书城科普读物你一定想知道,航空航天卷
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第7章 运载火箭(1)

火箭是以热气流高速向后喷出,利用产生的反作用力向前运动的喷气推进装置。现代火箭可用做快速远距离运送工具,如作为发射人造卫星、载人飞船、空间站的运载工具以及基载人飞船、空间站的运载工具以及其他飞行器的推助器。

火箭的作用

公元1128年南宋政权建立后,南宋、金和蒙古频繁交战,各方都使用了火器。1161年11月,金国侵略中原时,南宋军队第一次使用丁火箭武器——“霹雳炮”——重挫金军,这是人类历史上第一次在战场上使用火箭武器。

迅速发展

中国古代火箭技术传到欧洲之后,经改进,火箭曾被列为军队的装备。早期的火箭射程近,落点散布大,以后被火炮代替,第一次世界大战后,随着科学技术的不断进步,火箭武器得到迅速发展,并在第二次世界大战中发挥了威力。

火箭技术的应用

现在,火箭武器和空间运载火箭技术发展迅速。各类导弹均已发展到相当完善的程度,已成为现代军队不可缺少的武器装备。此外,在地对地弹道导弹基础上发展起来的运载火箭,已广泛用于发射卫星,载人飞船和其他航天器等。

运载火箭

用于运载航天器的火箭叫做航天运载火箭。航天运载火箭一般由动力系统,控制系统和结构系统组成,有的还加遥测、安全自毁和其他附加系统。

火箭的动力

最初,火箭的动力来自于黑火药黑火药在密闭容器里可以瞬间产生强大的爆发力,这就成为了火箭的推力源。现代火箭燃烧的是固体或液体的化学推进剂。推进剂燃烧产生热气,通过喷口向火箭后部喷出气流。

火箭逃逸系统

火箭逃逸系统是航天员的生命之塔。运载火箭设立了故障检测与处理系统,对飞行中的火箭状态和主要仪器设备的工作情况进行实时监测,如果发现异常情况会发出警报,如果出现危及航天员生命安全的重大故障时,会发出逃逸指令,这时候,航天员便可以安全逃离有故障的火箭了。

逃逸系统是怎么工作的

运载火箭设立了逃逸系统,逃逸系统接收到故障检测与处理系统或指挥控制中心发送的逃逸指令后,启动逃逸发动机实施逃逸,逃逸后分离掉飞船返回舱,并为其开伞降落创造条件。

实施逃逸

在飞行中,一旦检测出危及航天员生命安全的故障,便立即实施逃逸。逃逸时,逃逸塔上的固体发动机点火工作,产生强大的推进力,通过一部分整流罩将航天员乘坐的返回舱连同轨道舱一并迅速脱离故障火箭,整流罩上的4块栅格状板展开,与整流罩成垂直状态以气动力使整个逃逸飞行器稳定飞行。

抛弃逃逸塔

起飞时,芯级和助推器共8台发动机点火工作,飞行到一定高度时,将逃逸塔抛弃,助推器推进剂使用完毕,助推器发动机关机,4枚助推器分离,芯级继续推进。

成功的空中逃逸事件

1975年4月5日苏联发射载有两两名航天员的联盟18AE飞船,准备与礼炮4号太空站对接。正值火箭上升到144千米高空时,因火箭制导系统发生故障,产生翻滚,并偏离预定飞行轨道。地面拉制中心发出逃逸指令,飞船在逃逸发动机强大推力作用下迅速脱离故障火箭,之后,返回舱在西伯利亚西部的阿尔泰斯克附近山区着陆,降落伞挂在树上,航天员安然无恙。这是载人航天以来,第一次逃逸救生。

美国的运载火箭

美国是最早发展运载火箭的国家之一。自从把第一颗人造卫星探险者号送上太空飞行后,美国打开并开辟了征服太空的新纪元,自20世纪50年代起美国陆续研制了雷神系列、宇宙神系列、德尔它系列、大力神系列、大篷车系列等几十种运载火箭,目前仍然存使用的主力运载火箭是德尔它系列运载火箭。

雷神号运载火箭

雷神号运载火箭是美国早期运载火箭,它在经过一系列改进后形成了两级和三级多种型号的地球低轨道运载火箭,主要用来发射早期的航天器和军用卫星,也发射一些科学实验卫星和应用卫星雷神号系列运载火箭全长21~33米最大直径均为2.44米,起飞质量49~91吨,起飞推进力677~1485千牛运载能力91千克~2吨。从19明年以来发射400多次,现已不常用。

大力神号运载火箭

大力神号系列运载火箭由大力神2号系列、大力神3号系列和大力神4号系列共3个系列共6种型号构成,有二级和三级两种状态。美国双子星座号载人飞船就是最早使用大力神2号系列二级状态运载火箭发射成功的。至今,大力神系列火箭已有150多次发射记录。它主要发射各种军用卫星,也发射了太阳神号、海盗号、旅行者号等行星和行星际探测器。

