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3章 高空中的神鹰——火箭(3)

气体增压就是用自身携带的高压气体,通过限流、减压给贮箱增压;自生增压就是用少量的推进剂通过换热器使之蒸发成气体后,引入到贮箱中给贮箱增压,或者利用涡轮泵组工作产生的废气经冷却后,引入贮箱给贮箱增压;化学增压就是指当火箭采用自燃推进剂(指氧化剂和燃烧剂一接触就自行燃烧)时,把少量的一种推进剂引入另一种推进剂贮箱内,通过自燃产生气体,达到给贮箱增压的目的。

以上三种增压方式,第一种技术使用起来最简单,但需要自带大量气体和贮气瓶,从而增大火箭的结构质量;第二种与使用的推进剂有关,不需要大量的气体和贮气瓶,结构质量较轻,目前在大型运载火箭上使用的比较多;从理论上讲第三种结构质量最轻,但要求的技术比较复杂,而且安全性不容易保证,为此,目前在大型火箭上应用的仍然比较少。

(3)控制系统

用来控制运载火箭沿预定的轨道正常飞行的箭体设备。具体地讲,其功能是:通过控制系统中的惯性测量装置、计算机、执行机构、时序装置和供配电系统以及飞行软件等来测算运载火箭飞行中的运动状态参数,根据测算出的、确定的飞行状态参数发出制导信号,来控制火箭沿预定轨道飞行;在飞行过程中根据飞行状态和预飞行程序控制要求,发出控制信号并对火箭姿态进行控制;根据预定的时间程序发出时序指令,然后将指令传输给执行机构,通过此种方式控制火箭。

控制系统按其制导体制,可分为自主式制导和复合式制导两类。

这里所说的自主式制导,也就是纯惯性制导。它是利用火箭上的惯性测量装置和与之相配套的其他设备,完成导航、制导和姿态控制任务。也就是说,火箭离开发射台升空后,不需要任何外来信息,仅仅依靠自身测得的信息和预先装定的信息就能够完成对火箭的制导与控制。

复合式制导是在惯性制导的基础上,与其他制导方式相结合。比如,无线电制导或星光制导等,从而实现火箭的制导和控制。

控制系统主要由以下分系统组成:

①制导系统:制导系统的作用是测量和计算火箭在飞行中的位置、速度、加速度、航程等参数并与预先装定的参数进行比较,按预定规律形成制导指令,通过导引信号控制火箭,使之沿着一定的轨道飞行;当火箭飞行达到预定的关机条件(速度、位置、弹道倾角等)时,发出关机指令,从而使航天器准确入轨。

②姿态控制系统:姿态控制系统是控制火箭的姿态运动、实现预定的飞行程序、执行制导要求和克服各种干扰影响,保证火箭的姿态角稳定在允许的范围之内。

姿态控制的目的是控制和稳定火箭绕其质心运动。

③时序系统:火箭在飞行过程中,往往是按照预定的时间程序进行的。比如,起飞后不久的程序转弯、助推器分离、下面级的关机、上面级的启动、整流罩分离、航天器与火箭的分离等等。

从火箭开始点火到送航天器入轨这段时间内,会有几十个甚至几百个时间指令,这些指令都是由时序系统准确提供的。时序系统由时序指令产生器、时序信号分配器和功率放大电路组成。

④电源配电系统:大多数情况下,控制系统仪器设备都是电气设备,而且要求的供电形式也有所不同,这就需要电源配电系统为飞行中的控制系统设备提供电源,并对其供电进行控制、分配,还要负责各设备之间的一些信号传输。

电源配电系统包括一次电源(如电池)、二次电池(如换流器、高频电机)、主配电器、程序配电器以及电缆网等。

⑤伺服系统:从自动控制工作原理上讲,自动控制主要由三个环节构成,即测量、变换、计算和执行。

因此自动控制系统的设备也主要由三大部分组成,即测量装置、变换与计算装置和执行机构。其中的执行机构部分也就是我们这里所要说的伺服系统。伺服系统在接到姿控或制导指令后,就会操纵姿控动力源产生控制力,从而使助推发动机(或发动机喷管)产生横向力。伺服系统还可以分配姿控发动机喷管的启动或关闭,使之产生姿控力或力矩,以达到控制火箭飞行姿态的目的。

