空间飞行器设计-第4讲

1第4讲运载火箭24.1运载火箭概述运载火箭是一种常用的由多级火箭组成的航天运输工具。用途是把人造地球卫星、载人飞船，或空间探测器等有效载荷送入预定轨道。运载火箭是二战后在洲际导弹的基础上开始发展的。第一枚成功发射卫星的运载火箭是前苏联的”卫星”号,由P-7（SS-6）洲际导弹改装而成。3各国已经和正在使用的运载火箭：前苏联：东方号(Vostok)、上升号(Voskhod)、联盟号(Soyuz)、质子号(ПротонProton)、宇宙号(Kocmoc)、天顶号(Зени́т)、能源号(Энергия)。美国：德尔它(Delta)、宇宙神（Atlas）、大力神（Titan）、土星(Saturn)号。欧空局：阿里亚娜(Ariane)。日本：H系列。中国：长征(CZ)系列。4运载火箭的组成：由2－4级组成。每级有箭体结构、推进系统和飞行控制系统。末级有仪器舱，内装有制导系统，遥测系统和发射场安全系统。级间有分离机构及系统，有效载荷在最上面，外套有整流罩。整流罩保护有效载荷免受大气影响。运载火箭的指标主要包括运载能力、入轨精度、以及火箭对不同重量的有效载荷的适应能力及可靠性、经济性。5图4.1多级运载火箭的组成6图4.2“东方号系列”运载火箭7“东方号”系列火箭(СЕМЕЙСТВОВОСТОК)是世界上第一个航天运载火箭系列，包括“卫星号”、“月球号”、“东方号”、“上升号”、“闪电号”、“联盟号”、“进步号”等型号，后四种火箭又构成“联盟号”子系列火箭。图4.3“卫星号”运载火箭8“东方号”运载火箭是对“月球号”火箭增加了一子级推进剂质量和提高了二子级发动机性能,改进成，中心为两级火箭，一子级长28.75米，二子级长2.98米;周围有四个长19.8米、直径2.68米的助推火箭。因发射“东方号”宇宙飞船而得名，1961年4月12日把世界上第一位宇航员加加林送上地球轨道飞行并安全返回地面。9“联盟号”火箭是“联盟号”子系列中的两级型火箭，通过挖掘“东方号”火箭一子级的潜力和采用更大推力的二子级研制而成。因发射联盟系列载人飞船而得名。最长49.52米，起飞重量310吨，近地轨道的运载能力约为7.2吨。10“质子号”系列运载火箭是前苏联第一种非导弹衍生的、专为航天任务设计的大型运载器。在“能源号”重型火箭投入使用前，该型号是前苏联运载能力最大的运载火箭。“质子号”系列共有三种型号:•二级型•三级型•四级型11图4.4“质子号”运载火箭二级型:共发射了3颗“质子号”卫星，此后便停止使用。火箭全长41米，最大直径7.4米。三级型:主要用于“礼炮号”、“和平号”等空间站的发射。火箭全长57米，最大直径7.4米。四级型:主要用于发射各类大型星际探测器和地球同步轨道卫星。火箭全长57.2米，最大直径7.4米。12“能源号”运载火箭是一种重型通用运载火箭，也是目前世界上起飞质量与推力最大的火箭。“能源号”主要任务有：•发射多次使用的轨道飞行器；•向近地空间发射大型飞行器、大型空间站的基本舱或其它舱段、大型太阳能装置；•向近地轨道或地球同步轨道发射重型军用、民用卫星；•向月球、火星或深层空间发射大型有效载荷。Энергия13“能源号”运载火箭长约60米，总重2400吨，起飞推力3500吨，能把100吨有效载荷送上近地轨道。1988年11月15日，能源号火箭将不载人的暴风雪号航天飞机送入太空轨道。图4.6“能源”号运载火箭与“暴风雪”号航天飞机14火箭分助推级和芯级两级，助推级由四台液体助推器构成，每个助推器长32米，直径4米；芯级长60米，直径8米，由四台液体火箭发动机组成。发射时，助推级和芯级同时点火，助推级四台助推火箭工作完毕后，芯级将有效载荷加速到亚轨道速度，在预定的轨道高度与有效载荷分离。尔后有效载荷靠自身发动机动力进入轨道。15“天顶号”是前苏联的一种中型运载火箭，主要是用来发射轨道高度在1500km以下的军用和民用卫星、经过改进的“联盟号”TM型载人飞船和“进步号”改进型货运飞船。