制造业
航天器

运载火箭
制造
航天器及运载火箭制造


简介

航天器是指能够进入距地面 100km (卡门线)以上的空间飞行器(包括航天飞机,宇宙飞船,人造卫星,行星探测器,着陆器及深空探测器等),一般由运载火箭发射升空(能到达卡门线的人称为航天员或宇航员)。运载火箭是指能够将航天器发射进入太空的运载系统,运载火箭由多级火箭发动机、燃料贮箱、控制系统、荷载组成。

运载火箭概述

运载火箭( launch vehicle)指的是将人们制造的各种航天器推向太空的工具。它一般为2~4级, 用于把人造地球卫星、载人飞船、航天站或行星际探测器等送入预定轨道。末级有仪器舱,内装制导与控制系统、遥测系统和发射场安全系统。有效载荷装在仪器舱的上面,外面套有整流罩。它每一级都包括箭体结构、推进系统和飞行控制系统。级与级之间靠级间段连接。有效载荷(一般为航天器)装在仪器舱的上面,外面套有整流罩。
常用的运载火箭按其所用的推进剂来分,可分为固体火箭、液体火箭和固液混合型火箭三种类型。
联合发射联盟(United Launch Alliance: ULA) 接受预定的运载火箭产品(2019.08) 联合发射联盟(United Launch Alliance: ULA) 接受预定的运载火箭产品(2019.08)

运载火箭原理

运载火箭靠固体燃料或液体燃料经火箭发动机燃烧排出高温高速气体,根据牛顿第三定律产生反作用力推动航天器进入地球轨道。
(牛顿第三定理内容:两个物体之间的作用力和反作用力,在同一直线上,大小相等,方向相反)

点火过程

运载火箭的各项数据确认无误后,发射员按下点火按钮,然后液体火箭发动机将燃料贮箱中的液体燃料和氧化剂注入燃烧室充分混合,使用点火器或自燃材料点燃(部分燃料不需要点火,如肼类燃料与四氧化二氮接触就会自燃),产生高温燃气经由喷管喷出产生反作用力推动火箭起飞。
固体火箭发动机使用顶部的火药点燃壳体内部的固体燃料,从中间向四周燃烧,根据任务需要制造不同的固体燃料截面形状,可产生不同的推力曲线。

飞行过程

运载火箭点火起飞后消耗大量燃料增加速度,达到一定高度时矢量火箭发动机调整角度进行重力转向(Gravity Turn),使火箭进行水平加速。多级火箭当下面级燃料消耗完毕时将执行分离程序,上面级火箭发动机点火继续加速直到第一宇宙速度 7.9km/s

进入轨道

运载火箭经过多次分离飞出地球大气层,将远地点加速推入目标轨道高度,此时已超过第一宇宙速度 7.9km/s,进入轨道圆化程序,火箭滑行到远地点,点火加速到目标轨道所需要的速度,即完成入轨程序,航天器进入预定轨道。随后星箭/器箭分离,载荷展开太阳能电池帆板,执行地面任务。
深空探测卫星需利用霍曼转移(霍曼转移是转移轨道中消耗ΔV最少的)在近地点加速,超过第二宇宙速度 11.2km/s 时进入逃逸轨道,执行深空探测任务。
飞出太阳系卫星需要加速到第三宇宙速度 16.7km/s,而卫星携带的燃料无法加速到所需速度,此时需要利用大质量天体(如木星,土星,天王星,海王星等)进行引力弹弓加速到太阳的逃逸速度。

速度增量

速度增量是指忽略空气动力和地球引力的理想情况下火箭发动机工作期间增加的速度量,由俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(Константин Эдуардович Циолковский)研究得出,为人类研究火箭及航天器奠定了理论基础。

航天器轨道

航天器进入轨道需要速度达到或超过第一宇宙速度,航天器轨道遵循开普勒三定律,计算轨道需要六个参数,分别为升交点赤经Ω、轨道半长轴a、轨道倾角i、近地点幅角ω、偏心率e、真近点角θ,知道这些参数即可计算出航天器当前位置和未来的位置。

