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第7章 世界各国火箭巡礼(2)

“长征3号”是中国搭向地球同步轨道的天梯。它是一种三级液体火箭,其中第三级采用了高能低温的液氢液氧发动机,成为其最突出的一大特点,表明中国运载火箭技术已达到世界先进水平。火箭全长4325米,第一、二级直径335米,第三级直径225米,起飞质量202吨,起飞推力284吨,其同步转移轨道的运载能力为14吨。“长征3号”火箭发射通信卫星成功后,美国科学家惊呼:这确实是一个里程碑,中国的火箭指令和控制设备已相当高级,表明中国完成精确的火箭推进计算能力有了突破。美国航宇局局长打电报表示祝贺,称“仅有可数几个国家达到了这次发射所显示的技术能力”,并称这是“中国在和平利用太空方面的重大进展”。

迄今,“长征3号”火箭已经连续成功发射同步静止轨道通信卫星8次,其中尤以承担发射亚洲1号和亚太1号两颗美国研制的通信卫星而驰名全球。1990年4月7日,“长征3号”火箭将亚洲1号通信卫星送上太空,首次完成为国外发射商用卫星的任务,标志中国的运载火箭进入国际空间技术的商务领域,在国际航天技术市场占有了一席地位。中国运载火箭技术研究院的负责人称:“长征3号”火箭的最大特点是第三级采用了低温高能的液氢液氧发动机,并由此需要解决一系列复杂而特有的技术问题,这代表现代火箭技术的新水平。它的多次发射成功,表明中国运载火箭技术进入了世界先进行列。1994年7月21日,中国又用“长征3号”火箭成功地将美国休斯公司为亚太通信卫星有限公司制造的第一颗通信卫星亚太1号准确送入预定轨道,标志着中国运载火箭承揽国际商务卫星发射进入一个新的阶段。

1994年2月8日,中国发射一种新型运载火箭“长征3号”甲。

“长征3号”甲火箭是为发射新型通信广播卫星而研制的,在“长征3号”的基础上改进而成。火箭全长5252米,火箭直径、整流罩均超过长征3号。“长征3号”甲同样是三级液体火箭,第一、二级为常规燃料,第三级为液氢液氧燃料;第三级为液氢液氧燃料;第三级把直径由225米增大到了3米,并增加了贮箱长度,装推进剂由82吨增加到176吨。整个火箭起飞质量240吨,起飞推力300吨,其同步转移轨道的运载能力由原来的14吨提高到26吨。它是中国目前高轨道上运载能力最大的火箭,具有一箭多星适应多种轨道卫星发射要求的能力。它的首次发射成功表明,中国运载火箭的发射能力提高到了一个新水平。

1994年11月30日,“长征3号”甲火箭再显神威,把中国新一代通信卫星“东方红3号”发射升空,标志着中国运载火箭技术发展上了一个新台阶。“长征3号”甲仅不适用于各种大、小了星发射的需要,有很强的适应能力,而且具有很大的发展潜力。如用“长征3号”甲作芯级,采用已经成熟的捆绑技术,可发展成为新的“长征3号”乙、和“长征3号”丙火箭,形成运载能力最大的火箭群体。

为此,中国运载火箭技术研究院提出了在“长征3号”甲的基础上研制“长征3号”乙和“长征3号”丙两种火箭,在第一级捆绑4个液体助推器,名为“长征3号”乙;在第一级捆绑两个液体助推器,名为“长征3号”丙。1995年初,这两种新型火箭已与国外签订了发射服务合同。

将来的“长征3号”乙火箭,除推进剂贮箱加长和加强、星罩加大外,芯级与“长征3号”

甲相同,但内部有所修改,采用了30多项新技术,可将5吨重的有效载荷送入地球同步转移轨道。“长征3号”丙比“长征3号”乙少了两个液体助推火箭,它的地球同步转移轨道运载能力为37吨。这两种新型火箭均长54838米。它们的主要用途是发射地球同步转移轨道卫星,或兼其他轨道的双星、多星发射,在技术上继承了现有火箭型号的经验,可靠性高,适应性强,运载有力大。它们今后将参与国际商业发射竞争。

