运载火箭的设计特点有哪些

第一节

战神一号运载火箭的第一节为可重复发射的固态辅助火箭，较航天飞机的固态辅助火箭(SRB)为大。航天飞机的辅助火箭为四段式，战神一号运载火箭则有五段，推力较大且推进时间也较久。

其他修改如将移除联结航天飞机外部燃料槽(ET)的支架也将固态辅助火箭的鼻锥改为承接第二节的液体燃料槽，改良后的火箭将于联结处装备固态燃料分离引擎，于第二节引擎点火前将一二节分离。

第二节

战神一号运载火箭的第二节推进动力是J-2X火箭引擎，燃料是液态氢及液态氧(LOx)。在2007年7月16日,美国国家航空航天局宣布由洛克达因为J-2X火箭引擎的地面测试和试验飞行的公司，也是唯一一家签署J-2X引擎的公司。

原本美国国家航空航天局打算使用航天飞机主引擎当第二节，但由于价格高昂(每颗引擎$5.5-6千万美元),如果重新设计引擎，也要经过地面及真空测试再者，第二节是不可重复使用的，所以决定使用J-2X火箭引擎，最重要的是其价格低廉(每颗引擎$2千万美元),而且只要改良，不必重新研发。

虽然J-2X火箭引擎是从现有的引擎改良，燃料供应系统却是全然新的。原先计划由航天飞机外燃料槽的内部结构进行修改，以"内槽"的方式分开燃料槽及氧化剂槽。最后使用阿波罗时期的概念，并不用内槽结构来减轻重量，而是在两个槽间以隔壁隔开。

现今的设计，使用简约的方式增加推进剂容量:以隔板隔开的燃料槽可装载297,900磅(约135吨)。较重的燃料可降低第二节引擎点火时的瞬间加速度，仅0.6G。

第二节的顶端将装配载人的猎户座太空船，下发也装设有类似农神一B运载火箭及农神五号运载火箭的推进系统，能在火箭飞行时控制第一及第二节的翻滚。

战神一号运载火箭的第二节也和航天飞机的外部燃料槽使用相同的泡绵绝缘体，可隔绝低温推进剂受热，且肯尼迪航天中心的气候潮湿，同样的绝缘材料也用在哥伦比亚号航天飞机上，但被绝缘材料的破片击中，造成返航时烧毁，然而战神一号运载火箭不会有此危险。

在2007年8月28日,美国国家航空航天局宣布与波音公司签约设计战神一号运载火箭的上面级。上面节将由美国国家航空航天局的密乔零件装配厂负责制造，即现今帮美国国家航空航天局制造航天飞机液态氢/液态氧燃料槽的一个装配厂。此装配厂在1960年代即建造农神五号运载火箭的S-IC节，当时属于波音公司的厂房。

1968年11月，为确保卫星按计划发射，国防科委决定，将“长征一号”运载火箭的研制任务由八院移交给一院。

同时，国防科委决定明确提出：

由我国运载火箭技术研究院负责设计和研制“长征一号”运载火箭，任新民被任命为总体设计室主任。

“长征一号”火箭的总体设计工作最初是由七机部第八设计院负责，总设计师是王希季。后来，国防科委决定将八院的任务由运载火箭总体研究改为航天器总体研究，“长征一号”的总体任务交给一院，即运载火箭研究院负责。

最初确定“长征一号”总体方案时，任新明曾经提出了三种可供选择的方案：一是更换“东风四号”两级导弹的推进剂，把卫星直接射入轨道；二是在两级导弹上再加一个液体第三级火箭；三是在两级导弹上再加一个固体第三级火箭。

三种方案各有利弊。第一种方案可以发射60至200公斤的星，但轨道高度低，不利于后续发射其他科学试验卫星；第二种方案各方面都不错，但要分散研制精力，时间长，耗费多。经过反复论证，最后确定采用第三种方案。

