[科普中国]-旋风3号运载火箭

基本概述

旋风3号（SL-14）火箭在旋风2号运载火箭的基础上增加了第三级，成为三级液体运载火箭。三个子级都采用双组元可贮自燃液体推进剂硝酸和氧化氮化物/偏二甲肼。它不再隶属于前苏联的太空武器计划，但仍以发射军用有效载荷为主。该火箭于1977年6月24日从普列谢茨克发射场首次发射，将“宇宙-921”电子侦察卫星送入近地轨道。旋风3号主要用于发射军用卫星，包括电子侦察卫星、海洋卫星、测地卫星、“流星 Ⅲ”气象卫星、6单元通信卫星，也发射部分民用卫星。其200/1500km轨道运载能力为4000kg，200/（3000~8000）km轨道运载能力为550kg。旋风3号仅从普列谢茨克发射场发射2。

从1977年6月首次发射以来，旋风三号火箭到1989年3月底共发射了75次，成功73次，失败2次，成功率达97.3%。至1994年底共发射成功110次2。

旋风号火箭的由来60代初，由M.K.扬格利领导的一个独立设计局(586设计局,即现在的南方设计局)设计了几种军用火箭系统,同时以这些火箭为基础,着手制造运载工具。于是,就在P一12(S一4凉鞋)和P一14(SS一5短)单级中程弹道火箭的基础上研制了相应的小型运载火箭宇宙号一2和宇宙号一3。1965年8月，南方设计局根据政府的命令,以P一36(即ss一9悬崖洲际弹道火箭)为基础开始制造两级运载火箭,用以发射卫星。同时研究了加装第3级的可能性和加装第3级后火箭的运载能力。在利用P一12,P一14军用火箭制造运载火箭时,为了获得级间质量的最佳分配,设计了一个附加级,它保证了火箭的最大动力性能。但这一方案要求对火箭的结构和控制系统作大的改动,因而,需要更多的时间和资金。1 。

于是,M.K.扬格利设计局于1966年6月提出了一个以P一14、P一16、P一36为基础设计运载火箭的全新方案。这就是增加一个CSM通用级的方案。这一方案的主要思路在于,使通用级及其运载的航天器和头部整流罩加在一起的体积和质量性能与军用火箭战斗部的相同。这就有可能不需要去工厂再加工即可使用大多数军用弹道导弹作为运载火箭,尽管其动力性能会有所下降。这一建议预示着巨大的经济效益。从196年开始,把一些过了保险期的洲际弹道火箭运到靶场,除去战斗部,把加注了燃料并带有航天器的通用级对接到火箭上,军用火箭即变成了运载火箭。但是,M.K.扬格利的建议只是部分地被采纳,因为当时的苏联部长会议已经决定,利用P一36火箭制造两种运载火箭:一种两级火箭,用来发射宇宙号和流星系列卫星;另一种三级火箭,作为一种小型通用火箭。1988年,把三级火箭命名为旋风号(Циклон),考虑到这种火箭的发展历史,把它称为旋风3号,把两级火箭叫作旋风2号,而旋风1号则为利用P一16军用火箭研制的、未完成的运载火箭1。

技术特点结构特点旋风号运载火箭是一种典型的串联结构。旋风2号和旋风3号火箭的第1级和第2级壳体结构是完全标准化的,均使用P一36军用火箭的壳体和动力装置。旋风3号的第3级使用的是C5M型通用级。它的结构采用的是封装方案,在加注状态下可长期贮存。为缩小第3级的外部尺寸,其动力装置安装在环形燃料舱之内。在级上装有自己的自动惯性控制系统,它仅通过陀螺仪表轴的匹配系统与第1级和第2级火箭的控制系统相联,通过交换指令和信号实现两级控制系统的配合工作1。

发动机旋风3号运载火箭上的发动机使用偏二甲脱和四氧化二氮自燃组元作推进剂。第1级和第2级动力装置由主发动机和控制发动机组成。第3级主发动机依给定的飞行线路不同,可一次起动或二次起动。第3级的飞行控制靠主发动机涡轮泵燃气发生器的八个固定小尾喷管来实现。在主发动机关机飞行段,其方向控制靠10个小推力液体火箭发动机来完成。为保证主发动机在失重条件下起动,在第3级的燃料舱内装有特制网状隔板。在主发动机二次起动之前,使用液体反推系统一起动保证组件,造成纵向加速度,使燃料移到吸液装置处。第3级借助于专用的过渡段与第2级对接,并把头部整流罩固定在过渡段上。头部整流罩长9.5m,直径2.7m,有效载荷容积19立方米,其中15立方米在直径24m的锥体内。整流罩可在发射前5h安装1。

控制系统旋风3号火箭沿着“硬”弹道把航天器送上给定的轨道。弹道参数以火箭速度和航向角随时间的变化程序的形式储存在控制系统的存储器内。飞行中,控制系统借助于本身的惯性测量仪确定火箭运动参数的实际值,把它们与设计值相比较,算出控制信号,靠这些信号改变火箭速度和航向角,使之与设计值相符。弹道飞行程序是预先设计出来的,并在火箭制造过程中存人弹上仪器的存储器内。在火箭的射前准备过程中,发射场的弹道专家们编制飞行任务书,其中指明所需要的火箭运动程序和控制系统的校准参数。飞行任务书数据于射前准备工作的最后几分钟,存入火箭控制系统的存储器内1。

