系列一宇宙 银河 太空旅行者之被人夸上天的运载火箭
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系列一宇宙 银河 太空旅行者之被人夸上天的运载火箭

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被人夸上天的运载火箭

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航天器又称为空间飞行器,一般指人造航天器,不包括自然宇宙的行星、恒星等。航天器是按照天体力学的规律在太空短期或长期运行,进行利用、探索和开发太空的各类航天器,包括各种各样的运载火箭、卫星、空间站、深空探测器等。其中,运载火箭是短期过空间航天器,卫星、空间站、深空探测器等都是长期在空间航天器。

这一节我们先讲一下短期过空间航天器,即运载火箭。

运载火箭按照能力大小,有小中大重运载火箭,以咱们国家火箭为例,长征十一属于小型火箭,胖五属于大型火箭,其他基本属于中型火箭,我国重型火箭尚未问世。

按照推进剂种类,一般分为常规液体运载火箭、低温液体运载火箭和固体运载火箭,长征二三四号属于常规液体运载火箭,长征五六七属于低温液体运载火箭,长征十一属于固体运载火箭。

按结构形式,包括串联式、并联式(即捆绑)和串并联式,长征三号甲火箭属于串联式,长征三号乙属于串并联式。

单个运载火箭,从组成上看,包括箭上的箭体结构、动力系统、测量系统、控制系统、安全系统、逃逸系统和地面测发控、发射支持等系统。

箭体结构就是我们平时看到的箭体外观,需要用最轻的质量,做到最大的体积装推进剂和最强的结构承受火箭上升时的巨大外界力量;

动力系统是火箭能够发射升空的关键,当前主要采用化学发动机,通过燃烧向后喷射物质产生推力,同时还要确保将放在贮箱中的推进剂平稳地输送给发动机;

测量系统主要在火箭发射飞行过程中对火箭的位置、姿态进行测量,传送飞行过程的位置及部件关键工作参数;

控制系统可以说是火箭的心脏,控制运载火箭姿态、弹道和时序;

安全系统和逃逸系统都是针对火箭发射飞行过程出现异常时使用的,在火箭偏离正常弹道范围的时候,箭上安全系统可启动自毁程序或接收地面炸毁程序,逃逸系统则是供宇航员逃离运载火箭的救生系统。

测发控系统主要是在发射前在地面配合完成火箭单机、分系统甚至整箭的测试;发射支持系统主要指一些辅助的设备,比如运载火箭运输车、防护装置、吊装装置等等。

那么,用什么来描述运载火箭的性能呢?

主要有运载能力、入轨精度、起飞推力、起飞质量、箭体直径、可靠性等等。

运载能力指运载火箭本体以外的最大入轨质量,与目标轨道有关,例如长征四号丙运载火箭典型太阳同步轨道运载能力3吨,一般采用这样的表达。

入轨精度一般用空间轨道的要素偏差表示,表达运载火箭将航天器送入目标轨道的精准度。由于轨道在空间中具有XYZ以及绕XYZ旋转的6个自由度,因此轨道也含有六要素,入轨精度也可以采取六要素偏差来表示。

起飞推力指运载火箭起飞时工作的发动机推力之和,这个推力既不能太大也不能太小。不能太小很容易理解,达不到相应的速度将无法将火箭推入太空;推力过大,会使得加速度和速度很大,火箭受力加大,相应结构也需要加强,本体质量也要增大。一定起飞推力下,本体质量增大,就会压缩运送的有效载荷质量。

起飞质量一般指运载火箭本体质量与推进剂质量之和,实际上,推进剂质量占到起飞质量的85%以上,也就是说,运载火箭本体实际上只是薄壁结构。假设在火箭发射前加注完成的时候去近处观察运载火箭,甚至能够看到它因液体加注而发生了些许变形。

运载火箭多数是圆柱体形状,多用箭体直径来描述火箭规模。说来有趣,箭体直径最初的选择追溯起来还与马屁股的宽度有关。运载火箭的运输主要依靠铁路运输,铁路上的隧道规模与铁轨宽度相关,而铁轨宽度实际上是延续了马车轮距,而马车轮距与两匹马的屁股宽度直接相关。当然,随着运输手段和运输技术的提高,火箭直径还可以进一步扩大。

最后一个是可靠性,包括运载火箭从进入发射场到发射的发射可靠性,以及运载火箭点火直到星箭分离的飞行可靠性,都代表了各类过程顺利实施的可靠度

既然这几个参数代表了火箭的性能,因此设计都是瞄着让这些参数达到最优来进行的。其实,除了这些,还有很多的更细的指标,从性能指标分解到总体层面,到分系统层面,再到单机层面,层层分解下来,再一级级组装上去。

感谢大家的收听,我是王芳,期待下次与您一起分享。

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