[科普中国]-宇宙神-1运载火箭

发展沿革

宇宙神系列运载火箭是美国的火箭,宇宙神系列运载火箭的前身宇宙神导弹于1950年代末期设计完成,宇宙神系列运载火箭所使用的燃料为煤油及液态氧。宇宙神导弹运用一项特别的设计:于火箭发射推进时会将三个引擎的其中两颗抛弃,如此便能于发射时提供足够推力,亦能维持较长的推进时间。宇宙神二号运载火箭于1991年到2004年之间发射63次;宇宙神三号运载火箭于2000年到2005年之间仅发射6次;宇宙神五号运载火箭到目前为止仍持续发射射,预计将发射到2011年以后1。

宇宙神导弹最早发射成功是在1957年12月17日,一共有约350枚宇宙神导弹在那个时期被建造,大部分的宇宙神导弹在除役只后都被拿去做轨道卫星火箭,命名为宇宙神E/F,做为布洛克一的辅助火箭,发射全球定位系统卫星。

早期宇宙神火箭特别的为非军方的机构发射火箭,在1958年12月18日,宇宙神运载火箭发射号志传讯通信轨道卫星(SCORE),亦为首次发射通信卫星并加以实际应用火箭技术 。水星计划时也以宇宙神火箭作为运载火箭,于1962年2月20日发射友谊七号(Friendship 7),运送美国第一位太空人约翰格伦(John Glenn)至外太空。同样地,宇宙神运载火箭于1962年至1963年也运送其他三名水星计划的太空人至外太空1。

在1960年代初期,宇宙神火箭普遍使用的末端节为Agena末端节,燃料是四氧化二氮/联氨,美国空军和美国国家情报局及NRO均使用它来发射网络间谍卫星。美国国家航空航天局则用来发射游骑兵卫星探测月球表面的组成和水手二号发射至金星,成为第一个飞到其它星球的人造物。宇宙神火箭也用来发射太空对接的舱组1。

从1963年起,半人马座液态氢末端节取代原本的Agena末端节,美国国家航空航天局使用此种新式燃料发射侦察者号及飞往火星的维京号(母船)海盗号(子船)1。

技术特点结构特点宇宙神/半人马座是个两级半的、液体推进剂的运载火箭。宇宙神级是该运载火箭的下面一级半结构、采用液氧和RP一1煤油为推进剂。半人马座是该运载火箭的上面级,采用液氢和液氧推进剂。宇宙神助推级的一级半方案具有适应发动机燃烧时间和助推级分离时间变化的灵活性,能有效地满足不同有效载荷重量和弹道要求。高能上面级使这种运载火箭适用于月球和星际旅行,或作为太阳探测器,或用于执行同步轨道任务。发射探险者飞行器时,运载火箭大约重324000磅,能产生395000磅推力,把2300磅重的飞行器送入月球拦截轨道2。

发射技术在60年代,通用动力公司曾为宇宙神运载火箭研制过小型有效载荷搭载发射装置(当时被称作为科学有效载荷舱)以便利用其运载能力余量和剩余推进剂量。这些科学有效载荷舱一般连接到运载火箭侧面。它们有两种尺寸:标准尺寸科学有效载荷舱和大型科学有效载荷舱。标谁尺寸科学有效载荷舱主要用来飞行试验小型科学实验有效载荷。该舱容积为0.24立方米,能承载204kg重科学实验有效载荷。大型科学有效载荷舱能用来承载并部署1个带有推进装置的小型科学实验卫星。这些科学有效载荷舱与宇宙神相连接时只有实际外形连接,不存在电气、制导和遥测接口。标准科学有效载荷舱在主级发动机关机时与运载火箭进行气动分离,然后作35min弹道式飞行(这相当于当时探空火箭试验能力的两倍,为收集和遥测科学实验数据提供更长和更高的飞行弹道),然后再入大气层。而大型科学有效载荷舱在主级发动机关机时仍保持在运载火箭的侧面,在此时打开其窗口抛掉带有推进级科学试验卫星。推进级工作把此卫星送入近地轨道3。