分离技术旋风3号火箭从非旋转发射装置上发射。发射后,火箭沿纵轴转动一定的角度。火箭第1级和第2级采用半热分离方案:第2级的控制发动机在第1级分离前起动,而主发动机则在第l级分离并达到安全距离后才起动。头部整流罩在第2级工作段,并穿过稠密大气层后抛掉。火箭前两级的工作时间与最终轨道高度无关,是根据分离级和整流罩坠落区的分布情况来确定。航天器所需要的轨道是由第3级来达到的。第3级拥有巨大潜力,可实现最佳动态弹道,把航天器送上任何给定近地点的圆形和椭圆形初始轨道。为此,第3级设有发动机起动时间、工作时间和起动次数等控制系统1。

发射系统旋风3号运载火箭的发射系统设在普列谢茨克航天发射场。该系统可用来进行小型运载火箭的射前准备工作,并向150一orookm高度范围内的圆形和椭圆形轨道发射科学卫星、应用卫星、商业卫星和军用卫星等自动航天器。该系统包括由两个发射装置组成的敞开式地面发射阵地、技术阵地、固定式燃料加注站和火箭第3级封装站等设施1。
技术阵地接收、维护、贮存火箭,并作好发射前的准备。它与发射阵地相邻,是一个建筑群,其中安装有专用工艺设备和技术设备系统,保证完成各种类型的射前准备工作。在一年四季和昼夜任何时间、任何气象条件下(雨、雪、冰雹、雾、尘)、周围气温﹣40一+50℃,地面风速20m/S等恶劣条件下,均可发射火箭。发射阵地上的地面工艺设备系统可以高度自动化地完成射前准备工作而极少需要人参与。从火箭运抵发射台到火箭起飞,完全不需要人在发射台旁工作。像地面和箭上电器设备之间的电接头、燃料加注管路接头的对接和拆卸、火箭燃料组元的加注和泄出这样一些危险的操作,是完全自动化地完成的,只从远距离监控这些操作过程1。

应用评价试验应用旋风3号运载火箭的飞行试验于1977年6月24日至1979年2月12日在普列谢茨克发射场进行,共发射六次,获得成功。这种新型火箭系统原计划代替宇宙号一3和东方号两个旧型号,但直到1980年1月,当时的苏联部长会议才颁布命令投人使用。然而,旋风3号火箭实际L长期处于“失业”状态。直到1983年才开始发射航天器,完成原来由东方号火箭承担的任务。至1992年12月25日,已完成了86次发射任务,发射成功率达到97.3%。现在的发射任务包括:向中高极轨发射流星、海洋、季风等卫星和自动通用轨道站,进行地球和太阳物理领域的基础研究。此外还为国防部发射侦察卫星,包括低轨道通信卫星。旋风号一3运载火箭的价格约1000万美元(1987年价)1。

发展前景旋风3号的应用前景如何?还在1979年1月在普列谢茨克发射场举行的一次总设计师会议上就研究过这个问题。那时曾宣称,旋风3号是世界上最好的轻型运载火箭之一。尽管发射场处于高纬度地区妨碍它向地球静止轨道发射航天器,但也创造了非常有利的条件,使其能向极地轨道和太阳同步轨道发射航天器。在极地轨道上的卫星系统(即轨道平面与赤道之间的夹角近90°),能够无遗漏地进行全球通信和对地观测,而从静止轨道仅能保证南北67°之间的通信和对地观测。向极轨发射不存在问题,现正计划向极轨发射的卫星有俄国的信使和美国的铱低轨道卫星通信系统1。

由于旋风3号的动力优势,沿平面轨迹发射,可以把现有的大多数航天器和未来新型航天器送上太阳同步轨道,但这样,运载火箭要飞越加拿大和美国上空。向西南方向发射也不适宜,因为那里是俄国稠密居民区,剩下的只有一种方案,即沿着现有的发射区发射火箭,发射后,靠火箭第3级在空间的机动飞行,把卫星送上太阳同步轨道。其代价是有效载荷质量有所减少1。
在前述的总设计师会议上还提出了第3个发展前景及其在最短时间内实现的可能性。因为火箭第3级一C5M级还在草图设计阶段就规定了它的空间机动飞行能力。但在飞行试验开始前未能实现,而且在1968年提出的战术一技术任务书中没有规定这种机动能力。其结果是,后来再补加控制系统,为此又要求有新的火箭设计任务书。这是由于在发展空间运输系统中缺乏统一的总体考虑,以致使旋风号一3火箭的改进建议被埋葬了。尽管如此火箭保留了很大的改进余地1。
1990年开始了提高运载火箭生态清洁度计划,即“艾科斯”计划。在这一计划框架内对旋风3号火箭作了改进,火箭第1级贮箱内的燃料剩余量减少了三分之一,也相应地减少了其坠落时的污染程度。燃料剩余量的进一步减少,则要求对火箭各级的结构作若干改进1。
由于火箭第1级和第2级的动力储备和第3级的模块化结构,有可能把旋风3号发展成为一种飞行实验室。除用它发射航天器之外,可以试验火箭的生态安全系统,试验各种在飞行中展开的空气动力结构,控制分离级的返回等。以第3级为基础,可以制成使用可贮燃料组元的轨道间运输航天器家族。在要求缩小火箭坠落区的今天,这种航天器的作用大大提高,可用它把有效载荷从基地轨道转运到所需要的最终轨道1。
此外,由于旋风3号火箭系统是以军用火箭为基础研制的,所以它的射前准备时间很短。这就有可能用改进后的旋风3号火箭作为应急救生工具把小型自动救援飞船送上太空,撤离空间站上的人员1。