  • 近地轨道(Low Earth Orbit),指卡门线( 100km )到2000km 的轨道,国际空间站(ISS)等大多数航天器在LEO轨道运行,近地轨道容易受到地球大气层的影响,使航天器轨道降低,所以需要燃料维持轨道高度。
  • 中地球轨道(Medium Earth Orbit),指距离地面2000km ~ 20000km 的轨道,部分导航及通讯卫星在MEO轨道运行,例如铱星卫星和北斗导航系统部分卫星。
  • 地球静止轨道(GEO),距离地面 35786.034 km ,轨道倾角、轨道偏心率为零,卫星相对地面静止的轨道称为地球静止轨道。大多数通讯卫星在GEO轨道运行,在GEO上均匀部署三颗通讯卫星即可覆盖除南北极外的地区。
  • 倾斜地球同步轨道(IGSO),卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中的自转周期 ( 23 小时 56 分 4 秒 ),且方向亦与之一致,卫星在每天同一时间的星下点轨迹相同。
  • 地球同步转移轨道(GTO),近地点在1000公里以下、远地点为地球同步轨道高度( 35786.034 km)的椭圆轨道。
  • 极地轨道(Polar Orbit),轨道平面与赤道面夹角为 90 ° 的人造地球卫星轨道。人造卫星运行时能到达南北极区上空,即卫星能飞经全球范围的上空。需要在全球范围内进行观测和应用的气象卫星、导航卫星、地球资源卫星等都采用这种轨道。

动力循环

大气内液体火箭发动机使用高压动力循环提高喷管效率,将燃料注入燃烧室的动力循环有4种方式:

  • 挤压循环
  • 膨胀循环
  • 分级燃烧循环
  • 燃气发生器循环

运载火箭评判标准

运载能力

定义

有效载荷质量:指火箭能送入预定轨道的有效载荷重量。

运载比:指有效载荷质量与运载火箭起飞质量之比

区分

有效载荷的轨道种类较多,所需的能量也不同,因此在标明运载能力时要区别低轨道、太阳同步轨道、地球同步卫星过渡轨道、行星探测器轨道等几种情况。表示运载能力的另一种方法是给出火箭达到某一特征速度时的有效载荷重量。各种轨道与特征速度之间有一定的对应关系。例如把卫星送入 185公里高度圆轨道所需要的特征速度为7.8公里/秒,1000公里高度圆轨道需8.3公里/秒,地球同步卫星过渡轨道需10.25公里/秒,探测太阳系需12~20公里/秒。

入轨精度

定义

是有效载荷实际运行轨道与预定轨道的偏差,是运载火箭控制系统的重要指标。

主要参考参数

有效载荷轨道的主要参数有:长半轴、偏心率、轨道倾角、近地点辐角、升交点赤经。入轨精度有时只对某些轨道参数有一定要求,因此运载火箭能够满足有效载荷入轨精度要求,并且有一定余量。

可靠性

运载火箭结构

箭体

是运载火箭的基体,它用来维持火箭的外形,承受火箭在地面运输、发射操作和在飞行中作用在火箭上的各种载荷,安装连接火箭各系统的所有仪器、设备,把箭上所有系统、组件连接组合成一个整体。

动力装置系统

是推动运载火箭飞行并获得一定速度的装置。对液体火箭来说,动力装置系统由推进剂输送、增压系统和液体火箭发动机两大部分组成。

控制系统

是用来控制运载火箭沿预定轨道正常可靠飞行的部分。控制系统由制导和导航系统、姿态控制系统、电源供配电和时序控制系统三大部分组成。

遥测系统

功用是把运载火箭飞行中各系统的工作参数及环境参数测量下来,通过运载火箭上的无线电发射机将这些参数送回地面,由地面接收机接收;亦可将测量所得的参数记录在运载火箭上的磁记录器上,在地面回收磁记录器。这些测量参数既可用来预报航天器入轨时的轨道参数,又可用来鉴定和改进运载火箭的性能。一旦运载火箭在飞行中出现故障,这些参数就是故障分析的依据。

外弹道测量系统

功用是利用地面的光学和无线电设备与装在运载火箭上的对应装置一起对飞行中的运载火箭进行跟踪,并测量其飞行参数,用来预报航天器入轨时的轨道参数,也可用来作为鉴定制导系统的精度和故障分析依据。

安全系统

功用是当运载火箭在飞行中一旦出现故障不能继续飞行时,将其在空中炸毁,避免运载火箭坠落时给地面造成灾难性的危害。安全系统包括运载火箭上的自毁系统和地面的无线电安全系统两部分。箭上的自毁系统由测量装置、计算机和爆炸装置组成。当运载火箭的飞行姿态,飞行速度超出允许的范围,计算机发出引爆爆炸装置的指令,使运载火箭在空中自毁。无线电安全系统则是由地面雷达测量运载火箭的飞行轨道,当运载火箭的飞行超出预先规定的安全范围时,由地面发出引爆箭上爆炸装置的指令,由箭上的接收机接收后将火箭在空中炸毁。