当前宇宙神采用的塔载发射小型有效载荷舱是60年代采用的科学有效载荷舱改型,有长短两种尺寸。短型结构作为小型有效载荷的容器,而长型结构可作为带有推进装置的小型卫星容器。每种结构如科学有效载荷舱那样独立工作,能提供电功率、指令程序和遥测等服务功能。最近又研制一种卵形气动罩结构小型有效载荷舱,搭载发射时连接到芯级燃料箱一侧。这种卵形气动罩结构小型有效载荷舱主要用来搭载发射可回收式再入实验舱。这种可回收式再入实验舱一般装在燃料箱一侧气动罩内。当宇宙神飞行到一定高度时,它采取横向释放与运载火箭分离3。

宇宙神运载器宇宙神运载器长21米(英7尺),直径3.05米(10英尺)。它包括一台助推发动机(有两个推力室),推力为1467.9 x牛顿(330 x 磅);一台主发动机,推力为253.5x牛顿(57 x 磅)和两台游动发动机,每台推力为2.98 x 牛顿(3 x 磅) (669磅)。这三种发动机均用液氧和高级煤油作推进剂。在助推级飞行阶段,摆动助推发动机推力室以控制俯仰、偏航和滚动。助推阶段使火箭加速到约6g。助推发动机关机后约3秒,抛掉助推级。在主发动机工作阶段,主发动机和游动发动机继续工作。在此阶段,摆动主发动机控制俯仰和偏航,摆动游动发动机控制滚动。主发动机一直工作到由无线电制导系统测出火箭达到所要求的亚轨道参数时为止。在主发动机关机后,在宇宙神一阿金纳D分离之前,游动发动机继续工作一段时间,在此阶段,摆动游动发动机对运载器进行姿态控制和对弹道进行仔细的校正。游动发动机关机后,宇宙神级级间段内低能电爆管引爆,切断与阿金纳D的连接,随后点燃级间段的反推火箭,使其与阿金纳火箭分离4。

技术数据基本尺寸带中型整流罩长度(米)：42

带大型整流罩长度(米)：43

箭体直径(米)：35

起飞重量带中型整流罩(公斤)：163900

带大型整流革(公斤)：1642905

地球同步转移轨道运载能力带中型整流罩(公斤)：2340

带大型整流革(公斤)：22505

半人马座级长度（米）：9.1

推进剂：液氢液氧

推进剂重量（公斤）：13790

总推力（真空，千牛）：146.8

比冲（米/秒）：43555

宇宙神级长度（米）：22.2

推进剂：液氧和煤油

推进剂重量（公斤）：137530

助推发动机总推力（海平面，千牛）：1679

助推发动机比冲（海平面，米/秒）：2160

微调发动机总推力（海平面，千牛）：5950

微调发动机比冲（海平面，米/秒）：18305

发动机固体火箭数量（台）：0

每台发动机推进剂重量（公斤）：未使用

每台发动机平均推力（千牛）：未使用

助推发动机比冲（海平面，米/秒）：未使用5

总体评价据信,宇宙神1的发射单价在5500一5900万美元之间。1989年2月通用动力公司与一家欧洲保险公司集团达成协议,为宇宙神火箭的前15次发射提供保险。保险有两种类型,即重新发射和偿还发射费用。如果用户要求,在发射失败的情况下,也可以为其发射一颗替换星。这种保险的好处在于通用动力公司可立即报实盘价格。而单项的卫星保险代理商只有在离发射期限很近时才能报出保险费5。

宇宙神火箭已经有30多年的历史。在首次商业发射中,通用动力公司用宇宙神l火箭成功地为NASA和空军将一颗福封和释放效应综合探测卫星(CRREs)送人静地转移轨道,顺利地进人国际商业发射市场。

目前,通用动力公司已有进一步发展该火箭的一些设想计划。其中之一是打算研制一种能将大约4080公斤的有效载荷送人静地转移轨道的新型号。但是目前还不打算立即研制运载能力大于宇宙神ZAS的型号,因为目前发射市场的需求大多低于宇宙神ZAS的运载能力。

60枚宇宙神火箭正在生产中,其中一半已有订户,即有22次商业发射和10次军用发射。宇宙神火箭可争得大约20%的国际商业发射市场5。