“长征一号”运载火箭总体设计室的全体科研人员，针对当时“651”卫星的发射需要，结合以上国外的先进经验，他们最终拟定“长征一号”的设计总原则是：

航天运载火箭与远程导弹相比，有两项新的要求。第一，要能飞出稠密的大气层，第二是必须达到第一宇宙速度，即每秒7.9公里的速度。

所以，“长征一号”火箭需要采取三级火箭式结构。第一和第二级火箭采用远程导弹的液体火箭原型不作修改。第三级采用固体火箭。

采取这样的决定，成功的把握大，而且可以保证进度，节省经费。需要投人大量人力和物力加以最新研制的是第三级火箭。

第三级固体火箭采取自旋稳定的方式，以保证卫星有正确的入轨姿态。

而串联着卫星的第三级固体火箭在第二级火箭关机后，发动机在600公里的高空以喷射氮气来保持卫星入轨前滑行段的稳定飞行，并最终将卫星推入预定轨道。

同时，在第三级火箭上安装上遥及控制系统。

而且，为避免卫星和固体火箭在大气层中受气流的冲刷和加温而受损，卫星和固体火箭被应密封在整流罩内。

1968年底，任新民他们完成了“长征一号”的总体设计方案。随后，他又带领其他部门的科研人员投入到第一、第二级液体火箭的紧张研制工作中。

我们知道，“长征一号”运载火箭是一项复杂的系统工程，涉及到诸多的专业和学科。因此，任新民在主持研制工作中善于发扬技术民主、集思广益。

“长征一号”火箭上装配的外弹道测量系统，也是我国第一次投入使用的大型外弹道测量工程的箭上设备。经过科研人员的艰苦研制，也最终如期交付使用。

另外，能否对液体火箭的推进剂的进行万无一失的掌控，也历来是运载火箭能否成功发射的关键问题之一。

这是因为，液体火箭的推进剂要么带腐蚀性，要么有毒，要么需要在极低温的条件下储存。

例如，液氢需要在-253度的环境下,才能以液体的形式储存。而-253度的液氢，又有“穿透”某些金属容器的厚壁的危险，所以非常容易泄漏。

而泄漏出的氢一旦遇到空气中的氧，特别容易引起剧烈爆炸。如此看来，这可真是防不胜防呢。

另外，火箭发动机中高速进入燃烧室的-253度的液氢，是极端高效的冷凝剂。它在喷射过程中，一旦遇到水珠或各种气体杂质，就会把这些杂质冻结成比金属还坚硬的颗粒，并推动它们高速运动。

这样，这些高速运动着的，比金属还坚硬的杂质颗粒，就有可能像子弹一样击穿金属管道壁。所以，也是防不胜防呢。

再就是，还是因为-253度的液氢是极端高效的冷凝剂的缘故，所以，有的金属材料遇到液氢，会变得像陶瓷一样脆硬，这就是科研人员通常所说的“氢脆”。

因此，无论制造火箭的材料，还是用在火箭上的元器件和设备，必须能经受得住各种严酷而极端条件的考验。

带着这所有的难题，运载火箭研究室的全体科研人员在任新民的带领，经过艰苦卓绝的努力，一道道技术难关都相继被攻克了。

战神一号运载火箭和战神五号运载火箭这两款运载火箭显现出美国国家航空航天局的工程概念?战神一号运载火箭将配有一支五段式的固态火箭(非航天飞机的四段式固态辅助火箭),第二节长度较第一节短?

增进运输系统计划书

洛克希德马丁公司于1995年和马歇尔太空飞行中心签约增进运输系统计划书,其执行纲要概述一些类似战神一号运载火箭的太空运载工具,液体燃料的第二节位于大型固态火箭之上,并考虑在边变更型的第二节使用J-2S及航天飞机主引擎引擎?

探测系统建造计划书

2004年1月,在布什总统宣布太空探索的愿景后,于2005年4月29日授予美国国家航太暨太空总署一份探测系统建造计划书表示:以最高标准建造能达到月球或火星的载人及载物之太空运载工具,并能达到载人的标准及能往返于国际太空站及地球间?为了研制能够维持人类机能及易于操纵的探测月球设备,必须确认相关关键技术及增进各项探测系统?

火箭动力系统的建造

美国国家航太暨太空总署计划以航天飞机现有的设备来建造战神一号运载火箭?起先要使用航天飞机的四段式固态辅助火箭(SRB)做为第一节,并以一颗航天飞机主引擎为第二节?载货的火箭则与原设计相同,将使用五段式的固态辅助火箭,而末端节使用一颗航天飞机主发动机?

虽然战神一号运载火箭在初步凭估后可以成功的作为运载火箭,但进一步模拟测试发现四段式的第一节固态运载火箭可能无法负担猎户座太空船的酬载重量所以在2006年1月,美国国家航空航天局宣布将减少猎户座太空船的大小,并改用五段式之第一节固态运载火箭,第二节运载火箭引擎也从一颗航天飞机主引擎(SSME)改为阿波罗改良版的J-2X火箭引擎?

从四段式固态运载火箭转变为五段式固态运载火箭让美国国家航空航天局可以达到与计划书相同的要求(虽然固态运载火箭的段数也可用其它数量),但选用五段式固态运载火箭主要原因是要配合J-2X火箭引擎?

一颗要价大约2-2.5千万美元的J-2X火箭引擎,只需结构复杂航天飞机主引擎的一半价格(5.5千万美元)?J-2X火箭引擎不像航天飞机主引擎只能在地面(非真空)点火,J-2X火箭引擎可在地面或接近真空的状态下点燃?

这种特殊的空气动力学原理在农神五号的S-IVB节即被使用,当时的火箭引擎是J-2火箭引擎,这颗火箭引擎将阿波罗太空船送上月球?在另一方面,航天飞机主引擎只要经过广泛的改良及测试,也可以在真空中产生动力(如果战神一号运载火箭可以精确进入飞行轨道和猎户座太空船预备有足够的燃料时),如果航天飞机主引擎可以在接近真空的状态下点燃,即可在太空中重复点燃?美国国家航空航天局此项测试并未在地面抽真空实际执行,而是在1988年STS-26以前太空中的主引擎测试短暂点燃航天飞机主引擎?