德尔它号运载火箭

德尔它号运载火箭是美国使用最频繁的运载火箭,1960年5月首次发射以来,先后发射了先驱者号探测器、泰罗斯气象卫星、云雨号卫星、辛康号卫星国际通信卫星Ⅱ号与Ⅲ号等,德尔它号系列运载火箭发展至今已有4类40多个型号,大都是三级运载火箭。

日本的运载火箭

日本的航天技术在亚洲甚至世界界都处于领先地他。20世纪60年代,日本开始研究发展运载火箭,先研制了L系列运载火箭,并于1972年用其发射了日本第一颗卫星。而后陆续研制M系列、N系列和H系列等10余种运载火箭。其中,L系列和M系列运载火箭全部使用固体推进剂发动机,目前仍在使用的有H系列中的H-2运载火箭等。

M系列运载火箭

M运载火箭是日本最早开发的地球低轨道运载火箭,这一类主要用于发射科学研究卫星和空间探测器,后来经过两个阶段的发展,M运载火箭形成了个系列,它的低轨道运载能力由最初的180千克发展到约2000千克。这一系列的运载火箭主要有三级和四级两种,全部使用固体推进剂发动机,尚在使用的有M352型和Ms型等。

N系列运载火箭

日本在目进美国德尔它运载火箭技术的基础上经过研制改造成N系列运载火箭,这系列中主要有N-1和N-2两种型号,它们均为三级火箭,1975年,N-1型火箭开始用于航天发射,但1982年停止了使用。N一2型火箭于1981年开始发射,1987年也停止了使用。

H系列运载火箭

H系列运载火箭分H-1和H-两种型号,H-1于1988年投入使用,1990年停止使用。H一2型是日本自行研制的运载火箭,是种二级火箭,全长50米,最大直径7.6米,起飞质量270吨,起飞推进力4050千牛,它的低轨道运载能力为10000千克,高轨道为38000千克。它的助推器都是使用固体发动机,而一级和二级使用液氧和液氢推进剂。H-2是日本当今的大型主力运载火箭,主要承担高轨道卫星的发射任务。

俄罗斯的运载火箭

苏联是世界上最早发展运载火箭的国家。自20世纪50年代起,陆续研制了东山号系列、联盟号系列、质子号、卫星号系列等十几种运载火箭,其中,使用最频繁的是联盟号系列运载火箭和质子号系列运载火箭,至今这两种系列运载火箭仍然承担着主要的运载任务。

东方号运载火箭

俄罗斯东方号系列运载火箭是世界上第一种载人航天运载火箭,它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,第一艘载人飞船,第一艘无人载货飞船进步号等,它也是世界上发射次数最多的运载火箭系列。至1980年,东方号火箭总共发射了85个航天器,其中包括5艘载人飞船。

能源号运载火箭

能源号运载火箭为重型通用运载火箭,设计目标是应用于载人与不载人航天器、军用与民用航天器的广泛领域。能源号运载火箭只使用过两次,第二次发射将暴风雪号航天飞机轨道器送入太空。

联盟号运载火箭

联盟号运载火箭是两级半运载火箭,由两级构成的芯级和4台助推器组成全长49.52米,起飞质量310吨,底部最大直径10.3米,使用液氧和煤油推进剂,起飞推进力4002.5千牛,地球轨道运载能力7.2吨。芯级二级较东方号运载火箭有了明显改进,长度增加到8.1米,直径达2.66米。

质子号运载火箭

质子号运载火箭在苏联的航天活动中,发射最为频繁,也是目前世界上运载能力最大的火箭之一。共分二级型、三级型和四级型3种型号这系列中三级型火箭从1968年11月16日发射17吨重的质子1号卫星开始使用,后来陆续发射过礼炮号太空站,和平号太空站及国际太空站舱段等航天器。

卫星号运载火箭

卫星号运载火箭奠定了苏联航天运载工具发展的基础。它是用苏联P-7洲际导弹改装的火箭由一枚芯级火箭和4台侧挂助推火箭并联捆绑而成。为了控制航向,火箭另外安装了12台可摆动的小型游标发动机。火箭发射时,5台发动机同时点火工作。在飞行中,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。卫星号运载火箭成功发射了3颗人造卫星。

运载火箭

2009年2月11日,俄罗斯一枚“质子-M”运载火箭搭载。“快船-AM44”及“快船-MDI”通信卫星,从位于哈萨克斯坦境内的拜科努尔发射场顺利升空。“快船-AM44”及“快船-MDI”卫星属新型通信卫星,用于更新俄罗斯现有的通信卫星系统,与之前的卫星相比,该系列卫星输出功率大,设计寿命较长。

天顶号运载火箭

天顶号运载火箭分二级型和三级型两种,二级型全长57米,最大直径3.9米,起飞质量45g吨,起飞推进力7257千牛,使用液氧和煤油推进剂,地球低轨道运载能力13.8吨;三级型全长61.4米,最大直径3.9米,起飞质量466吨,起飞推进力7257千牛。

