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国外运载火箭型号发展总览之一——美国

时间:2017-04-10  来源:高端装备发展研究中心   发布:高端装备网 
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  “航天运载器是美国空间优势核心能力的关键支柱,航天运载能力的损失将会对美国的空间优势造成毁灭性的影响。”

  ——《美国空军2025计划》

 

  航天运载能力反映一个国家自主进入空间的科技水平,一直受到各航天国家的重视。美国在《空军2025计划》中称: “航天运载器是美国空间优势核心能力的关键支柱,航天运载能力的损失将会对美国的空间优势造成毁灭性的影响。”美国拥有的运载火箭不仅型谱齐全,而且技术处于世界领先地位。其现役的运载火箭型号主要包括德尔塔-2、德尔塔-4、宇宙神-5、猎鹰-9、安塔瑞斯、飞马座、金牛座、米诺陶等,能够满足各类大、中、小型有效载荷以及快速机动发射需求。

 

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美国一次性运载火箭型号发展总结

 

  美国的一次性运载火箭项目始于丘诺1号运载火箭,该火箭由丘比特导弹改装,于1958年1月31日把美国第一颗人造卫星(探险者1号)送上太空,开辟了美国征服太空的新纪元。此后,美国先后用几种中程和洲际导弹,经过改进研制成为雷神,宇宙神,大力神以及德尔塔等几种不同用途的运载火箭。

 

  雷神系列运载火箭是在“雷神”中程弹道导弹的基础上发展起来的,主要用来发射军用卫星和早期的航天探测器。该系列包括Thor-Able、Thor-Ablestar、Thor-Agena等型号。雷神是美国发射早期小型卫星如发现者号的运载火箭,从1959年以来发射400多次,现已不常用,另外,雷神是世界上成员最多,改型最快的运载火箭系列(改型达40余次)。其发射次数居美国其它各型火箭之首,同时,该型火箭发射了世界第一颗地球同步轨道卫星。

 

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雷神系列运载火箭

 

  大力神号运载火箭是美国以其洲际导弹为基础研制的大型运载火箭,在1959年到2005年间共发射368次。有3A、3B等3A、3B、3C、3D、3E、34D 等多种型别,主要用于发射各种军用有效载荷。

 

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大力神系列运载火箭

 

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Titan IV Centaur Large Diameter Hydrogen Tank During Manufacture

 

  土星5号运载火箭(Saturn V),是美国国家航空航天局在阿波罗计划和天空实验室两项空间计划中使用的多级可抛式液态燃料火箭。尽管NASA曾设想过更大的火箭(例如新星火箭),但土星5号仍然是历史上最大的火箭,高达110.6米,更是目前使用过的最高、最重、推力最强的运载火箭。土星5号由马歇尔航天飞行中心总指挥沃纳·冯·布劳恩和阿瑟·鲁道夫以及他们的德国火箭团队担任设计研发的工作,主要的承包商包括波音、北美人航空、道格拉斯飞行器公司以及IBM公司。

 

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  1967年至1973年期间NASA在佛罗里达州的肯尼迪航天中心共发射了13枚土星5号火箭,从来没有过损失有效载荷的事故发生(虽然阿波罗6号和阿波罗13号曾出现过推进器失灵的问题,但箭载电脑都能够通过延长剩余推进器燃烧时间的办法以保持飞行)。土星5号的主要载荷是载着宇航员成功登月的阿波罗航天器。最后一次土星5号的发射将天空实验室的空间站送入空间。

 

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土星五号历次发射任务图片

 

  德尔塔系列运载火箭是一次性运载火箭大家族,于1960年代开始进行美国的太空酬载任务,并发射超过300次,且成功率高达95%以上。现役有德尔塔2号运载火箭及德尔塔4号运载火箭,2006年起,德尔塔系列运载火箭由联合发射同盟负责建造与营运。“德尔塔”原型火箭由“先锋号”火箭和“雷神”中程导弹组成。从1969~1978年间,雷神—德尔塔运载火箭是NASA最频繁使用的火箭,在这十年间发射了84次,远远高于第二名的侦查者号运载火箭(发射了32次),NASA不仅使用此系列运载火箭发射自己的卫星,也帮政府发射过人造卫星,甚至是国外的人造卫星合同。雷神—德尔塔运载火箭的可靠性在1960年代和1970年代已算相当优异,总计84次发射中,仅有7次是失败的,具有高达91.6%的成功率。

 

图表:List of Thor and Delta launches

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  德尔塔4是在美国空军“改进型一次性运载火箭”(EELV)计划下于90 年代中期开始发展的火箭系列, 2002年11月20日首次发射成功。德尔塔4运载火箭是一种二级航天运载工具, 其低地球轨道运载能力达9440~22950 kg, 地球同步转移轨道的运载能力达4300~12980 kg,能进行重型卫星的双星发射。