瞄准系统

功用是给运载火箭在发射前进行初始方位定向。瞄准系统由地面瞄准设备和运载火箭上的瞄准设备共同组成。

主要代表

太空探索技术公司(SpaceX: Space Exploration Technologies Corp.) 生产的猎鹰 9 号运载火箭结构图

太空探索技术公司(SpaceX: Space Exploration Technologies Corp.) 生产的猎鹰 9 号运载火箭结构图

各种类火箭推进燃料

液体燃料(氧化剂+燃烧剂)

发烟硝酸(IRFNA或HNO3-27S)+UDMH(偏二甲肼)

IRFNA一般配比为83.4%硝酸,14%二氧化氮,2%水,0.6%氟化氢(抑制剂)

四氧化二氮(N2O4)+UDMH(偏二甲肼)

四氧化二氮(N2O4)+MMH(一甲肼)

液氧(LOX)+煤油

液氧(LOX)+液氢(LH2)

液氧(LOX)+甲烷(CH4)

液氧(LOX)+乙醇

发烟硝酸(IRFNA或HNO3-27S)+煤油

苏联R1导弹曾使用该种燃料。

液氟(LF2)+液氢(LH2)

固体燃料

火箭发动机

中国

美国

发动机名称 循环方式 燃料 总推力
F1(土星五号1级发动机) 开环 RP-1 6.77MN
BE-4 闭环(Lox rich) 甲烷 ~2.4MN
RS-25 闭环(Fuel rich)氢气 1.86MN
Merlin (SpaceX梅林发动机)开环 RP-1 0.84MN
Raptor(SpaceX猛禽发动机)闭环(Full flow)甲烷 2.0MN

俄罗斯/苏联

发动机名称 循环方式 燃料 总推力
前苏联 RD-180 闭环(Lox rich)RP-1 3.83MN

欧洲

日本

印度

其他国家

其它推进方式

离子推进器

离子推进器,又称离子发动机,其原理是先将气体电离,然后用电场力将带电的离子加速后喷出,以其反作用力推动火箭。这是目前已实用化的火箭技术中,最为经济的一种。

其工作原理大致如下:先将推进剂电离,再利用电场将离子加速喷出形成推力,同时向射出去的离子束喷电子,让它呈电中性,否则喷出去的离子将会被航天器吸引回来。第一台离子喷射发动机是由美国物理学家Harold R. Kaufman 1959年时在NASA制造,并成功测试。它先将电中性的汞注入电离室,同时将电子射入电离室,然后电离室周围的电磁线圈将对射入的电子加速以轰击中性的汞原子来制造汞离子,随后汞离子在外加电场的作用下加速喷出,最终再使用电子使其中性化。但是现代离子推进器中使用的推进剂大多为氙气,以代替原先有剧毒的汞。


经过几十年的发展,人们设计与制造离子推进器的水平有了长足的提高,在科研与商业领域都有越来越多的应用。它们降低了商业航天的成本,并使很多曾经被认为不可能的科研型航天项目具有了可行性,例如作为旅行者二号的主发动机。离子推进器是目前航天发动机的一个重要方向,在未来将在远距离星际航行发挥重要作用。

霍尔效应电推力器

霍尔推力器 ( Hall Thruster ) ,又称霍尔效应推力器 ( Hall effect thruster ) 。在推力器中推进剂被电场加速。霍尔推力器将电子约束在磁场中,并利用电子电离推进剂,加速离子产生推力,并中和羽流中的离子。

核热火箭发动机

核热火箭发动机是利用核裂变的热能将工质加热到很高的温度,然后通过收缩扩张喷管加速到超高速而产生推力的火箭发动机系统。其工作原理与液体火箭发动机相似,所不同的是核热火箭用核反应取代了液体火箭中的化学燃烧

核热火箭发动机相对于传统的液体火箭发动机,其推力较小、重量大,推重比大大小于液体发动机,但是又有比冲高、可多次启动等优点。一般由反应堆、贮箱及涡轮泵系统、管路与冷却系统以及喷管组件构成,反应堆的结构形式为高温气冷堆,包括燃料组件、支撑结构、慢化剂、控制棒或控制鼓、反射剂以及压力舱,通常采用氢气作为工质兼冷却剂。氢气具有优良的导热性能,在高温低压状态下容易离解为原子氢,并吸收大量的热量,其导热性能可与金属材料相媲美,是最好的冷却介质之一,同时由于其分子量小而成为最优良的工质

