书城工业技术航天航空小百科-航天时代的奇迹
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第8章 世界各国火箭巡礼(3)

3.)“能源”号火箭

1987年5月15日,前苏联发射一枚世界上最大的运载火箭。它的第一级按计划应该落在前苏联领土上,但是由于模拟有效运载荷上的系统发生故障,随第二级坠落太平洋中。这次发射基本成功,证明方案正确,芯级和助推器工作正常,只是第二级未能将大约100吨的模拟载荷送入轨道。这就是“能源”号超级运载火箭。能源号1988年7月30日,它的总设计师鲍·伊·古巴诺夫透露了“能源”号火箭的一些细节:火箭总长60米,总重2400吨,起飞推力3500吨,能把100吨的有效载荷送入近地轨道。如果加上第三级,则可把18吨的有效载荷送入地球静止轨道。

这是前苏联“能源”科学生产联合体的一项杰出成就。20世纪70年代就开始设计,作为发射航天飞机计划的重要部分。“能源”号是两级运载火箭。第一级捆绑4个液体助推器,高39米,直径4米,每个助推器上装一台PA-170液体火箭发动机,推进剂为液氧和煤油,在地面的推力为740吨;第二级为直径8米的芯级,由4台液氧液氢发动机组成,地面推力为148吨。发射时,第一二级发动机同时点火,到达64千米高度时,助推器工作完成,由地面控制其成对地脱离芯级火箭加以回收,经维修能重复使用50次;芯级火箭继续把有效载荷送上200千米左右的地球轨道,然后火箭第二级落于太平洋的预定海域。

“能源”号火箭的设计要求,首先是要具有发射大型不载人航天飞机的能力,其近地轨道的运载能力为1054吨。火箭上包含所有推进系统部件。其次是具有发射重量为10至20吨有效载荷的能力,故采用积木式方案,捆绑的助推器可单独使用,运载能力大幅度提高。第三是具有全方位发射能力,第一级坠落在安全地区,可回收再次使用。总设计师古巴诺夫强调“能源”号采取了设计冗余度原则,对一些关键设备和重要装置设计了备份,同时利用计算机进行过500次各种故障试验,借助200种实验装置对火箭整体和组件进行过6500多次试验,对全尺寸实物模型进行了5次试验,这就提高了火箭的可靠性。特别是这种火箭还装有故障防护设备,能控制两级火箭发动机的工作状态,在发现工作异常时,立即将失灵部件断开,甚至在第一级或第二级中的一台发动机发生意外故障停机时,火箭仍可继续有控制的飞行。

1988年11月15日,“能源”号火箭首次成功地将“暴风雪”号航天飞机送上了亚轨道高度,在160千米的高空启动航天飞机上的发动机,把“暴风雪”号航天飞机助推到入轨速度,然后机上发动机再次启动,将“暴风雪”号送入250千米的圆形轨道。“能源”号火箭首开记录,完成了一次历史性的航天飞行。

“能源”号运载火箭若要把有效载荷送上高地球轨道或逃逸轨道,还必须根据飞行的不同任务,加一个不相同的上面级。这些上面级装在一种通用的货舱容器内,容器长42米,直径67米。这样组成的“能源”号火箭具有很高的发射能力,它的同步轨道运载能力可达18吨,月球轨道的运载能力为32吨,火星和金星轨道的运载能力为28吨。因此,“能源”号火箭的主要用途,是将来用于发射空间太阳能电站、永久性空间站、载入航天飞机以及各种行星探测器。

三、美国运载火箭

1.)“雷神”系列火箭

世界上许多运载火箭是由导弹改装而成的,美国的“雷神”运载火箭是早期比较典型的例子。美国1955年12月开始研制“雷神”地中程导弹,3年后即投入批量生产,1959年10月装备部队。1963年4月退役后,即被改作运载火箭第一级,再加上各种型号的第二级,组成不同用途的“雷神”航天运载火箭。

“雷神”导弹长198米,直径244米,弹头重量18吨,采用一台LR-70主发动机和两台游动发动机,推力为667千牛,起飞质量499吨,射程为2400至3200千米。利用这种导弹作基础,下部捆绑固体助推器,顶部串接不同的上面级,先后研制出20多个型号,形成一个比较完整的运载火箭系列。其中主要的有6种类型。