基本型,1986年使用;2型:1985年4月首飞试验;3型:一、二子级同2型，增加的三子级借用“质子”号四子级。16图4.5“天顶号”2型和3型总体布局图•“天顶号”2型是两级运载火箭，其一子级还被用作“能源号”火箭助推级的助推器。最大长度57米，最大直径3.9米。•“天顶号”3型是三级运载火箭，它在二型的基础上，增加了一个远地点级，用于将有效载荷送入地球同步轨道、其它高轨道或星际飞行轨道。3型与2型的一子级和二子极相同,最大长度61.4米。174.2.2美国的运载火箭美国从20世纪50年代起研制，已形成十几个系列。(1)Delta系列(Deltalaunchvehicle)•“德尔它系列”是在“雷神(Thor)”中程导弹基础上发展的航天运载器，是目前世界上改型最快、成员最多的系列。•“德尔它系列”1959年4月开始研制,已有40多个型号,形成近地轨道运载能力由271.8kg到3624kg,其第一级由“雷神”中程导弹改型而成;第二、三子级沿用“先锋(Vanguard)”运载火箭的第二级和第三级。18图4.7Delta系列运载火箭19“Delta”火箭由美国麦道公司设计、制造和运营，自1959年开始研制，1960年首次发射。问世40多年来，“德尔它”火箭一直是美国发射中型卫星的主力运载火箭。1989年2月，DeltaII(6925)用于发射GPS卫星NAVSTAR-2，2004年6月10日用于发射载有“勇气”号火星车的“火星探索漫游者1”号。“DeltaII”型火箭自1989年投入使用以来，仅1997年发射失败1次，发射成功率在95％以上，是美国现役的安全可靠性最高的中型运载火箭之一。20图4.8“DeltaII”运载火箭21图4.5德尔它“6925”与“7925”运载火箭22Delta系列运载火箭的改进主要在以下几方面：1）整流罩，直径3-5m，长度增加;2)引入液氧/液氢二子级；3）钛合金燃料箱；复合材料应用；4）高能上面级研制；突出特点是各型号大量使用通用部件，以“通用助推器芯级”（CBC）作芯一级或捆绑级。“通用助推器芯级”直径5米，其核心部件是RS-68液氢/液氧主发动机。主级选用先进的RS-68大推力低温发动机，因为这种发动机整体性能水平高、设计相对简单和工作条件较为适中。23图4.10德尔它改进型24最新研制的DeltaⅣ型火箭有5个型号，即中型、重型和在中型基础上提出的3个中大型号。其中重型火箭可把13,130kg的有效载荷送入静地转移轨道，与宇宙神5系列中的重型箭势均力敌。3个中大型火箭代号分别是M+(4,2)、M+(5,2)和M+(5,4)，括号中第一个数字表示整流罩直径（4或5m），第二个数字表示捆绑石墨环氧树脂壳体固体发动机数量（2台或4台）。DeltaⅣ的首次使用是在2001年4月进行的商业卫星发射。25德尔它4型运载火箭26(2)“大力神”系列（Titanlaunchvehicle）•“大力神系列”是在“大力神2”洲际导弹基础上发展而来。由“大力神2”、“大力神3”、“大力神34”、“大力神4”和“商业大力神3”组成。1964年首次使用，主要用于发射各种军用有效载荷。最大近地轨道运载能力为21.9t，地球同步转移轨道运载能力为5.3t。27图4.11“大力神”系列28“商业大力神3（CommercialTitanIII）”是“大力神34D”的改型，为4m直径大型整流罩的三级火箭。由两枚5节半药柱固体助推器、芯级、延伸舱和整流罩组成。其基本型可将两个有效载荷送入近地轨道，配上各种上面级后可执行地球同步转移轨道、地球同步轨道、月球轨道、星际飞行等任务。火箭各种整流罩可适用于目前设想的全部商业有效载荷。29图4.12“商业大力神3”总体布局30“商业大力神3（CommercialTitanIII）”改进的项目有：1)一、二子级改用“大力神4”LR-87-AJ-llA和LR-91-AJ-11A发动机，推力各提高3％和5％；2)一子级贮箱加长0.43m；3)提高姿态控制系统发动机推力，增强能力；4)增设安装双星支架的延伸舱；5)增设二子级与延伸舱的对接结构——转接舱；6)增设4m大直径整流罩。