美国国家航太暨太空总署宣布ATKThiokol公司将建造战神一号运载火箭的第一节固态运载火箭,目前则为航天飞机建造固态辅助火箭?ATK也标下战神一号运载火箭的末端节建造工程?

洛克达因公司旗下的派翠特&怀特尼公司(正式的说法是火箭威尔公司和波音北美公司旗下的公司),是主要制作J-2X火箭引擎的次承包商,合约内容包括测试J-2X火箭引擎等项目,测试地点在阿拉巴马州的罕茨维尔的南方?

2007年1月4日,美国国家航太暨太空总署宣布战神一号运载火箭完成系统标准测试,是继航天飞机后的第一个通过测试的载人太空载具,此测试为设计过程中重要的里程碑,并确保战神一号运载火箭完成星座计划中重要的一环?

美国国家航太暨太空总署也宣布燃料槽的新设计,并不以航天飞机外部燃料槽的内槽技术分开液态氢槽及液态氧槽,而是用类似农神五号的S-II及S-IVB节的隔板将两槽分开,借此可使第二节较短且轻,且免去设计第二节及猎户座太空船连结处所必须承受太空船的重量?

2007年12月12日,美国国家航太暨太空总署宣布由波音公司提供及装配战神一号运载火箭的控制系统?

美国以“大力神”2型洲际导弹为基础研制的大型运载火箭，有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。“大力神”3A和3B都是三级液体火箭，用“大力神”2型导弹的第一、二级作为前两级，起飞推力约1913千牛（195吨力）。3A的第三级叫过渡级，长4.9米，直径和前两级一样，都是3.05米，重约13吨。过渡级装2台推力各为35.6千牛（约3.63吨力）的发动机，工作时间约480秒。发动机可以多次起动，能使火箭在较大范围内机动变轨，将有效载荷送入不同的轨道。3级都用四氧化二氮和混肼50推进剂。制导系统利用“大力神”2型导弹的惯性制导系统。

3A于1964年开始发射军用卫星。1966年开始使用的3B用“阿金纳”火箭作为第三级，用无线电指令制导系统取代惯性系统。

3B主要用于发射军用侦察卫星。3C是在3A火箭的两侧各捆绑一台大型固体火箭助推器组成的。每个助推器长25.9米，直径3.05米，重200吨，通过由助推器旁侧的贮箱喷注四氧化二氮的方法来控制推力方向。3A和3B火箭重160～180吨，可将3.6～4.5吨重的载荷送入低地球轨道。

3C于1965年开始使用，主要用来发射军用通信卫星。火箭重635吨，起飞推力约10498千牛（1070吨力），能把13.4吨重的载荷送入低地球轨道或把1.6吨重的载荷送入地球静止卫星轨道。3C火箭去掉过渡级就变成3D火箭，用“半人马座”火箭取代3C的过渡级就变成3E火箭。3D重590吨，从1971年开始用来发射重型侦察卫星。3E重640吨，从1974年开始用来发射“太阳神”号探测器、“海盗”号探测器、“旅行者”号探测器等行星和行星际探测器，可把3.8吨重的载荷送往金星或火星。3C火箭通过增大芯级和固体火箭助推器的长度，并用惯性上面级取代过渡级，又演变为34D火箭。34D重780吨，从1982年开始用来发射重型军用卫星。“大力神”号运载火箭在118次成功的发射中已将150多颗卫星送入不同的轨道。

天顶-2运载火箭苏联于1970年代开始研制的中型运载火箭，是天顶号运载火箭中的两级型号。美国国防部对这种火箭的代号是“SL-16”，美国国会的谢尔顿命名法（用于识别火箭的衍生型号）则称其为“J-1”。

天顶-2基本型

天顶-2的研制工程于1976年3月16日获得苏联政府批准；此前已经在1974年4月时完成了火箭的初步设计。该工程可以看作是能源-暴风雪号航天飞机工程的一部分，因为天顶号的第一级就是能源号火箭的助推器，“天顶-1”的代号也因此被该助推器占用了。

火箭的总体设计由乌克兰南方设计局负责，总设计师为弗拉基米尔·乌特金。设计者曾打算把天顶号作为一个覆盖不同运载能力的火箭家族来开发，但最后只有中等运载能力的方案被真正实施，这就是天顶-2。

天顶-2是两级结构的运载火箭，级间分离方式为半热式。各级的发动机都使用了无公害的推进剂成分：液氧和煤油。

火箭的第一级采用一台威力强大的RD-171四室发动机，该发动机与能源号助推器采用的RD-170不同的是其喷管可以沿两个方向轴摆动（而RD-170只有一个可动方向轴）。

实际上，天顶-2的第一级就是靠这种推力矢量喷管（其偏转角可达6度）来进行姿态控制。火箭的第二级采用一台RD-120单室发动机，还安装有一台11D513游动发动机用于姿态控制。11D513的工作时间可以达到375秒。

天顶-2运载火箭