空间飞行器设计-第4讲

1,第4讲,运载火箭,2,4.1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(Proton)、宇宙号(Kocmoc)、天顶号()、能源号()。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24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()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。,13,“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。,17,4.2.2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,22,Delta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Delta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）。Delta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”-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”-AR，1998年正式命名为“宇宙神”-。“宇宙神”-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37004500kg。有宇宙神-A和宇宙神-B两种型号。区别在于A型使用RL10A-4-1单发动机半人马座上面级，而B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05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。,33,4.2.3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,42,4.2.4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月开始，“L-4S”火箭进行了数次飞行试验，直到1970年2月11日“L-4S-5”火箭成功发射了日本第一颗人造卫星“大隅号”，为日本航天业奠定了基础。“L-4S-5”火箭为四级，箭长16.5米，最大直径约1.4米。,44,“M系列”火箭基于“L-4S”火箭，第一代“M系列”火箭是“M-4S”火箭，它比“L-4S”试验火箭的运载能力提高了3倍。该箭为四级固体火箭，全长23.6米，直径1.41米，总重43.5吨，可将75千克的有效载荷送上近地椭圆轨道。第二代以后“M系列”火箭改为三级，型号分别为“M-3C”、“M-3H”、“M-3S”等。,45,“N系列”火箭是日本引进美国的“雷神-德尔塔”火箭技术后研制成功的。“N-1”火箭有三级，总长为32.6米，最大直径2.44米，起飞重量90吨，近地轨道的有效载荷重1.2吨，地球同步转移轨道的有效载荷重260千克。“N-2”火箭总长35.4米，起飞重量136吨，近地轨道有效载荷为2吨，地球同步转移轨道的有效载荷为680-715千克。,46,“H系列”火箭有两个型号，“H-1”型和“H-2”型。“H-1”是一种三级常规燃料火箭，全长40.3米，直径2.4米，总重达140吨，可把1吨重的卫星送入地球同步转移轨道。“H-2”是一种两级液氢液氧燃料火箭，全长50米，直径4米，总重260吨，可把约9吨的有效载荷送上近地轨道，把2吨的有效载荷送上地球同步轨道。“H-2”火箭是日本目前最大的运载火箭。,47,“J系列”火箭有“J-1”火箭，它是在“H-2”火箭和“M-3S”火箭的基础上发展起来的三级固体燃料火箭，主要是用于发射小型卫星，能将约1吨重的有效载荷送入近地轨道。火箭全长33.1米，直径1.8米。,48,4.2.4中国的运载火箭,我国的运载火箭也是在弹道导弹基础上发展而来。目前已研制成功“长征”一号、二号、三号、四号和“风暴一号”共5个系列运载火箭。,49,50,中国运载火箭的奠基人,1955年回国，受命组建我国第一个火箭研究院。在他的参与和组织下，1960年11月5日发射成功第一枚仿制的火箭，1964年6月29日中国第一枚自行设计中近程火箭飞行试验成功。1965年他建议制订人造卫星研制计划并列入国家任务，1970年4月24日，长征1号运载火箭把中国第一颗人造卫星送上太空遨游。