核热火箭又可分为固体堆芯、液体堆芯、气体堆芯以及液氧增强型核热火箭。固体堆芯核热火箭是指其反应堆为固体可裂变物质;液体堆芯核热火箭是指其反应堆为液体可裂变物质;气体核热火箭是指其反应堆为气体可裂变物质。

其中液氧增强型核热火箭 LANTR 以独特的方式将常规液氢冷却核热火箭的高性能进行了进一步拓展。LANTR 使用喷管的大扩张段作为加力燃烧室,在这里喷入氧气,与来自发动机喉部被核反应堆加热的氢进行燃烧。在保持反应堆功率基本不变的情况下,通过调整氢氧混合比率,LANTR 可以达到较大范围的推力和等效比冲值。LANTR 的推力增强特性意味着使用更小型、更经济、更容易测试的 NTR 发动机可以获得“大发动机”的性能。

NERVA(NuclearEngine forRocketVehicleApplication,火箭飞行器用核引擎)是美国原子能委员会(Atomic Energy Commission,简称AEC)和NASA旗下的项目,由航天核推进局(Space Nuclear Propulsion Office,简称SNPO)领导。整个项目于1972年终止,SNPO也于同年解散。 NERVA计划论证了核热力火箭可以成为太空探索的一项可现实可靠的工具。在1968年底,SNPO测试完成最新型号的NERVA引擎——NRX/XE后,认为NERVA可以用于载人火星任务。尽管NERVA引擎在测试后已经被认可可以胜任飞行任务,而且引擎也正准备整合入宇航器中,但在最终飞往火星的梦想实现前,NERVA随同其他耗资巨大的太空任务被尼克松政府取消。

NERVA曾被AEC,SNPO和NASA寄予厚望,而实际上,整个项目的成就也达到甚至超过它原先的目标。NERVA最主要的任务是“为太空任务提供核动力推进系统的科技基础”。 在其中一次测试中,引擎总共运行了115分钟,包括28次启动。NASA和SNPO认为“测试表明核动力火箭适合太空飞行任务,而且比冲量是传统化学火箭的两倍。”引擎的表现证明了它可以胜任NASA正在计划中的火星任务。而测试设施也表面了其可以用于火箭引擎的飞行质检和许可

各系列运载火箭

中国

首飞时间 名称 载重 火箭高度 费用 发射成功率 状态
1990 长征2号 LEO:8400kg 62m 无数据 13/13 服役中

美国

首飞时间 名称 载重 火箭高度 费用 发射成功率 状态
首飞时间 名称 载重 火箭高度 费用($) 发射成功率 状态
2017 Electron 火箭实验室 500kmSSO:150-225kg 62m $6M 1/2 服役中
2013 Antares LEO:8000kg 45.5m $6M 1/2 退役
1981 Space Shuttle LEO:275000kg ISS:16050kg GTO:3810kg 56.16m $450M~1.5BM 134/135 退役
2002 EAtlasV LEO:8250~20520kg GTO:4750~8900kg 58.3m $109M 37/38 服役中
2021(预计) Vulcan LEO:34900kg GTO:16300kg GEO:7200kg 58.3m 无数据 无数据 研发中
2021(预计) OmegA GTO:4900~10100kg GEO:5250~5800kg 59.8m 无数据 无数据 研发中
2010 Falcon9 SpaceX猎鹰9号 LEO(28.5°):22500kg GTO(27°):8300kg MARS:4020kg 70m $62M(2016) $50M(2018) 60/62 服役中
2018 Falcon Heavy SpaceX重型猎鹰 LEO(28.5°):63800kg MARS:16800kg PLUTO:3500kg 70m $90M(reusable) $150M(expendable) 1/1 服役中
2004 Delta IV Heavy LEO:28790kg GTO:14220kg 72m $350M 9/10服役中
2009 Ares I LEO:25400kg MARS:4020kg 94.2m 无数据 0/1 退役
无数据 New Glenn Blue Origin LEO:45000kg GTO:13000kg 95m $无数据 无数据研发中
无数据 SLS Block1 LEO:95T Moon:25T 98.1m 无数据 无数据研发中
无数据 SLS Block1B Cargo Moon:37T 99.7m 无数据 无数据研发中
无数据 SLS Block1B Crew 无数据 110.9m 无数据 无数据研发中
1967 Saturn V LEO:140000kg TLI:48600kg 110.6m $185M(1969) $1.16B(2016) 13/13退役
无数据 SLS Block2 Cargo 无数据 111.3m 无数据 无数据研发中
无数据 BFR SpaceX大猎鹰 MARS:100000+kg(with orbital refueling) MOON:100000kg 118m $5B 无数据研发中

