书城自然科学探究式科普丛书-探索宇宙的助跑器:火箭
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第12章 火箭趣味小知识——有问必答(3)

当然,不同类型、不同运载能力以及不同国家、不同运载火箭,发射一次的总成本也不尽相同。通常情况下,小型运载火箭发射一次大约需要2000万~3000万美元;中型运载火箭发射一次大约需要6000万~15000万美元;大型运载火箭发射一次大约需要2亿美元。由于各国运载火箭研制、发射和人力资源成本不同,发射同类火箭的成本也会有所不同,美国运载火箭发射成本远远超过中国、欧洲空间站和俄罗斯,例如“大力神Ⅳ”火箭发射一次的总成本高达3.5亿美元。

3.液体火箭主要都采用哪些推进剂

在早期的液体火箭研制过程中,科学家和工程师们不断探索大量液体推进剂组合,对各类氧化剂、燃料进行研究与试验,逐渐摸索出不同推进剂的性能,包括价格、能量、比冲、沸点、毒性、燃烧稳定性、环境友好性等。经过不断对比和淘汰,目前还能使用的液体推进剂组合已经很少了。

目前,运载火箭大多采用多级,而各级所采用的推进剂也不相同,这主要是由各级火箭的不同特点、要求、发动机技术难度以及推进剂自身的特点决定的。一般来讲,运载火箭的第一级、第二级多采用液氧和煤油或四氧化二氮和混肼作为推进剂。这类推进剂能量较高,产生的推力较大,使用起来比较方便,成本也比较低,所以非常适合作为下面级发动机的推进剂。末级火箭担负着把有效载荷送入太空的最后重任,而且质量要比完整的总火箭低得多,为了尽可能提高有效载荷的质量,一般多采用高能的液氧和液氢作为推进剂。

液氢、液氧推进剂是目前使用的液体推进剂中能量最高的一种,它具有重量轻、比冲大、控制简易等特点,可大大降低末级火箭的质量比,从而有效提高火箭运载能力。当然,我们所说的这些都是一般情况。运载火箭五花八门,各级推进剂的使用也有许多例外,例如有的火箭末级采用常规的推进剂。

4.大型运载火箭为什么多采用捆绑式结构

随着科学家和工程师们对运载火箭不断探索和研究,越来越多的大型运载火箭被研制出来。而那些大型运载火箭几乎无一例外地都采用多级结构,少的有二级,多的达到五级。

多级火箭的级与级之间连接型一般有以下几种:串联型、并联型(俗称“捆绑式”)和串并联混合型。串联型多级火箭级与级之间的连接分离机构简单,但串联后火箭较长、火箭的长细比(长度与直径之比)大,这会给设计带来一定的困难。而且发射时,这种火箭竖起来后太高,给发射操作也会带来不便。另外,其上面级的火箭发动机要在高空点火,因此点火的可靠性差。并联型多级火箭采用横向捆绑式连接,连接分离机构稍微有一点复杂,但其中间芯级火箭采用横向捆绑的发动机,可在地面同时点火,这样就避免了高空点火问题,点火的可靠性高;而且采用捆绑式结构能够大大提高起飞推力,有利于提高火箭运载的能力。捆绑助推器降低了火箭总高度,使得组装、测试、运输都比较方便;重心偏低,易于控制,受风的影响也较小。因此,目前的大型运载火箭非常广泛地采用捆绑式结构。当然,单纯的多级并联方式实际上相当于单级火箭,很难达到宇宙速度。因此,实用的大型运载火箭多采用串联和并联(捆绑)相结合的混合模式。苏联发射世界上第一颗人造地球卫星时使用的“卫星号”运载火箭,就是在中间芯级火箭的周围又捆绑了4枚火箭。这4枚捆上去的火箭习惯上又称“助推器”,助推器与芯级火箭在地面一起点火,但工作一定时间后关机,然后与芯级火箭分离并被抛掉。因为助推器是在第一级火箭飞行的半路上关机,所以只能算是半级火箭。中国的“长征2号E”运载火箭就是一枚串并联混合型的两级半火箭,其第一级火箭周围捆绑了4枚助推器,在第一级火箭上面又串联了一枚二级火箭;美国的“宇宙神”、“德尔塔”和“大力神”的新型号,欧洲的“阿丽亚娜4”和“阿丽亚娜5”以及日本的H2也都是串并联混合型的火箭。

5.导弹可以改成运载火箭吗

研制导弹与运载火箭的基本技术几乎相同,因此弹道导弹特别是多级洲际导弹完全可以改成运载火箭,这在航天大国已有多年的成功经验。将导弹改成运载火箭,一般不需要做很大的改动,只要进行一些适当修改,如提高零部件的可靠性、增加关键部件的备份、调整火箭发动机的工作状态、增加卫星整流罩等。这类改进工作一般不是很复杂,所以将导弹改装成运载火箭不但可以大大节约成本和时间,而且还能提高火箭的可靠性。中国“长征”系列运载火箭就是在中远程导弹和洲际导弹的基础上发展而来的;“长征1号”是在中远程导弹基础上加装第三级研制的;“长征2号”则是在洲际导弹的基础上改制的。以“长征2号”为基础,中国逐步形成了“长征”系列运载火箭。美国的“德尔塔”系列、“宇宙神”系列和“大力神”系列,俄罗斯的“联盟”系列、“旋风”系列、“天顶”系列和“宇宙”系列等运载火箭也都是由弹道导弹改装、发展而来的。