中国的火箭

中国火箭的研制始于1956年,在中国着名的火箭专家钱学森的主持下,现代火箭的研制取得飞速发展。1964年,中程火箭试飞成功,1970年4月24日,长征1号运载火箭首次发射东方红1号卫星成功。中国航天技术迈出了重要的一步。目前,中国已经拥有了一套较完善的长征运载火箭系列,如长征系列运载火箭已形成5个系列近20个型号的群体,成为中国航天的主力运载上具。

中国第一枚运载火箭

长征1号是中国自行研制的第一枚运载火箭。可以说它是中国进行航天事业的元勋,它的出现奠定了长征系列火箭发展的基础。此火箭主要用于发射近地轨道小型有效载荷。它是三级火箭,火箭全长29.86米,最大直径2.25米,起飞质量81.6吨能把300千克重的卫星送入440千米高的近地轨道。1970年4月24日,东方红1号卫星就是由它送人预定轨道的,从此揭开了中国航天活动的序幕。

长征1号系列运载火箭形成

长征1号的成功研制,为中国最早期的运载火箭奠定了基础,经过多年的努力,长征1号系列运载火箭主要用于发射的有效载荷对象是地球低轨道小型卫星,目前可承担蓬勃发展的小卫星的发射任务。如长征1号D运载火箭在长征1号基础上得以改进现在可以发射各种低轨道卫星。

长征2号系列运载火箭

长征2号系列运载火箭主要有长征2号c、长征2号D、长征2号E等型号,这一系列是中国运载火箭的中坚力量,也是中国运载火箭发展的基石,它承担了中国全部地球低轨道卫星的发射任务,目前仍然在频繁使用。

长征3号系列运载火箭

长征3号系列运载火箭是在长征2号系列运载火箭基础上增加第3级而发展起来的三级运载火箭。由于各型号不同其主要发射任务也不同,一般都要承担地球高轨道卫星的发射任务,主要型号有长征3号A长征3号B长征3号c等。

中国有了大火箭

长征5号运载火箭是研制中的中国新一代运载大火箭,它的研制最终将实现近地轨道运载能力达到25吨,地球同步转移轨道运载能力达到14吨。可发射20吨级长期有人照料的空间站、大型空间望远镜、返回式月球探测器、深空探测器、超重型应用卫星等。这将大大提升了中国的航天运载能力,将使中国航天能力提升到一个新的阶段。

长征4号系列运载火箭

长征4号系列运载火箭在风暴号的基础上,主要是增加了第三级,构成了三级运载火箭,主要承担中轨道卫星的发射任务。长征4号系列运载火箭的起始型号是与长征2号运载火箭相近的风暴号运载火箭。风暴号于1972年首次发射后来到1982年就停止使用了。长征4号系列运载火箭主要有长征4号A,长征4号B等。它们主要承担发射太阳同步轨道卫星的任务。

火箭燃料

火箭从点火到直冲云霄仅仅几十秒的时间,带着似乎要撕裂天地的巨响,一头钻入了厚厚的云层,消失得无影无踪。那么,火箭是用什么燃料来产生如此巨大的能量呢?从中国古代的黑火药到今天不断改进的液体推进剂,火箭的燃料发生了翻天覆地的变化。

火箭发动

火箭是依靠火箭发动机向前推进的,其最大特点是:自身既带燃料,又带氧化剂,靠氧化剂来助燃,不需要从周围的大气层中获取氧气,所以它不但能在大气层内,也可在大气层之外的宇宙真空中工作。这是任何空气喷气发动机都做不到的,目前发射的人造卫星月球飞船以及各种宇宙飞行器所用的推进装置,都是火箭发动机。

火箭推进剂

人们通常将火箭燃料称做火箭推进剂,所谓推进剂就是燃料(燃烧剂)加氧化剂的台称。现代火箭推进剂主要分固体推进剂和液体推进剂两大类。

火箭的推进方式

火箭的推进方式是直线向上的。高温气体向个方向喷射,火箭向反方向移动,与喷气发动机使用空气中的氧气来燃烧不同,火箭发动机需要自己携带氧气。燃料和氧气装在分隔的舱室内,然后再泵入一个燃烧室混合并燃烧。

固体火箭

依靠固体推进剂的火箭被称为固体火箭。它和液体火箭最大的区别是没有推进剂储存箱。固体火箭的内部充满了固体燃料,在燃料箱的中间有条狭窄的空间,叫燃烧室。在燃烧室内固体推进剂可以从上到下地均匀燃烧从而使燃料产生最大功率。

固体推进剂

火箭的固体推进剂一般只用在第一级火箭上,这种固体的推进剂又可以称为火药。固体火箭的结构相对来说比较简单,当固体推进剂放入火箭之后,可以保存相当长的时间,火箭可以随时点火发射。但是固体燃料会占据火箭内部大量的空间,一旦被点燃,中途无法停下来,燃烧也特别剧烈。

液体推进剂