“雷神—阿金纳”型系两级运载火箭。第一级为“雷神”火箭或再在底部捆绑3个“卡斯托尔”固体助推器;第二级为“阿金纳”A(B、D)火箭。后期使用的“雷神—阿金纳”D火箭,进入500千米高空轨道的有效载荷为1吨,起飞质量为100吨。火箭本身长30米,直径24米,采用无线电惯性制导系统。这种火箭主要用于发射发现者号卫星。1959年至1972年间,共发射184次,其中164成功。

“雷神—牵牛星”型系两级运载火箭。第二级安装一台“牵牛星”固体火箭发动机,其中“牵牛星”3A发动机质量为301千克,推进剂重275千克,长051米,真空推力27千牛,工作时间28秒。火箭本身长25米,直径24米,采用惯性制导系统。1965年到1966年,发射6颗小型军用卫星,其中5次获得成功。“雷神一博纳”型系两级运载火箭。第二级采用博纳2火箭,箭长25米,直径24米,发射质量50吨,能够将500千克的有效载荷送上800千米的高空轨道。1966年至1988年间,发射小型军用卫星25次,多数成功。

“雷神一德尔塔”型系三级运载火箭。第二级为“德尔塔”火箭,发射质量613吨,长59米,直径14米,推进剂用硝酸和偏二四甲肼;第三级安装一台固体火箭发动机。“雷神一德尓塔”火箭全长354米,直径24米,发射质量为1935吨,采用无线电惯性制导系统,同步转移轨道的运载能力为950千克。它主要用于发射科学卫星,后期主要用来发射静止轨道卫星。1960年至1983年,发射170多次,约150次成功。它先后发射过探险者号卫星、先驱者号探测器等。其中,1961年7月10日,用它发射的卫星1号,实现了横跨大西洋的首次电视转播;1963年7月26日,发射世界上第一颗地球同步轨道通信卫星“辛康2号”成功。

“雷神一艾布尔”型系三级运载火箭。第二级采用艾布尔液体火箭,长45米,直径14米,重38吨,发动机真空推力36千牛,工作时间300秒;第三级安装一台固体火箭发动机,推力13千牛,工作时间40秒。火箭全长25米,直径24米,发射质量50吨,采用无线电惯性制导系统,能将100千克的有效载荷送入500千米的高空轨道。1958年至1960年间,发射7次,4次成功。1960年4月1日,发射成功世界上第一颗气象卫星泰罗斯1号。它还用来发射过第一批“探险者”号卫星和第一代“先驱者”号探测器。

这种以“雷神”中远程导弹改装的系列运载火箭,在航天技术发展初期显示了很大的优越性,在发射小型军用卫星中立下赫赫战功。

2.)“宇宙神”系列火箭

“宇宙神”是美国第一种液体洲际弹道导弹。它有A、B、C、D、E、F共6种类型。其中前3种为试验型,D为训练型,后2种为作战型。1955年1月开始设计研制,1957年6月11日首次飞行试验,因发动机出现故障而失败。从1957年到1962年进行了87次研制飞行试验,29次训练发射试验,1959年9月定型装备部队。

“宇宙神”导弹是一级半结构,弹长25146米,直径305米,射程18万千米,起飞质量约120吨,装有一台巡航发动机和两台起飞发动机,采用液氧和煤油作推进剂,总推力176吨。

作战用的E、F采用惯性制导系统。

1965年后,“宇宙神”洲际导弹被改装用作运载火箭,并与不同的上面级组成“宇宙神”系列运载火箭。

“宇宙神—斯科尔”火箭,实际上是在“宇宙神”导弹的仪器舱内安装两台接收机、两台发射机、无线电信标机、记忆设备和水银电池。1958年12月19日发射升空,进入近地点190千米、远地点1480千米的轨道。它绕地飞行34天后离开轨道坠毁。

“宇宙神—艾比科”火箭,是一种三级火箭。第一级为“宇宙神”D,第二级为“艾比科”

