火箭(英語:Rocket)是一種依賴發動機向后高速噴射高壓氣體產生的反作用力向前推進的飛行器。它自身攜帶全部推進劑(固體或液體燃料和氧化劑),不依賴外界工作介質產生推力,可以在稠密大氣層內,也可以在稠密大氣層外的太空飛行。按照火箭所使用推進劑的物理狀態,可分為固體火箭、液體火箭、固液混合火箭。如果火箭攜帶戰斗部,則稱為火箭武器;如果有效載荷是測量地球空間環境的科學儀器,則稱之為探空火箭;如果有效載荷是人造衛星或載人飛船,則稱之為運載火箭。運載火箭的主要組成部分有箭體結構系統、動力裝置系統和制導系統。
火箭的技術淵源可一直上溯到中國古代發射藥火箭。公元969年,北宋軍官岳義方、馮繼升造出了世界上第一個以火藥為動力的飛行兵器--火箭。這種火箭的工作原理上與現代火箭沒有什么不同。13世紀中葉,中國的火箭技術傳入了歐洲及世界其它地區。14世紀末,明朝一勇敢者萬戶嘗試借助火箭的推力和風箏的升力實現飛行的夢想。盡管試驗失敗,但萬戶被公認是嘗試利用火箭飛行的世界第一人。1903年,俄羅斯人康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基提出了火箭飛行速度同火箭發動機噴氣速度、火箭質量、燃料質量關系的公式。1926年,美國科學家羅伯特·哥達德進行了世界上第一枚液體火箭的發射試驗,火箭成功地飛行了50多米。1942年,德國V-2火箭發射成功。V-2火箭的發射成功把航天先驅者齊奧爾科夫斯基、戈達德和赫爾曼·奧伯特等的火箭理論變成了現實。1957年,蘇聯研制出了大型運載火箭蘇聯一號,并用它成功地發射了世界上衛星一號,標志著航天運載火箭正式誕生。2018年,SpaceX重型獵鷹運載火箭首次成功發射,并完成了兩枚一級助推火箭的完整回收。運載火箭的回收和重復使用使人類進入了太空探索的新階段。
俄羅斯、美國、中國、日本、印度和歐洲航天局已研制成功多種大、中、小運載能力的火箭。其中,美國研制的航天運載器主要有“先鋒號”運載火箭、“丘諾”系列運載火箭、“雷神”系列運載火箭、“宇宙神”系列運載火箭、“德爾塔”。俄羅斯研制的火箭主要有“東方號”系列運載火箭、“宇宙號”運載火箭、 “質子號”系列運載火箭、 “旋風號”系列運載火箭、“天頂號”運載火箭和“能源號”運載火箭等。中國自主研制了具有中國特色的長征系列運載火箭。
火箭定義
“火箭”一詞根據古書記載,最早出現在公元3世紀的三國時代,距今已有1700多年的歷史了。當時在敵我雙方的交戰中,人們把一種頭部帶有易燃物、點燃后射向敵方、飛行時帶火的箭叫做火箭。這是一種用來火攻的武器,實質上只不過是一種帶“火”的箭,在含義上與我們現在所稱的火箭相差甚遠。
發明發射藥之后,到了宋代,人們把裝有火藥的筒綁在箭桿上,或在箭桿內裝上火藥,點燃引火線后射出去,箭在飛行中借助火藥燃燒向后噴火所產生的反作用力使箭飛得更遠,人們又把這種噴火的箭叫做火箭。這種向后噴火、利用反作用力助推的箭,已具有現代火箭的雛形,可以稱之為原始的固體火箭。
現代火箭的含義是,是指一種自身既帶有燃料,又帶有助燃用的氧化劑,用火箭發動機作動力裝置,可在大氣層內飛行,也可在沒有空氣的大氣層外的太空飛行的飛行器。
發展歷程
萌芽時期
