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8章 遨游太空——各国运载火箭巡礼(3)

从20世纪70年代后期开始,苏联就开始研制它的巨型“能源号”火箭,1987年5月试射成功,历时13年,耗资100亿美元,由全国100多个单位参加研制。它的性能与美国60年代的重型火箭“土星5”很相似。“能源号”火箭高60米,直径10米,起飞重2400吨。

它的第一级是由4枚助推器构成,每一枚有1台煤油和液氧发动机,推力806吨;第二级是捆绑式,中心体的直径为8米,由4台液氢和液氧发动机组成,推力约200吨。“能源号”火箭能把100吨重的空间站送入低地球轨道,把32吨重的宇宙飞船推到月球(美国“土星5”发射重34吨的“阿波罗”载人宇宙飞船登月),将28吨重的有效载荷射入金星和火星上,还能把18吨重的飞行器送入3.6万千米高度的静止轨道。1988年10月15日,苏联第一次用“能源号”火箭发射了第一架非载人自动飞行的宇宙飞船“暴风雪”;1991年再发射一次不载人“暴风雪”自动飞行与“和平”站对接。

“能源号”火箭在总体布局上继续沿用了自50年代后期以来苏联大型运载火箭广泛采用的横向捆绑助推器的结构形式,即在芯级周围捆绑不同数量的助推器,用以构成助推级。与其以往的运载火箭相比,“能源号”火箭具有如下的特点:

(1)有效载荷并不是配置在火箭的头部,而是安装在芯级的一侧。

(2)“能源号”

火箭仅将其加速到亚轨道速度,然后在预定的轨道高度(通常约为110千米)与有效载荷分离。

有效载荷在分离后还需要依靠自身的发动机提供推力,加速飞行,直到进入所要求的轨道。

采用这种工作模式既可使芯级在与有效载荷分离后自毁时产生的大量碎片不会对近地面空间造成污染,又可使运载火箭具有较大的使用灵活性,这样一来,能够满足多种有效载荷与不同用途的运载需要。

(3)十分重视安全与可靠性,强化地面试验。在飞行中即使助推级或芯级有一台发动机出现故障,火箭仍可继续有控制地飞行。

火箭的推重比可以降低到1.25:1。

(4)从一开始就把火箭设计成积木式系统,采用标准的液体火箭助推器,可以通过在芯级周围捆绑2个、4个、6个或8个助推器(捆绑8个助推器时,有效载荷将配置在芯级的上方),或者以一组助推器为基础,增加不同的上面级,组成运载火箭系列,具有向低地球轨道发射大到200吨重有效载荷的能力。

(5)为解决与运载火箭多次重复使用有关的结构、回收等问题,创造了必要的试验与研究条件。

4.“宇宙3M号”火箭

“宇宙3M号”运载火箭是苏联在R-14U中程弹道导弹基础上研制的轻型运载火箭,是发射“宇宙号”系列卫星的基本运载工具。

R-14是苏联南方设计局的负责人扬格尔设计的中程导弹。根据当时苏联政府的要求,曾先后将R-14及其改进型R-14U改装成运载火箭。为了把导弹变成火箭,研究人员给R-14增加了第二级和级间分离装置,并调整了氧化剂箱的结构。由R-14改装成的称为“宇宙1”火箭,由R-14U改装成的称为“宇宙3M号”火箭。

“宇宙3M号”为两级串联式结构,采用的是液体发动机,使用可自燃推进剂偏二甲肼和硝酸,推进剂重约82吨,两级之间的分离采用“半热”方式。火箭第一级使用格鲁什科研制的RD-216四室发动机,由“动力机器”科学生产联合体负责生产;第二级发动机由伊萨耶夫研制,包括1台单室非燃尽发动机和1台游动发动机。主发动机的特点是可多次点火,而且存在3种工作方式:大推力、中间推力和小推力。在将航天器送入轨道时,第二级发动机需要点两次火:第一次点火后进入一条过渡弹道,用游动发动机保持稳定;第二次点火提速将航天器送入轨道。

为发射“宇宙3M号”,在普列谢茨克发射场修建了一座拥有两个发射工位的发射设施。这套设施是由运输机器制造设计局设计制造的,同时还重新启用了原来用于发射“宇宙2”火箭(由R-12弹道导弹改装成的火箭)的“虹”发射系统。1967年5月15日,“宇宙3M号”在普列谢茨克进行了首次发射,将“宇宙-158”卫星成功送入轨道。

第四节欧洲“阿丽亚娜”系列火箭

“阿丽亚娜”系列火箭,是欧洲空间局11个成员国联合研制的商用运载火箭。从1972年开始,欧空局研制“阿丽亚娜”运载火箭,1979年12月试射成功。1980年4月,以法国为首的“阿丽亚娜”空间公司成立,接收预订发射合同,并负责从中美洲法属圭亚那库鲁空间中心发射。“阿丽亚娜”系列是一箭双星,共发射54颗卫星,8颗随火箭爆炸而损失,其余46颗卫星发射成功。还有40颗也打算用“阿丽亚娜4”发射,日期排到1994年中期,“阿丽亚娜5”于1995年问世。目前,有13个国家用“阿丽亚娜”火箭发射商用通信卫星,如法国、德国、英国、瑞典、意大利、卢森堡、澳大利亚、巴西等,另外还有6个国际组织(国际通信卫星组织、国际海事卫星组织、欧洲通信卫星组织、欧洲气象卫星组织、阿拉伯卫星组织以及欧航天局)。