火箭,第三级为固体火箭。采用无线电惯性制导系统。1959年到1960年间发射3次,均未成功。

“宇宙神—阿金纳”D火箭,重129吨,最大有效载荷34吨,曾用来发射过米“达斯号”、“萨莫斯”号侦察卫星和“水手”号、“徘徊者”号探测器。

“宇宙神—半人马座”号火箭,重139吨,最大有效载荷41吨,曾用来发射过“勘测者”号月球探测器。自1962年5月以来,共发射69次。

“宇宙神”各型配上半人马座上面级后,低轨道运载能力为6吨至68吨,同步转移轨道的运载能力为29吨至38吨。

“宇宙神—半人马座”火箭发射国际通信卫星4A号的典型飞行过程是:第一级点火到2分19秒,达到高度80千米时,起飞发动机熄火;4分7秒,达到385千米高度,主发动机熄火,宇宙神级分离;4分19秒,达到425千米高度,“半人马座”发动机第一次点火;4分31秒,有效载荷整流罩分离;10分21秒,“半人马座”级发动机关机,这时高度为2275千米;24分53秒,“半人马座”级发动机第二次点火,高度达8605千米,速度达每秒73千米;26分18秒,“半人马座”级发动机熄火,高度达9245千米;28分33秒,有效载荷分离,进入预定轨道。

“宇宙神”运火箭曾用来发射了世界上第一颗通信卫星、美国第一艘“水星”号载人飞船,以及最早的月球探测器和各种行星际探测器。截至1993年底,“宇宙神”火箭已发射259次,其中成功224次,成功率为865%。2000年前,已安排62次发射,大部分是执行发射军用卫星和商用卫星的任务。

3.)“德尔塔”系列火箭

1960年8月12日,美国第一枚“德尔塔”DM-19火箭首次成功发射一颗62千克重的回声号气球卫星。这种火箭长23米,最大直径244米,起飞质量52吨,起飞推力63吨。截至1992年3月,“德尔塔”火箭发射208次,其中失败12次,具有较高的成功率。

“德尔塔”基本型是三级火箭。第一级为改进型的“雷神”中远程弹道导弹,采用MB型液体火箭发动机,推进剂为酒精和液氧,推力为667-765千牛。第二级采用一台AL-10-118型液体火箭发动机,推进剂是偏二甲肼和硝酸,真空推力为33千牛。第三级采用X-248型固体火箭发动机,真空推力为25千牛。经过30多年的发展,共研制了15种型号,早期的“德尔塔”火箭在结构、性能、载荷能力方面都有很大变化。1960年至1963年,就有三次改型,最大有效载荷由45千克提高到82千克。1964年以后,第一级增大了推力,起飞推力由765千牛增加到1842千牛。

“德尔塔”2914型火箭的飞行过程是:第一级发动机和6个助推器点火,起飞99秒上升到6公里高度,其余3个固体助推器点火;1分27秒,在23公里高度上所有9个助推器分离;3分48秒,第一级发动机熄火,然后分离;4分1秒,在102公里高空第二级发动机第一次点火;8分58秒,第二级发动机关机;22分46秒,达到177千米高度,第二级发动机第二次点火;21分53秒,第二级发动机关机;22分43秒,第三级开始起旋稳定,第二级分离;23分26秒,第三级发动机点火,这时高度为185千米;24分10秒,第三级发动机熄火,关机时的高度为190千米,速度为每秒10千米;25分23秒,有效载荷分离,进入228千米高的轨道运行。

“德尔塔”火箭常用的有两种类型:第一种Ⅰ型包括3914型和4925型;第二种Ⅱ型包括6925型和7925型。

“德尔塔”3914型,1975年12月13日首次发射。火箭长3515米,起飞质量187吨,最大有效载荷865千克,推力2332千牛。第一级采用RS-27液体火箭发动机,周围捆绑3-9个固体助推器;第二级采用TR201液体火箭发动机,真空推力为43千牛;第三级采用一台TE364-4固体火箭发动机,真空推力为67千牛。

“德尔塔”4925型,火箭长3538米,直径244米。第一级采用MB-3型液体火箭发动机,推进剂为液氧和煤油;第二级采用AJ-10-118液体火箭发动机,推进剂为偏二甲肼和四氧化二氮;第三级采用星-48固体火箭发动机。1989年8月27日成功地发射了英国“马可波罗1”号直播电视卫星。

“德尔塔”6925型,火箭长384米,整流罩直径289米。1989年2月14日首次发射成功。火箭第一级捆绑9个TX-780固体助推器,每个助推器的推力432千牛;第二级采用JA-10-118K液体火箭发动机,推进剂为混肼50和四氧化二氮,真空推力为429千牛;第三级采用星-48固体火箭发动机,真空推力为67千牛。它可将15吨的有效载荷送入地球静止转移轨道。