火箭是中國古代的重大發明之一。在公元一世紀,中國人已經掌握了一種由硝石、硫和木炭粉制成簡單發射藥的方法。公元969年,北宋軍官岳義方、馮繼升造出了世界上第一個以火藥為動力的飛行兵器--火箭。這種火箭由箭身和藥筒組成。藥筒用竹、厚紙制成,內充火藥,前端封死,后端引出導火繩,點燃后,火藥燃燒產生的氣體向后噴出,以氣體的反作用力把火箭推向前,飛行中殺傷敵兵。一種最早的原始火箭在工作原理上與現代火箭沒有什么不同。
公元12世紀中葉,原始的火箭經過改進后,廣泛地用于戰爭。公元1161年宋軍與金兵的“采石之戰”中所使用的“霹靂炮”,其實就是一種火箭兵器。當時在中國民間廣為流行的能高飛的“火流星”(亦稱“起火”),實際就是世界上第一種觀賞性火箭。
13世紀中葉,中國的火箭技術傳入了歐洲及世界其它地區。歐洲人最早使用火箭兵器,是在1379年意大利的帕多亞戰爭和1380年的威尼斯之戰中。公元13世紀以后,中國的火箭兵器在戰爭中有了很大發展,并發明了許多與現代火箭類型相近的火箭形式。
據史書記載,14世紀末,明朝一勇敢者萬戶坐在裝有47個當時最大的火箭的椅子上,雙手各持一大風箏,試圖借助火箭的推力和風箏的升力實現飛行的夢想。盡管這次試驗是一次失敗的悲劇,但萬戶被公認是嘗試利用火箭飛行的世界第一人。
近代將火箭用于戰爭開始于英國人康格列夫。1807年英軍圍攻丹麥的哥本哈根,發射了康格列夫制造的火箭,燒毀了城內的大部分建筑,使城市一半化為平地。據說在滑鐵盧與拿破侖大戰中英軍也使用了這種火箭。
探索時期
現代火箭的發展得益于火箭發動機的發展和液體火箭的誕生。19世紀80年代,瑞典工程師拉瓦爾發明了拉瓦爾噴管,使火箭發動機的設計日臻完善。
1903年,俄羅斯人康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基出版了《利用噴氣工具研究宇宙空間》著作,這本劃時代航天史書提出了齊奧爾科夫斯基公式:火箭飛行速度同火箭發動機噴氣速度、火箭質量、燃料質量關系的公式。
1915年,美國人羅伯特·H·戈達德嘗試各種類型的固體酒精并測量燃燒氣體的排氣速度。1919 年,美國人羅伯特·H·戈達德出版了一本名為《到達極限海拔的方法》的小冊子。這是對今天所謂的氣象探空火箭的數學分析。 羅伯特·哥達德最早的實驗是固體推進劑火箭。
1923年,赫爾曼·奧伯特出版了一本關于火箭進入外層空間的書。此后,世界各地涌現了許多小型火箭協會。在德國,太空旅行協會(Verein Fur Ra??umschiffahrt)的成立促成了 V-2 火箭的開發。1925年11月,美國科學家羅伯特·戈達德研制的液態火箭發動機試驗成功;接著,他又于1926年3月16日進行了世界上第一枚液體火箭的發射試驗,火箭成功地飛行了50多米。
1937 年,德國工程師和科學家在沃納·馮·布勞恩的領導下開始在波羅的海沿岸的佩內明德研制火箭。1942年10月3日,德國V-2火箭發射成功。V-2火箭最大速度為音速的4.8倍,最大射程320km,最大射高約100km,已經完全飛出了大氣層,V-2火箭的發射成功把航天先驅者康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基、羅伯特·哥達德和赫爾曼·奧伯特等的火箭理論變成了現實。
走向成熟