从1989年起,“阿丽亚娜”空间公司通过法国国家空间研究中心与美宇航局签订了使用“阿丽亚娜”发射两国合作研制的海洋地貌勘测卫星的合同。

“阿丽亚娜”运载火箭之所以能发射占世界商用卫星市场一半以上的卫星,是因为“阿丽亚娜”可靠性高、价格适宜(5000万~6000万美元)、一箭双星。

如“阿丽亚娜4”发射的1.9~4.2吨重的卫星,不仅能准确入轨,而且还能使卫星寿命延长两年,卫星用户能从中获得几千万美元的收益。“阿丽亚娜4”运载能力可与美国航天飞机发射卫星的能力相媲美,其性能与美国“大力神3”类似。此外,它还有一个优点:发射日期不延误,除非发射失败。

在10年时间里,“阿丽亚娜”一共发展了4种类型,已被购买了99枚(11枚“阿丽亚娜1”、6枚“阿丽亚娜2”、11枚“阿丽亚娜3”、71枚“阿丽亚娜4”)。

欧航天局在研制“阿丽亚娜4”的同时,于1984年着手研究推力更强大的“阿丽亚娜5”,首先研究的是它的低温发动机HN60,这是该火箭的关键部分。该局耗资50亿美元预算,于1988年正式开展“阿丽亚娜5”的研制工作,主要工作就是研究推力、低温级以及助推器。1990年作部分试射,1992年制造出4枚样品并进行试射,1994年从法属圭亚那库鲁空间中心新的“阿丽亚娜5”发射台进行两次静态发射试验。预计要作350次试验,而对载人运载飞行鉴定还将作200次试验,因为要求“阿丽亚娜5”发射载人飞行器的可靠性达到99.9%,否则就不能发射载人的空间飞行器“赫尔墨斯”。

对低温级要进行550次试验,低温发动机作700次试验。

“阿丽亚娜5”是二级火箭,总重725~740吨,其中620吨是液氧和液氢。它高50米,直径为5.4米,起飞总推力1590吨。

对发射卫星来说,其可靠性是98%,比前4个类型的总和平均高12%。“阿丽亚娜5”不仅可以用来发射商用卫星,而且也能发射欧洲极区平台、有人照顾小型自由飞行器以及天地往返的“赫尔墨斯”。

“阿丽亚娜5”可把5.9吨重的单一有效载荷或6.8吨双载荷送入静止转移轨道、可将12吨重的有效载荷射入太阳同步圆轨道、把180吨重的空间站送入1550千米高的低地球圆轨道以及将21吨重的“赫尔墨斯”推到350~400千米高度。

“阿丽亚娜5”是一种全新的运载火箭,主要有两个用处:一是发射地球静止轨道和太阳同步轨道通信、科学和试验应用卫星;二是围绕“阿尔法”国际空间站的建造和运行,进行载人航天发射活动,例如把9.6吨重的“哥伦布”轨道设施或载人飞船送往空间站。

按照提高运载能力和降低成本的设计目的,“阿丽亚娜5”运载火箭具有以下几个特点:

(1)运载能力高、发射费用低

“阿丽亚娜5”运载能力和“阿丽亚娜4”相比,大幅度提高,可将6.8吨重的单颗卫星、6吨重的双星、5.5吨重的三星送入倾角为5°~10°的地球同步轨道,将18吨有效载荷送入550千米高、倾角28.5°的低地球轨道。发射费用大幅度降低,按照每年发射8次,其中4次是向地球同步转移轨道发射来计算,地球同步转移轨道的双星发射费用比捆绑4个液体火箭助推器的“阿丽亚娜44L”火箭低10%。

(2)可靠性和安全性指标高

对于不载人航天飞行来说,“阿丽亚娜5”运载火箭总体任务可靠性指标为0.98,比“阿丽亚娜4”运载火箭的可靠性指标高一个数量级。对于载人航天飞行来说,火箭的下面级(包括第一级和固体火箭助推器)的可靠性指标为0.99,对整个运载系统的可靠性指标要求则更高。

(3)适用范围较宽

我们知道“阿丽亚娜5”运载火箭既可以进行载人与不载人的航天飞行,也可以通过多星发射方式,供大中小卫星选用。目前,多功能应用卫星的重量有增大的趋势,但大多数应用卫星却是功能增多,但重量并不怎么增加。为适应这一需要,“阿丽亚娜5”运载火箭在向地球同步转移轨道发射卫星的任务中,约有80%以上是双星发射任务,可同时发射两颗重3000千克的卫星;约有不到20%,可一次发射一颗重2200千克和两颗重1200~1600千克的卫星,除此之外还有少量的单星发射任务。

(4)适用于宇航员乘坐

宇航员在火箭上升段要经受过载的考验。20世纪60年代,美国“双子星座”飞船在上升段的最大过载为10克。如此大的过载,需要宇航员进行极其严格的特殊训练才能承受。80年代,美国航天飞机过载为3克,普通人稍加训练就能参与飞行。“阿丽亚娜5”运载火箭的最大过载为4.5克,比航天飞机略高一些,也同样适合于宇航员乘坐。