4.)“长征4号”火箭

中国在研制“长征3号”火箭的同时,它的同宗型号“长征4号”火箭也诞生了。

1988年9月7日,在太原卫星发射中心,用第一枚“长征4号”运载火箭发射第一颗“风云1号”气象卫星成功,卫星准确进入900千米高的太阳同步轨道运行。至此,中国长征系列火箭覆盖了所有轨道,具有发射各种轨道卫星的能力。

“长征4号”是一种三级都采用常温燃料的液体火箭。它是在改进“长征3号”运载火箭一、二级的基础上,新研制第三级而发展起来的,火箭各级全都使用四氧化二氮和偏二甲肼常温推进剂,技术上成熟,且有较好的继承性。它的二级火箭与“长征3号”的二级完全相同,而一级火箭的推进剂贮箱比“长征3号”加长了4米,增加了40吨推进剂,一级4台发动机的地面总推力由2746千牛增大到2942千牛。长征4号第三级采用了先进和数学式控制系统,其中数字式网络的精度高,抗干扰能力强,应变性能好,数字式调零方案精度比机电式调零装置提高了一倍,增加了火箭起飞的可靠性;双向摇摆伺服机构,用一个液压能源带动两个作动器,使重量功率比达到了世界先进水平。第三级发动机由两台独立工作的单机并联组成,可双向摆动,单台推力49千牛,每台允许沿相互垂直的两个方向摆动,可以在真空中二次启动。三级发动机采用辐射冷却的铌合金喷管延伸段,比冲和推力重量比居于中国常温推进剂发动机的首位,达到了国际先进水平。

“长征4号”火箭全长419米,第一、二级直径为335米,第三级直径29米,起飞质量249吨,起飞推力300吨,其地球同步转移轨道的运载能力为125吨,太阳同步轨道的运载能力为165吨,还可将38吨重的有效载荷送入高400千米、倾角为70度的圆轨道。它由于全部采用常温燃料,研制成本和发射费用都比采用液氢液氧燃料低,而且可靠性高、适应性强、操作使用方便,可在国内各发射场用来发射各种用途的卫星。“长征4号”在研制中采用的自动化控制系统、数字网络控制系统、双向摇摆伺服机构、三级单层结构共底贮箱等,表明运载火箭技术日臻成熟,达到了比较先进的水平。

1990年9月3日,“长征4号”运裁火箭发射第二颗“风云1号”气象卫星。当天北京夏令时间9时53分,在太原卫星发射中心,高耸在发射架上的长征4号点火升空,17秒后向南转弯,飞越晋、陕、川、黔、滇五省,飞行694秒后在越南上空星箭分离,准确地把卫星送入901千米高的极地轨道运行,胜利完成发射任务。从此,“长征4号”作为可靠的卫星运载火箭投入商业发射市场。

二、前苏联运载火箭

1.)“质子”号火箭

前苏联的“质子”号运载火箭,是世界上使用最为频繁的一种航天运载工具。它的总设计师是著名火箭专家契洛勉。由莫斯科赫鲁尼切夫机器制造厂负责生产。1961年开始研制,1965年首次发射成功。30年来,用它发射成功各种通信卫星、星际探测器和礼炮号轨道站,成功率达到93%。“质子”号是一种高可靠、多发射的运载火箭。

“质子”号火箭采用并串联式结构,先后拥有二级、三级、四级等3种型号,其中最大的是四级火箭。第一级安装6台PR-253单燃烧室液体火箭发动机,总推力约1000吨,长202米。中心是一个直径较大的氧化剂箱,四周捆绑6个燃料箱,采用四氧化二氮和偏二甲肼作推进剂。每台发动机高272米,直径15米,重1250千克;第二级高137米,直径415米,装4台单燃烧室液体火箭,发动机总推力为240吨;第三级高64米,直径415米,装一台发动机和4台正航向的可控微调发动机,约产生3吨推力;第四级高55米,直径37米,重约2吨,装一台封闭式循环发动机,真空推力约85吨,可实现二次点火。第一次点火在火箭达到200千米左右高的地球轨道,使第四级和有效载荷进入远地点为35800千米的大随圆转移轨道;第二次点火把有效载荷推入准同步圆形轨道,第四级分离,有效载荷由专门的发动机控制,漂移到预定的地球同步轨道上定点运行。