伺服系统按分系统中信号和能量传递介质的形式可分为:电动伺服系统,电液伺服系统和燃气伺服系统等。

电液伺服系统是指系统的低功率部分(即信号的综合和处理)是采用电子元件来承担的。而系统的高功率部分(即控制作用的功率放大、传递及输出)则采用液压元件(如作动筒)来完成。该系统主要由动力装置(如电动泵、燃气涡轮泵等)、液压油源回路和伺服控制回路三部分组成。一般而言,助推发动机的摆动大都采用此类伺服系统。

电动伺服系统的能量不是通过液体或气体转换来传递,而是通过电机或电器将电能直接转换成机械能来驱动控制动力机构。

燃气伺服系统是用高温高压燃气,通过某种装置,例如推力喷管、涡轮及螺杆机构、叶片发动机等,将燃气的能量直接转换成机械能来驱动控制动力机构。

⑥安全自毁系统,火箭在设计和生产过程中,专家对其可靠性和安全性极其关注,同时还采取了许多提高可靠性的措施,但是火箭的工作可靠性不可能做到百分之百。火箭在飞行中,特别是在研制初期的飞行中,出故障是不可避免的。为了避免火箭在飞行中出现故障,工作人员专门在火箭上设计了一套安全自毁系统,一旦火箭出现故障,就会在空中自毁,以减少带给地面的损害。安全自毁有两种方式:一种是自主式安全自毁,另一种是无线安全自毁。

自主式安全自毁,是当火箭上的安全自毁设备已经判断出火箭出现故障不能继续正常飞行时,自动给出自毁指令,将火箭炸毁;无线安全自毁,是当地面无线电跟踪测量设备发现火箭偏离预定飞行轨道且经过多次修正无效时,由地面安全指挥官发出无线自毁指令,引爆箭上的爆炸装置,将火箭炸毁。

安全自毁系统主要由引爆控制器、引爆器、爆炸器及电源等组成,如果是无线自毁系统还应有指令接收机等。

⑦初始定向系统是在火箭起飞之前为箭上的惯性测量系统提供初始基准的设备。具体来讲:一是调平,就是使箭上惯性器件(如陀螺平台)处于水平状态,换言之,就是陀螺平台的水平轴与发射点和地心连线相垂直;二是定向,俗称瞄准,也就是使惯性器件的X轴与发射坐标系的X轴重合,通过瞄准,使火箭在发射轨道平面内飞行。

⑧遥测系统,对运载火箭飞行中各系统的工作参数及环境参数进行测量,通过运载火箭上的无线电发射机将测得的这些参数,输送给地面设备接收,用接收到的测量参数实时了解火箭上各系统的工作情况,预报航天器入轨时的轨道参数。此外,还可用来鉴定火箭的性能。一旦火箭在飞行中出现故障,这些参数也可以当作分析故障原因的依据。虽然该系统对火箭发射的成败不构成直接影响,但它也是发射过程中不可缺少的一部分。

遥测系统包括箭上部分和地面部分,二者必须配套使用才能完成测量任务。

箭上部分由三部分组成,即:测量元件-各种类型的传感器,比如用来测量压力的压力传感器、测量振动的振动传感器等;变换装置-各种变换器等,它是把传感器测得的各种信号,转变成遥测发射机可以发射的电信号或编码;发射设备-遥测发射机和发射天线,它是把变换器输出的电信号或编码发送到地面接收设备。

地面部分也由三部分组成,即:接收设备-用以接收从箭上发射机发回的信号;解调设备-是将接收到的电信号或编码,经过解调还原成原来的信号;数据处理设备-即将解调后信号进行处理,最后给出所需要的工作参数。

⑨外弹道测量系统,利用地面上的测量设备和箭上对应的装置相配合,同时对飞行中的火箭进行追踪,并测量其飞行轨道参数。

比如,火箭飞行中的位置、弹道倾角、飞行速度、加速度等。此外,还可用来预报航天器入轨时的轨道参数和鉴定火箭制导系统的精度,当火箭飞行故障发生时也可以作为故障分析的依据。

外弹道测量一般分为两类:光学测量和无线电测量。

光学测量是通过地面上的光学经纬仪拍摄火箭飞行中的画面,并根据每个画面拍摄所需要的时间、拍摄时经纬仪的高低角、方位角,来确定火箭的瞬时位置,再经过计算处理,还可确定其他外弹道参数。如,飞行速度、加速度等。

无线电测量,有时也称雷达测量,就是通过地面上的雷达设备和箭上的相应装备,利用雷达波来测量火箭飞行瞬间的外弹道参数。

外弹道测量系统的箭上设备包括信标机、应答机以及相应的供电设备和天线等;外弹道测量系统的地面设备包括雷达及相应的引导设备、光学经纬仪以及与之相应的引导设备等。