俄罗斯/苏联

首飞时间 名称 载重 火箭高度 费用($) 发射成功率 状态
2001 Soyuz FG 俄罗斯 500kmSSO:150~225kg 94.5m 无数据 无数据 服役中
2001 Proton M 俄罗斯 LEO:23000kg GTO:6300kg GSO:3250kg 53m $65M 91/102 退役
1987 Energia 俄罗斯 LEO:100000kg GTO:20000kg GSO:3250kg 58.7m 无数据 2/2 退役
无数据 N1 Rocket 前苏联 LEO:95000kg TLI:23500kg 105m 无数据 0/4 退役

欧洲

首飞时间 名称 载重 火箭高度 费用($) 发射成功率 状态
2012 Vega 意大利 SSO:1450kg Polar orbit:150~225kg 30m $37M 12/12 服役中
1996 Ariane5 ESA GTO:11115kg 53m $165~200M 96/101 服役中
1990 Ariane4 ESA和法国 LEO:5000~7600kg GTO:2000~4300kg 58.72m $60M 113/114 退役
无数据 Ariane A62 Ariane Group LEO:10350kg GTO:5000kg SSO:6450kg 63m $75M无数据 研发中
无数据 Ariane A64 Ariane Group LEO:21650kg GTO:11500kg SSO:14900kg GEO:5000kg63m $90M无数据 研发中

日本

首飞时间 名称 载重 火箭高度 费用 发射成功率 状态
2001 H-IIA LEO:10000-15000kg GTO:4100-6000kg 53m $37M 38/39服役中

印度

首飞时间 名称 载重 火箭高度 费用 发射成功率 状态
2013 Antares LEO:8000kg GTO:4000kg43.4m $43.4M 2/2 服役中

其他国家

运载火箭生产及发射流程

考虑条件:

航天器发射必须在运载器、航天器的综合技术准备、发射准备、航天测控系统和各种技术保障准备满足发射条件之后实施。航天器的地面发射包括测试区准备、发射区准备、测控系统准备和发射4个步骤:

  1. 测试区准备:为使运载火箭和航天器达到可发射状态,必须在测试区进行装配、检测、试验。
  2. 在发射区的准备工作包括:把运载火箭和航天器垂直安装在发射台上;将地面电缆、气液管路与运载火箭和航天器连接;进行各分系统检测和综合模拟试验,加注推进剂和充灌压缩气体;载人飞行时,最后将航天员送入航天器等待发射。
  3. 测控系统准备:进行测控站各系统的设备检测和试验,各站设备之间联合调试和测控系统综合演练。
  4. 发射的主要步骤是:根据发射程序依次接通运载火箭和航天器的控制仪器和其他仪器,向运载火箭推进剂箱增压,起动火箭发动机使其沿发射弹道飞行,最后将航天器送入预定轨道,在这同时测控系统对运载火箭和航天器进行跟踪测量并发送遥控指令。对于地球静止卫星轨道和其他需变换轨道的航天器,航天测控站还要完成航天器轨道转移、姿态调整、远地点发动机启动等测控操作。整个发射过程是在发射指挥控制中心的指挥和控制之下进行的。

商业航天发射市场

国内市场

产量

消费量

国际市场

产量

消费量

重要公司

美国

  • 联合发射联盟(United Launch Alliance: ULA)
  • 波音(The Boeing Company)
  • 洛克希德·马丁(Lockheed Martin)
  • 太空探索技术公司(Space Exploration Technologies Corp.)
  • 诺格创新系统(Northrop Grumman Innovation Systems)
  • 蓝色起源(Blue Origin)
  • 火箭实验室(Rocket Lab)

中国

  • 中国航天科技集团(CASC)
  • 中国航天科工集团(CASIC)

其他

  • 阿丽亚娜航天公司(Ariane Group)总部位于法国巴黎的私营控股航天公司

运载火箭标准

这里存放条目相关的国家标准

航天器概述

航天器分类

科学卫星

科学实验/观测卫星

地球科学/探测卫星

深空(包括月球)探测航天器

应用卫星

对地遥感卫星

军用间谍卫星

商用遥感卫星

气象卫星

通信卫星

同步轨道军用通信卫星

同步轨道商用通信卫星

低轨通信卫星/星座

技术试验卫星

中国

美国

俄罗斯/苏联

欧洲

日本

印度

其他国家

载人航天器

空间站

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14 人

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