1991年获得国家“杰出贡献科学家”的殊荣。1999年，授予他“两弹一星功勋奖章”。2006年10月获“中国航天事业50年最高荣誉奖”。,钱学森,51,钱学森，浙江杭州人，1911年12月11日生于上海。1934年毕业于交通大学机械工程系，1935年赴美MIT和加州理工学院学习。1938年获博士学位。19471955年间任MIT和加利福尼亚理工学院教授。,52,东风革命烈士陵园位于内蒙古自治区阿拉善盟额济纳旗。,1992年月14日，曾任国家国防科学技术委员会主任的聂荣臻元帅逝世，享年93岁，他的部分骨灰安葬在这里。,53,我国运载火箭发展初期，探空火箭的研制占有重要的地位，尽管它是结构简单的无控火箭，但却是新中国成立后的第一枚真正的火箭。从1958年开始，我国陆续研制出包括生物、气象、地球物理、空间科学试验等多种类型的探空火箭。,(1)长征一号(LM-1)系列运载火箭1970年4月24日，中国使用长征一号(LM-1)运载火箭发射了“东方红一号”。长征一号是在两级中远程导弹上再加一个第三级固体火箭所组成，火箭全长29.86m，起飞总重81.57t，起飞推力为1040kN。,54,长征二号(LM-2)运载火箭是从洲际导弹的基础上发展而来的，并于1975年发射了1t多重的近地轨道返回式卫星，成功地回收了返回舱。根据发射卫星的需要，陆续衍生出长征二号丙(LM-2C)、长征二号丙改进型(LM-2C/SD)和发射极轨卫星的长征二号丁(LM-2D)运载火箭。在长征火箭大家族中，长征二号系列主要用于发射各类近地轨道卫星，LM-2C/SD曾以一箭三星方式发射了12颗美国的铱星移动通信卫星。,55,1986年初挑战者号失事后，美国停止用航天飞机发射一般商业卫星。趁此时机，我国仅用了18个月就研制成功长征二号E(又称长二捆，LM-E)运载火箭，可以发射原来准备用美国航天飞机发射的商用卫星。长征二号E火箭是以长征二号为芯级，周围捆绑了4个液体助推器，它的近地轨道运载能力高达9.2t。长征二号E于1990年试射成功，从1992年到1995年曾发射多颗外国卫星。,56,图4.17“长征二E”运载火箭全貌,57,为满足神舟号飞船的发射要求，我国又在长征二号E的基础上改进了可靠性并增设了故障检测系统和逃逸救生系统，发展出了长征二号F(LM2-F)运载火箭，专门用来发射神舟号载人飞船。长征二号火箭质量和可靠性非常高，19751996年连续成功地把17颗返回式卫星送上天，这使长征二号运载火箭在国际卫星发射市场上获得了非常好的可靠性声誉。,58,长征三号运载火箭是在长征二号二级火箭上面加了一个以液氢、液氧为推进剂的第三级，该液氢液氧发动机可以二次启动，在技术上是当时国际先进水平，为我国火箭技术发展的一个重要里程碑。1984年长征三号成功地发射了我国第一颗地球同步试验通信广播卫星东方红二号。1985年中国宣布进入国际商业卫星发射市场。1990年我国首次用长征三号运载火箭将美国休斯公司制造的亚洲一号卫星送入地球同步轨道。,59,长征三号系列不断增加新成员，如长征三号甲(LM-3A)、长征三号乙(LM-3B)，主要用于发射地球静止轨道卫星。长征三号甲运载火箭是在长征三号的基础上研制的大型火箭，它的氢氧发动机具有更大的推力，性能也得到很大的提高，地球同步转移轨道运载能力也从长征三号的1.6t提高到2.6t。长征三号乙运载火箭是在长征三号甲和长二捆的基础上研制的，即以长征三号甲为芯级，再捆绑4个与长二捆类似的液体助推器。长征三号乙主要用于发射地球同步轨道的大型卫星，也可进行轻型卫星的一箭多星发射，其地球同步转移轨道运载能力达到5.1t，跃入了世界大型火箭行列。,60,图4.18“长征三号系列”运载火箭汇总图,61,图4.19“长征三号A图4.20“长征三号B,62,(4)长征四号(LM-4)系列运载火箭长征四号系列运载火箭由风暴一号(FB-1)、LM-4、LM-4A、LM-4B等火箭组成。使用常规推进剂（四氧化二氮，偏二甲肼）,其中，FB-1是二级火箭，1969年8月始研制，至1982年停用。LM-4在FB-1基础上于1979年研制，为三级常规运载火箭，曾为发射地球同步轨道卫星的备用方案，1982年停止。,63,目前投入使用的是长征四号乙运载火箭是长征火箭家族中用于发射各种太阳同步轨道和极轨道应用卫星的主要运载工具。LM-4A，1988年9月7日，发射“风云一号”；1990年9月3日，发射“1箭3星”。,太阳轨道,极轨道,64,长征五号运载火箭,长征五号系列火箭正在研制中，芯级直径为5m，全部采用液氢液氧推进剂，芯级周围将捆绑不同数量的直径为3.35m和2.25m、推进剂为液氧煤油的助推器，形成近地轨道运载能力达到1025t，地球