改型使火箭的近地轨道运载能力提高385.6kg并具有双星发射能力。31(3)“宇宙神”系列（Atlas）“宇宙神”-Ⅲ运载火箭是美国洛马公司为提高商业发射市场竞争力和可靠性、降低发射成本，于90年代后期开始研制的新型运载火箭，最初曾称为“宇宙神”-ⅡAR，1998年正式命名为“宇宙神”-Ⅲ。“宇宙神”-Ⅲ由以RD-180液体发动机为核心的“宇宙神”主级、改装的“半人马座”上面级、惯性制导系统、整流罩等主要部分组成，采用无毒的液氧/煤油和液氢/液氧为推进剂，地球转移轨道（GTO）运载能力为3700～4500kg。有宇宙神-ⅢA和宇宙神-ⅢB两种型号。区别在于ⅢA型使用RL10A-4-1单发动机半人马座上面级，而ⅢB型的上面级使用加长贮箱，并可选用一个或两个RL10A-4-2发动机。32“宇宙神5”型宇宙神5火箭分400系列、500系列和重型3个型号，其中的重型火箭可把13150公斤的有效载荷送入静地转移轨道。500系列火箭可捆绑0～5台固体助推器。首次发射在2001年底进行，使用一枚500系列火箭发射一颗商业卫星。334.2.3欧洲空间局的运载火箭“Ariane”系列是欧空局所属11国联合研制的大型液体运载火箭系列，共发展了5个型号。主要用于和地球同步轨道发射各类应用卫星。34“Ariane-1”是欧洲航天局在“欧洲号”火箭和法国“钻石号”火箭基础上研制的三级液体火箭，自首次发射至1986年2月22日止，共飞行11次。从法属圭亚那库鲁发射场发射，能将1.85吨的有效载荷送入地球同步转移轨道，或将2.5吨有效载荷送入轨道高度为790公里、倾角98.7度的太阳同步圆轨道。火箭长47.7米，直径3.8米，发射重量200吨。35“Ariane-2”和“Ariane-3”研制目的是在国际卫星发射市场争取更多用户。“Ariane-3”在“Ariane-2”的基础上捆绑了两台固体推进器。从库鲁发射场发射，可以执行多种任务，但主要是向地球同步转移轨道发射各种卫星。两箭均为长49.5米，直径为3.8米，运载能力分别是“Ariane-2”为2.17吨，“Ariane-3”为2.85吨，主要用于一箭双星。36“Ariane-4”在“Ariane-3”基础上研制成功。主要目的在于提高运载能力；保持双星和多星发射能力；具有适应多种发射任务的型式；降低了发射成本。“Ariane-4”有六种型号，分别为AR40型，同步转移轨道运载能力为1.9吨；AR42P型，带有两个固体捆绑式助推火箭，有效载荷增加到2.6吨；AR44P型，带有四个固体捆绑式助推火箭，有效载荷为3吨；AR42L型，采用两个液体火箭助推火箭，有效载荷为3.2吨；AR44L型，采用四个液体助推火箭，同步转移轨道运载能力达4.2吨；AR44LP型，采用两个液体助推火箭和两个固体捆绑式助推火箭，同步转移轨道运载能力为3.7吨。火箭长57-59.8米，直径约9米。37图4.14“阿里安4”的6种一子级与助推器的组合型式38“Ariane-5”根据商业发射市场和近地轨道开发利用需要研制，主要用于向地球同步轨道和太阳同步轨道发射各种卫星，向近地轨道发射哥伦布无人驾驶自由飞行平台和“使神号（Hermes）”空间飞机。火箭长52.76-54米，最大直径12.2米。39图4.15“阿里安5”运载火箭40图4.13“Ariane”系列火箭41图4.16“Ariane5”部件分解图424.2.4日本的运载火箭日本航天工业有“L系列”、“M系列”、“N系列”、“H系列”、“J系列”等系列火箭，其中“L系列”仅“L-4S”是运载火箭，并在1970年2月11日成功地发射了日本第一颗人造卫星“大隅号”。自此，日本在空间技术领域不断取得新的成就。43“L系列”火箭是日本最早期的火箭，其中仅“L-4S”火箭是多级固体运载火箭。自1964年5