第二次世界大戰結束后,出于軍事目的,美國和蘇聯競相發展導彈。運載火箭在導彈技術的基礎上發展起來的。
1957年8月21日,前蘇聯第一枚洲際彈道導彈SS-6發射成功。以這種洲際導彈的火箭系統為基礎,蘇聯研制出了速度達到8km/s的大型運載火箭蘇聯一號。1957年10月4日,蘇聯用蘇聯一號三級火箭成功地發射了世界上衛星一號,標志著航天運載火箭正式誕生。1958年1月31日,美國用木星-C運載火箭成功地將第一顆人造地球衛星探險者1號送入軌道。
1961年4月12日,蘇聯成功地發射了世界上第一個載人飛船,尤里·加加林成為世界上第一名宇航員。1970年4月24日,中國用長征一號成功地將東方紅一號送入預定軌道,使中國成為世界上第五個能自主發射衛星的國家。
到20世紀80年代,前蘇聯、美國、法國、日本、中國、英國、印度和歐洲航天局已研制成功20多種大、中、小運載能力的火箭。最小的僅重10.2t,推力125kN,只能將1.48kg的人造衛星送入近地軌道;最大的重2900t,推力33500kN,能將120t重的載荷送入近地軌道。
1986年,軌道科學公司總工程師伊萊亞斯提出了從空中發射“飛馬座”運載火箭的設想。從空中發射是用飛機將運載火箭運送到高空后,再將火箭釋放,火箭在空中點火飛向預定軌道。
1990年4月5日,美國首次進行了“飛馬座”火箭發射試驗。那天是用改裝的B-52轟炸機,將“飛馬座”火箭送至1.3萬米的高空;然后,將其釋放,經5秒鐘,火箭下降了近100米;接著,“飛馬座”火箭開始點火,9分多鐘后,它將一顆重191千克的衛星送入584千米、軌道傾角為94°的極軌道,首次發射試驗獲得了成功。
1995年,俄羅斯、美國、烏克蘭、挪威等國的幾家公司成立了一家跨國股份公司,建造一個主要由一座海上石油開采平臺改裝的海上發射平臺和一艘指揮控制船組成的海上發射場。1999年10月19日,烏克蘭研制的天頂3號運載火箭在海上平臺首次進行了商業發射,順利地將美國一顆重達3.45噸的直播電視衛星送入預定軌道。
新世紀的發展
2002年6月,埃隆·馬斯克(ElonMusk)創辦了SpaceX。2010年6月4日,太空探索技術公司研制的可回收式中型運載火箭獵鷹9號完成首次發射。2010年12月8日,獵鷹9號火箭成功將“龍飛船”發射到地球軌道,這是全球有史以來首次由私人企業向太空發射飛船,開啟了太空運載的私人運營時代。
2015年12月22日(當地時間2015年12月21日),獵鷹9號運載火箭在成功將11枚微型通信衛星送入軌道后,其第一級火箭成功降落。這是獵鷹9號火箭首次實現發射、回收全過程,同時也是人類第一次實現一級火箭回收。
2016年4月9日凌晨4時52分,獵鷹九號搭載著龍飛船順利升空,一級火箭助推器分離之后,一級火箭穩穩降落在海上平臺,實現了海上回收的歷史性突破。2018年2月7日4點45分,SpaceX的重型獵鷹運載火箭在美國肯尼迪航天中心首次成功發射,并成功完成兩枚一級助推火箭的完整回收。運載火箭的回收和重復使用使人類進入了太空探索的新階段。
工作原理
火箭推進原理依據的是牛頓第三運動定律:作用力和反作用力大小相等,方向相反。
火箭是靠火箭發動機向前推進的。火箭發動機點火以后,推進劑(液體的或固體的燃料加氧化劑)在發動機燃燒室里燃燒,產生大量高壓氣體;高壓氣體從發動機噴管高速噴出,對火箭產生反作用力,使火箭沿氣體噴射的反方向前進。
