞达115千米的高空,提供了丰富的气象资料。
“和平2号”是由两台不同直径的固体燃料发动机与箭头所组成的两级无控制气象火箭。它能将10千克重的综合型气象探测仪器送到60千米以上高空,对中层气象参数(即大气温度、压力和风向、风速)进行综合测量。带有探测仪器的箭头从弹道顶点附近乘降落伞下降,以便使60千米高度处的下降速度符合探测要求,还可保证将箭头仪器安全回收。“和平2号”
配有一套移动式的地面设备,在地面风速小于15千米/秒、温度变化范围为零下30摄氏度的情况下,能可靠地完成发射和探测任务。
“和平6号”为单级固体气象火箭,箭体最大直径为1615毫米。根据探测项目的不同,“和平6号”分为综合型和落球型两种。综合型火箭用以测量大气温度、压力、风速、风向,重量约608千克,可将28千克仪器送至60~80千米高空。落球型火箭用以测量大气密度和风速、风向等,重量约58千克,可将2千克仪器送至70~90千米高空。为满足探测要求,综合型仪器随降落伞一起下降。火箭用活塞式发射装置发射。
“和平6号”综合型气象火箭的跟踪和遥测,由“702”雷达完成。与“702”雷达配套的专用计算机,用以进行数据记录和处理。落球型气象火箭采用“黑龙江”雷达或其他精密雷达测量定位。
(4)微重力火箭
微重力火箭是探空火箭系列中的一种,用于专门的微重力科学研究和技术试验。微重力科学研究范围,包括微重力材料科学和微重力流体科学,并涉及空间生命科学。这种火箭20世纪70年代才开始兴起。
1971年10月,美国发射“空蜂”170A火箭,首次利用火箭进行空间材料加工实验。1972年1月发射“黑雁”5C火箭,进行了金属熔炼实验。这两枚火箭是进行微重力科学实验的尝试,揭开了微重力实验火箭研制和应用的序幕。
最近20多年来,各国微重力火箭获得很大的发展。
1974年初,美国宇航局制定空间材料加工应用火箭计划,这是世界上第一个微重力火箭研制应用计划。自1975年12月至1981年1月,共发射9枚空间材料加工应用火箭,包括6枚“黑雁”5C火箭、3枚“奈克-黑雁”5C火箭,其中6枚成功、1枚局中成功、2枚失败。共完成49项空间材料科学和加工实验研究。黑雁5C火箭长1米,直径04米,箭头重量329千克,飞行高度200千米,微重力实验时间5分钟。1988年起,开始研制“伙伴”号和“杰斯特”号两种微重力火箭。1989年3月29日“伙伴”1号火箭首次发射成功。“伙伴”1号火箭长155米,直径0438米,箭头重量445千克,飞行高度300千米。到1991年11月又发射4枚,其中3枚成功,共进行了33项实验,包括10项生物技术实验。1991年6月“杰斯特”号火箭首次发射,飞行高度640千米,因控制系统故障飞行失败。
前苏联于1976年3月首次用“和平”号探空火箭开展空间材料加工实验研究,微重力实验时间长达10分钟。苏联的微重力火箭发射从未间断,平均每年1~2次。从1976年至1982年,完成约140项空间材料科学加工实验。德国于1976年制订微重力环境下的技术实验计划。自1977年12月至1984年5月发射10枚微重力火箭,进行了100项实验研究、40项新工艺研究,考核了15台微重力实验设备,获得180件微重力实验样品。从1985年到1991年又发射18枚微重力火箭。日本也十分重视研制微重力火箭,1977年日本宇宙开发事业团制定了TT-500A微重力火箭计划。从1978年9月到1983年8月发射6枚微重力火箭,全用作进行空间材料加工实验。1991年9月16日首次发射TR-1A火获得成功。TR-1A火箭长129米,直径011米,箭头重量1500千克,飞行高度290千米,微重力实验时间6分钟。火箭上安装有5种空间材料科学和加工实验装置,欧空局于1991年5月8日首次发射一枚微重力火箭,包括5项空间材料加工和流体科学实验。在1992年至1996年之间,每年发射1枚长时间微重力实火箭、4枚短时间微重力火箭。
探空火箭技术成熟,可靠性高,灵活性好,是进行微重力科学实验的有效工具。这种属探空火箭的微重力火箭的主要技术指标是箭头质量、微重力实验时间和微重力值。箭头质量在70年代一般为350千克左右,80年代后期为390-455千克,90年代达到1500千克。微重力实验时间,短时间微重力火箭为5~7分钟,由于研制费用较低,成为实验研究的主要手段;长时间微重力火箭为14~15分钟。由于飞行高度在800千米以上,箭头质量大,因而火箭关键技术多,成本增加,发射数量也少。微重力值比航天飞机和空间站的稳定,这是进行实验研究的有利条件,可以重现实验现象和结果,更易于找到微重力环境下事物的发展规律。
因此,即使今天航天飞机和空间站已占据许多航天实验领域,但微重力火箭仍显示了它的优越性,有它存在和发展的价值。
四、未来的火箭
(1)原子能推进火箭
化学燃料火箭发动机,必须携带燃料和氧气剂(土星-5号,有两种燃料;汽油和液氢)。两种液体混合起来燃烧,高温气体就从喷口里喷出来。喷出的气体越多,喷射速度越大,火箭就飞得越快。