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第13章 航天科技(12)

多级火箭的级数不能太少,否则推力不足;也不宜太多,否则构造太复杂,容易出毛病。照目前的情形来看,似乎这种火箭应在三四级为好。其中第一级大体用固体推进剂,末级用液体推进剂,至于中间各级可用固体也可用液体推进剂。由于发射卫星需要高速度和长射程,即使发射一颗很小的卫星,它的发射火箭一般也庞大得惊人。

发射火箭所应具备的条件已如上所述。即使满足了以上条件,火箭仍有许多困难和危险待克服,其中最主要的技术有以下几方面:

(1)火箭的可靠性

多级火箭间的配合,每级与次级之间的自动分离,各级火箭的适时启动,都需要极复杂的机构和极缜密的设计,这是一个棘手的问题。火箭是由几十万个零部件组成的,即使只有一个零件不可靠,整个火箭就有危险。1960年10月23日,前苏联的火箭在发射台上爆炸,使包括导弹部队司令在内的几百名军人和科学家丧生。

即使火箭本身可靠,工作人员也马虎不得,否则就有可能发生意外事故。1976年美国一火箭操作人员因将一螺母少拧了半圈,使输入电流不连续从而导致发射失败。1990年2月,“阿里亚娜”火箭第36次发射时,因为第一级发动机中遗留一小块抹布而发生爆炸。

(2)长程火箭飞行的稳定性

长程火箭所经历的区域,从接近地面的浓密大气层直到近于真空状态的极稀薄空气层,其间客观环境的变化非常剧烈。外界大气的变化,以及各级火箭在空中的分离启动,往往使火箭发生剧烈的摇摆、扭动、震颤等种种不良现象,甚至破裂而致火箭于死地。因此如何使火箭在各种不同的环境和情况之下均能保持其相当稳定的飞行,是一项关系到火箭成败的关键问题之一。

(3)火箭速度的调节

运送绕地卫星的火箭必须能在预定的合适高度达到每秒79千米的速度。这一速度既不能偏低,也不宜过高。速度方面百分之一的短缺就可能使卫星跌入大气层中,因大气摩擦而结束其生命。可谓差之毫厘,失之千里。过高的速度将使卫星的远地点离地球过远,使地面上的追踪和观测都比较困难。

(4)火箭的导引

卫星进入轨道时的方向也很关键,这一水平方向的两度误差就可能使卫星在环绕过程中的某一点距地球过近而使卫星进入生死边缘。要一颗卫星在遥远的太空中,能够在水平方向上准确地进入轨道,需要导航技术的高度精密。

(5)摩擦生热问题

火箭在飞行的初期,尚未脱离接近地面的浓密气层,此时它的速度可能已经达到很高。在这种高速飞行中,因大气摩擦而产生的热量,足以使火箭的表面温度升高到1000℃以上。这样高的温度足以使许多金属化为流质。因此,如何选择适当的抗热材料来做火箭的外壳,来确保火箭不致在飞出大气层之前便被焚毁,如何采取散热的方法和绝热的装置来保持火箭内部的适宜温度,也是此种火箭制造上的困难问题。

当代的运载火箭由箭体、动力系统、飞行控制系统、安全控制系统及通讯测量系统构成。

箭体是火箭的外壳,包括必须的结构,用以包容、支撑推进剂,以及将其他部分联成一体。它的外观通常都呈圆柱形。箭体一般包括有效载荷舱、整流罩、氧化剂贮箱、燃料贮箱、仪器箱、级间段、发动机推力结构、尾舱和分支机构。

飞行控制系统由制导系统、姿态控制系统、电源配电系统组成。飞行制导系统控制运载火箭的质心运动,使其按预定弹道飞行,保证有效载荷能准确达到目标位置。姿态控制系统控制运载火箭绕质心的运动及姿态,保持飞行的稳定。电源配电系统除完成供电配电外,还按飞行的程序发出指令。