质子号

这种四级的“质子”号运载火箭,全长458米,加上有效载荷长达58米,底部量大直径74米,起飞质量约800吨。它的近地轨道有效载荷重20吨,同步轨道的有效载荷重22吨至4吨。火箭的总体布局、各级发动机结构以及箭上各个系统,均采纳了苏联火箭制造的先进成果,因而具有良好的使用性能和动力性能。

1965年7月16日,“质子”号运载火箭首次发射,将一颗重达122吨的质子1号卫星送入近地点190千米、远地点630千米的椭圆轨道。这种早期的“质子”号两级运载火箭,发射过3颗试验卫星,1966年7月以后停用。1968年11月16日,第一枚“质子”号三级运载火箭将质子4号宇宙飞船送入太空轨道。1968年至1970年间,苏联利用“质子”号三级火箭发射了环绕月球飞行的探测5号至8号。1971年4月19日,“质子”号四级运载火箭发射重175吨的礼炮1号轨道站成功,显示了它的巨大运载能力。从1971年到1973年,用它发射了6个火星号探测器。1974年发射苏联第一颗静止轨道卫星宇宙637号。1975年至1983年连续发射8个金星号探测器。1984年又成功发射两个探测哈雷彗星的维加号探测器。此外,“质子”号火箭还用来发射过彩虹号、荧光屏号、地平线号和部分宇宙号卫星。特别是1986年2月20日,“质子”号四级火箭把苏联第三代空间站和平号送入轨道,充分表明这种火箭的优越性能。

这一系列发射纪录,奠定了它在征服太空中的坚实地位。“质子”号运载火箭目前已投入国际商务发射服务市场。

2.)“宇宙”号火箭

“宇宙”号有苏联扬格尔设计局研制的早期小型运载火箭,主要有“宇宙”号和“宇宙”

号改进型两种型号。它们是发射“宇宙”号系列卫星的基本运载工具。

“宇宙”号火箭第一级采用PA-214发动机,推进剂为硝酸和煤油,推力726千牛,底部直径183米,装有4个推力室;第二级为PR-119发动机,推力108千牛。火箭全长给32米,直径165米,起飞质量49吨,低地轨道有效载荷运载能力为600千克。1962年3月16日,首次发射“宇宙”1号科学卫星。1977年6月,从普弄谢茨克发射场发射“宇宙”919号卫星后退役。共发射144次。它主要用于发射小型军事卫星和科学卫星。

“宇宙”号改进型是一种采用可贮存液体推进剂的两级火箭。长319米,直径24米,起飞质量120吨,起飞推力1468千牛。它的第一级使用两台格鲁什科设计局研制的PR-216发动机,底部直径为285米,每台发动机有两个燃烧室,推进剂为偏二甲肼和硝酸,推进剂重82吨。第二级发动机推进剂为偏二甲肼和四氧化二氮,推进剂重19吨。第一级发动机没有推力调节有力,第二级发动机具有二次启动能力。第一级尾部有4个对称的尾翼,翼展44米,在4个喷管中安装有燃气舱。尾翼和燃气舱共同完成火箭第一级工作时的俯仰、偏航和滚动控制。第二级控制由两种游动发动机完成,有效载荷整流罩为圆柱加圆锥结构,高572米,直径24米,有效空间为1258立方米,有效载荷在第二级工作结束后20秒内分离。“宇宙”号改进型能将17吨的有效载荷送入180千米高的圆轨道,但实际上主要用于向800至1500千米高的圆轨道发射重1吨左右的有效载荷。它主要用于发射低地轨道的小型军用导航卫星、通信卫星和科学卫星,并且经常用来执行一箭多星发射任务。1964年8月,“宇宙”号改进型首次发射三星成功,这也是前苏联第一次的一箭三星发射。1982年至1984年间,“宇宙”号改进型成功地发射了“暴风雪”号航天飞机的试验飞行器,取得令人满意的结果。

“宇宙”号改进型火箭目前仍在使用,但发射频率减少,1993年只有6次,1994年只有4次。它的使命逐渐被运载能力更大的“旋风”号运载火箭所代替,每年发射量急剧减少。从总的情况看,“宇宙”号改进型火箭的发射次数和发射成功率都比较高,截至1994年8月,共发射433次,其中398次成功,成功率为919%。

“宇宙”号是前苏联拜科努尔、普列谢茨克和卡普斯丁亚尔3个发射场都曾发射过的最多的一种运载火箭。从1980年以后,基本上定在普列谢茨克发射场发射了。

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