6.为什么说“长征2号”是“长征”系列火箭的灵魂

在“长征”系列运载火箭中,“长征2号”的地位极其重要。

自1974年以来,“长征2号”已发射了20颗遥感卫星,发射成功率很高。1986年和1987年,我国曾先后两次用它为法国和德国进行空间微重力载荷搭载服务;1992年10月,我国利用它发射了瑞典的第一颗人造卫星。“长征2号”为中国航天事业的发展立下了汗马功劳,为我国的航天事业增添了光彩。后来研制的多种运载火箭都是以它为基础并且采用了它的基本结构:“长征3号”是以此为基础,通过加装第三级液氢液氧发动机而制成的;“长征4号”是在它的基础上,通过加装常规第三级发动机而制成的;“长征2号E”是在它的基础上,通过运用捆绑技术、安装助推器而制成;“长征2F”又是在“长征2E”的基础上研制成功的。正由于此,我们才可以说“长征2号”是中国运载火箭的核心型号,是“长征”系列火箭的灵魂,它在中国航天事业的发展中占有举足轻重的地位。

7.欧洲“阿丽亚娜”火箭为什么能取得巨大成功

欧洲空间局研制的“阿丽亚娜”系列火箭是世界航天史上的一项杰作,同时也是航天技术国际合作的一个成功范例,其成功经验很值得借鉴。

从1979年“阿丽亚娜1号”火箭首次发射成功后,欧洲空间局先后研制了1型、2型、3型和4型火箭,每一种新型号在继承前者成就的基础上大力创新,不仅大大提高了性能和可靠性,而且还建立了良好的国际声誉。最初,美国根本瞧不起“阿丽亚娜1号”火箭,但随着“阿丽亚娜”4型火箭的出现并成功发射后,欧空局迅速占领了原属于美国的航天发射市场。20世纪末,当“阿丽亚娜”5型火箭被研制成功后,它以极大的运载能力和高可靠性进一步对美国构成了威胁。“阿丽亚娜”系列火箭在商业上取得的巨大成功,原因是多方面的。在战略上,欧洲空间局一贯强调独立自主的研制风格,在摆脱对美国的依靠之后又同美国展开了竞争;在预测上,欧空局通过认真研究航天事业的发展和应用,预见到航天发射市场还蕴藏着巨大潜力;在管理上,欧空局采取一国为主、多国协作的研制政策,既加强了统一领导,又发挥了各国的优势;在技术上,欧空局一直采取从低起点开始逐步改进,逐渐减少风险的研制方针。实践证明,这一方针是行之有效的,有着许多优点;在总目标上,欧空局始终强调高水准、低成本、高可靠性和适应性;在市场竞争上,欧空局采取了相当灵活的政策。例如,新火箭在前几次发射时,对搭载的载荷只收取很少部分的费用,对欧洲以外的收费标准也较低。这些都是“阿丽亚娜”系列运载火箭取得成功的经验。

由此可见,“阿丽亚娜”火箭能够取得成功不仅取决于技术上的日趋成熟,同时也取决于灵活多变的国家政策。

8.如何判断飞船是否按“预定轨道”飞行

要判断飞船是否按预定轨道飞行,首先,我们要为理论轨道设计一个误差带。设计的误差带的大小主要由发射飞船的运载火箭入轨的偏差、测量与控制偏差、天文及物理常数偏差、大气及天体摄动等因素所决定。理论轨道就像公路中间的分界线,只是一条线,误差带就像公路两边的路面,这样就使理论轨道周边有了空间,以理论轨道为轴心,从而形成了一个通道。这样理论轨道加误差带这才是真正的“预定轨道”。飞船轨迹落在这个通道内,就能准确判定飞船是按照“预定轨道”飞行。其次,描述理论轨道及飞船飞行轨迹的参数较多,最直观的描述参数是:地理经度、地理纬度、速度大小、速度方位角、地面高度、速度倾角6个参数。因而理论轨道的误差带实际上也是由这6个参数的误差带组成。只有在飞行轨迹的6个参数值均落在理论轨道相应点的对应参数误差带之内,人们才能最后判定飞船是在按“预定轨道”进行飞行。

在整个飞船飞行过程中,确定飞船的运行轨迹,主要靠地面测控站和海上测控船组成的多个测控网,通过地面雷达进行跟踪目标。

根据雷达所测定的飞船运行到某个点的斜向距离、目标方位及仰角可确定目标的位置,便可得到两点间的速度大小、速度方位角和速度倾斜角这3个参数。不断跟踪连续测量,便可得出在该跟踪时段的飞船运行轨迹,将这些轨迹与预定轨道相比,就可以知道飞船此时是否按“预定轨道”飞行了。

9.发射载人飞船的火箭为什么要求特别高

发射载人飞船的火箭和发射非载人飞船的火箭相比,要求要高得多,这是因为要尽可能保证参加航天飞行的航天员的安全。发射一般的无人航天器,即使发射失败,造成的损失最主要的也是经济上的,而发射载人飞船,如果发射失败,就会导致人员伤亡,造成的损失是无法用经济来衡量的,有时甚至会导致整个计划的夭折。

因此高可靠、高安全、高质量,是用于载人航天的运载火箭与普通商用火箭最大的不同之处。从历史的情况看,苏、美等国用于发射载人飞船的火箭一般都不是专门研制的,而是在洲际导弹或其他类型火箭的基础上改进而来的。