 

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德尔塔4号重型运载火箭

 

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德尔塔4号火箭Standardized common booster core

 

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德尔塔4号运载火箭上面级

 

  宇宙神系列运载火箭(Atlas,也称作阿特拉斯火箭)属于美国研制运载火箭,而宇宙神系列运载火箭的前身来自SM-65宇宙神导弹,这种导弹在1950年代末期完成设计且即刻布署,当时做为洲际弹道导弹来与苏联抗衡。

 

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  宇宙神2号运载火箭于1991~2004年之间发射63次;宇宙神3号运载火箭仅于2000年~2005年之间发射6次;宇宙神5号运载火箭仍是现役的运载火箭,到目前为止仍持续发射,预计将持续发射任务直到2020年以后。宇宙神5型运载火箭首度发射日期为2002年8月21日,2006年被转移给了联合发射同盟公司,该公司是由洛克希德·马丁与波音公司合资成立的。

 

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宇宙神5号运载火箭

 

  火神系列运载火箭(Vulcan)是ULA正在研制最新系列运载火箭,该火箭为宇宙神系列的升级版,在火神运载火箭被提出之前有数个加强型宇宙神5号运载火箭的设计被提出,不过最终都因为资金问题而没有被建造出。Vulcan运载火箭的分阶段研制方案,具体为:首先研制火神火箭的初始构型,打造采用美国国产发动机的全新火箭一子级,计划于2019年实现火箭初始构型的首飞;随后在本世纪20年代初应用新型上面级;而后将进一步开展火箭可重复使用技术以及“多次发射-在轨组装”模式的探索。

 

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  到2019年,Vulcan(火神)火箭初始构型有望首飞并超越宇宙神5火箭。到2023年,应用ACES上面级的火神火箭将具备与德尔塔4H火箭相当的运载能力,任务灵活性获得进一步提升。随后,Vulcan(火神)火箭将逐步应用部分可重复使用技术,不断降低发射成本。按ULA公司计划,Vulcan(火神)火箭最终将实现中到大型运载能力的全覆盖,取代现役主力火箭宇宙神5和德尔塔4。

 

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火神运载火箭发展历程

 

  按照ULA公司计划,火神火箭在2023年将使用新型的先进低温渐进上面级(ACES)接替原来的半人马座上面级,从而具备与大型火箭德尔它4H相当的运载能力。ACES上面级直径5m,采用超轻贮箱,推进剂为液氧和液氢,具有多次点火能力。在ACES上面级发动机方面,ULA公司现有三种选择,分别是蓝源公司的BE-3U,航空喷气-洛克达因公司的RL-10以及XCOR航天公司的XR-5K18等发动机。

 

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ACES上面级与Centaur上面级和德尔塔运载火箭上面级(DCSS)的对比

 

  航天发射系统(SLS)是2010年,奥巴马决定中止“星座”计划,放弃“战神”系列火箭的研制后,再次开展了新一轮的重型运载火箭方案。航天发射系统(SLS)是捆绑两台助推器的两级液氢/液氧运载火箭,采用了航天飞机衍生型方案,大量继承了航天飞机和“土星”-5火箭的技术和部件,包括航天飞机外贮箱、航天飞机主发动机RS-25D,航天飞机固体捆绑助推器、“土星”-5火箭第二级发动机技术等。

 

  该火箭的研制采取了研制多种构型、分步提高运载能力的渐进式发展战略,以及不断增强部件的通用性、灵活性,不断融合新技术成果的发展思路。

 

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  SLS芯级是目前世界上最大的火箭推进级,高64.6m,直径8.4m。芯级由波音公司在位于新奥尔良州的NASA米丘德工厂进行生产制造。芯级主要分为5部分:氧箱(容量为742m3)、氢箱(容量为2032m3)、前裙段、箱间段和发动机段。这5部分所用的箱底和箱段通过环状连接件连接以保证强度。

 

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SLS芯级介绍

 

  芯级焊接工装的建设工作已取得显著进展,箱段、箱底和环状结构件的生产也在进行中。米丘德工厂的垂直组装中心(VAC)已完成安装。该工装高51.8rn,宽23. 8m,是世界上最大的航天器焊接工装,是芯级组装所需的6台先进焊接工装中最后完成起竖的工装。但是,工装在垂直方向上高出约5crn,因此该工装又进行了拆解、校正和重新组装。目前该工作已完成,正在进行软件检查。2016年,SLS首次发射用贮箱的焊接工作已经基本完毕。

 

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正在进行中的SLS首次发射用贮箱焊接工作

 

  预计SLS项目首枚火箭将在2017年12月发射,此后构型将逐步优化,面向探测任务需要,运载能力逐步提高,承担的发射任务也从月球任务逐步向小行星、火星任务过渡。至2032年,其低地轨道运载能力将达到130吨。(未完待续)

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