安全控制系统用于评估火箭飞行的可靠性和安全性,当出现故障时,此系统可以自动报警,如果出现危机情况,还可及时引爆火箭。

通信及测量系统可随时将火箭飞行中内部各系统的工作情况测量出来并送回地面。以便保持控制中心与火箭的联系,随时知道火箭和飞船的飞行状况和位置。一旦失去联系,则意味着出现了故障甚至导致发射的失败。

利用运载火箭发射航天器的工作方式,简单地说,是每一级各飞一程,逐级加速,最后使运载火箭末级装载的航天器进入预定轨道。以“长征二号”运载火箭的飞行程序为例:一级发动机点火起飞后7秒开始转弯,工作130秒后关机;接着二级发动机点火,级间爆炸螺栓起爆,两级分离,抛出一级箭体,二级箭体继续飞行112秒后关闭主要发动机,备用发动机继续推行爬高,176秒后关闭发动机,星箭连接的爆炸螺栓起爆,卫星或其他航天器与运载火箭分离,航天器进入预定轨道。这时飞行高度约为175千米,速度约为每秒7.9千米。

由于研制火箭需要雄厚的经济基础和科研队伍,目前仅有俄罗斯、美国、欧洲空间局、中国、日本等少数国家和地区拥有自己的运载火箭。这些火箭分为大中小三类,有几十种之多,最大的运载火箭能将120多吨重的航天器送入近地轨道。其中著名的运载火箭有:前苏联的“质子号”、“宇宙号”、“天顶号”、“能源号”;欧洲空间局的“阿里亚娜”;美国的“宇宙神”、“大力神”、“土星号”;日本的“H-2”;我国的“长征”系列等。

前苏联的“能源号”是一种新型巨型火箭,由液氧/液氢基础级和4枚液氧/煤油助推器组成,能将10吨有效载荷送入近地轨道,能将32吨和28吨重的有效载荷分别送上月球和金星。

美国的“商业大力神-3”火箭是在“大力神”的基础上改进的,近地轨道有效载荷运载能力为14吨,具有很强的商业发射适用性。

我国运载火箭的水平与日本相当,其中的“长征三号B”火箭,能把48吨有效载荷送入地球轨道。

现代运载火箭一般由2~4级组成。根据运载火箭的不同结构方式,可分为串联式、并联式和串并联式。为载人飞行的运载火箭因其安全性、可靠性要求高,多采用并联式。

现代航天高科技必将利用火箭为人类走向宇宙铺设一条更远、更快、更安全的道路。

火箭家族

火箭在现代航空航天事业中占有举足轻重的作用,已成为一个国家科学技术发展水平的重要标志。因为它不但直接体现了航天技术的水平,它还是现代信息技术、新材料技术和新能源技术发展水平的重要标志。可以说火箭将许多现代高科技集于一身。

根据火箭所执行的任务不同,火箭可以分成运载火箭、导弹、无控火箭弹、探空火箭等许多种类。

运载火箭

运载火箭是将人造卫星、飞船等航天器送入轨道的大型多级火箭。世界上第一枚大型运载火箭是1975年前苏联研制的“T3A”,这枚运载火箭将世界上第一颗人造地球卫星送入了太空。

“T3A”是根据前苏联1957年8月研制成的洲际导弹“SS-6”改装成的。“SS-6”是一枚装有核弹头的二级火箭,科研人员给它装上第三级,并将核弹头换成卫星,便诞生了第一枚运载火箭。

发射载人飞行器对运载火箭要求很高,简单地修改洲际导弹的办法已不能满足新的要求,于是出现了组合型多级火箭。例如美国研制成了三种通用的末级火箭,把它们与中程导弹、洲际导弹进行组合,便出现了许多不同性能的运载火箭。20世纪从60年代初期到中期共发射了27艘飞船,其中有17次是载人飞行。这些都标志着运载火箭发展到了一个新阶段。

随着对月球及其他行星的探测,对火箭的速度、运载能力和准确度提出了更高的要求。1969年登上月球的“阿波罗”飞船重46吨,以往任何火箭都无法完成这个任务。为完成这一任务,美国研制了新的大型运载火箭“土星”系列。它标志着运载火箭技术发展到更成熟、更大运载能力的新阶段。

“土星-1号”运载火箭长48米,直径6.55米,起飞时间可产生6.7×106牛顿的推力,只用作研制飞船的实验;“土星-1B”全长43米,直径6.55米,起飞时可产生7.3×106牛顿的推力,它只能载着“阿波罗”的登月舱、指挥舱进行登月前的飞行试验;“土星-5号”是一枚三级火箭,长85米,直径10米,总质量2893吨,起飞时推力3.4×107牛顿,总功率达15×105千瓦,这是至今世界上最大的运载火箭,它成功地载着“阿波罗”飞船完成了登月计划。

我国已研制成了自己的“长征”系列运载火箭,它的技术性能和可靠性已达国际先进水平。到1998年10月,我国的长征系列火箭已经发射了52次。我国的运载火箭不仅满足本国航天事业发展的需要,并已投入商业发射。

导弹

导弹是一种可以控制的火箭,它飞得远、瞄得准,是一种杀伤力很大的现代武器。导弹可以说是现代火箭技术、自动测控技术、原子能技术和电子计算机技术在军事领域中应用的集中表现。

导弹具有强大的动力系统,一般都是一至三级火箭发动机,能够将数吨重的弹头运往1万千米远的目标。

导弹具有先进的飞行测控系统,仪器舱中有各种精密的仪器、计算机设备,这些仪器用惯性、光电、雷达、电视、激光等先进的手段控制导弹的飞行。这样导弹就像是长了“眼睛”,只要事先告诉它目标的位置、特征,设计好飞行的路径和飞行姿态,它便能自动寻找跟踪目标,做到百发百中。

导弹具有威力强大的弹头。导弹的弹头位于最前端,既可以是普通弹头,也可以是核弹头;既可以是一个弹头,也可以是多个弹头。多弹头导弹是在一个母弹头内装着若干个小弹头,这些小弹头的投放方式有三种:散弹式,许多小弹头像一把石子一样撒出去,落在一个地区的附近;分导式,母弹头依次将小弹头投向预定目标;机动式,每个小弹头都有自己的控制系统,可以独立瞄准,投射,就像从蜂窝中拥出的蜜蜂,可以自己寻找自己的目标。

导弹种类繁多。有近程导弹、远程导弹、洲际导弹。按其飞行路径又可分为有翼式导弹、飞航式导弹和弹道式导弹。

有翼式导弹多用来功击活动目标,如飞机、舰艇,它设有预定的弹道形状,能借助飞行测控系统根据目标的变动,自动跟踪寻找目标。

飞航式导弹是发射后先爬升或下降,然后水平飞行,最后自动瞄准,命中目标。它多装于飞机或舰艇等移动发射装置上。巡航式导弹便属于此类,它在大气层中飞行,不需携带氧化剂。它飞行高度很低,不易被敌人发现和拦截,可以迅速攻击目标,即使被对手发现,也猝不及防。

弹道式导弹。这种导弹的飞行情况与炮弹相似,一般是无翼的。洲际导弹便是其中一种,它的飞行可以分为三个阶段:动力飞行阶段,在发动机的推动下,竖立起飞,穿越大气层,在这个过程中计算机不断地算出导弹飞行的速度、位置,并将其与预先储存在计算机中的标准数据对照,并及时调整导弹的飞行速度和姿态,当其与标准数据一致时,便自动关闭发动机。第二个阶段是弹道飞行阶段,这时控制系统停止工作,导弹在地球引力作用下在大气层外沿圆弧形轨道飞行。第三阶段是重新进入大气层击中目标阶段。这一阶段一般只有几十秒钟,导弹以20倍音速穿越大气层,直接命中目标。

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