固體推進劑是從底層向頂層或從內層向外層快速燃燒的。 而液體推進劑是用高壓氣體對燃料與氧化劑貯箱增壓,然后用渦輪泵將燃料與氧化劑輸送進燃燒室。推進劑的能量在發動機內轉化為燃氣的動能,形成高速氣流噴出,產生推力。
多級火箭的工作原理,就是把幾支單級火箭串聯或并聯在一起,構成一個大的火箭系統。其中的每一級都是一支可以獨立工作的火箭,它們各自分階段地完成飛行任務。
首先是第一級火箭點火,此時整個火箭便騰空而起;當第一級的推進劑耗盡時,第二級點火工作,同時將第一級的殼體扔掉,此時由于甩掉了一部分已經無用的結構重量,從而使整個火箭輕裝前進;當第二級的推進劑耗盡時,第三級點火工作,同時將第二級的殼體扔掉,這樣一級接一級,好似接力賽一樣,越跑越輕,越跑越快。直到最后一級火箭工作結束時,將裝在末級火箭頂端的航天器進入太空軌道。
結構組成
火箭主要的組成部分有結構系統、動力裝置系統和控制系統,這三大系統稱為運載火箭的主系統,主系統工作的可靠性將直接影響運載火箭飛行的成敗。此外,運載火箭上還有一些不直接影響飛行成敗并由箭上設備與地面設備共同組成的系統。
箭體結構系統
運載火箭的箭體結構是運載火箭的基體,它把運載火箭各系統組合在一起形成一個完整的整體,用來維持火箭的外形,承受在地面運輸、發射操作和飛行等過程中作用在火箭上的各種載荷,安裝連接火箭各系統的所有儀器、設備。
在設計運載火箭的箭體結構時,應使箭體具有良好的氣動外形,以保證運載火箭的飛行性能;在保證箭體結構有足夠的強度和剛度條件下,質量要輕;在滿足使用要求和可靠的情況下,結構應簡單;要有足夠的空間用來安裝運載火箭上所有儀器、設備,并滿足它們正常工作所需的環境條件,如壓力、溫度和振動等要求。此外,箭體結構還要滿足運載火箭在地面操作過程中,便于對箭上的儀器、設備進行檢查、測試、維修和更換,在制造過程中有良好的工藝性和經濟性等要求。
液體運載火箭的箭體主要由推進劑貯箱、儀器艙、推力結構、尾段和尾翼、有效載荷整流罩等組件組成。、
固體運載火箭的箭體結構除了沒有推進劑貯箱、箱間段和發動機架外,其他與液體運載火箭的箭體結構基本相同。其中固體火箭發動機的殼體常構成箭體承力結構的一部分。
推進劑貯箱
液體火箭的推進劑貯箱用來存貯推進劑,它占了箭體很大一部分空間。采用雙組元推進劑的火箭有兩個貯箱,一個裝氧化劑,一個裝燃燒劑。如用單組元推進劑,有一個貯箱就夠了。
大多數運載火箭的推進劑貯箱,不但用來存貯推進劑,而且是箭體承力結構的一部分。推進劑貯箱要求密封,裝上推進劑后不允許有泄漏。
用作推進劑貯箱的材料必須與存貯的推進劑相容。所謂相容,就是兩者能和平共處:一方面材料能抗推進劑的腐蝕,另一方面材料對推進劑不起物理化學作用,不使推進劑的化學成份或品質發生變化。
貯箱一般為圓筒形,前后有兩個箱底,中間為圓柱形的殼段,用焊接方法把兩個箱底與殼段焊成一個圓筒形容器。在兩個獨立的圓筒形貯箱之間有一個連接段,叫做箱間段。利用箱間段的空間可安裝一些儀器或設備,安全自毀系統的爆炸裝置常放在這里。
儀器艙
儀器艙是集中安裝控制系統和其他系統的儀器、設備的艙段。運載火箭的儀器艙常安排在箭體靠前端部位,這里離發動機較遠,振動小,對儀器設備有利。
推力結構
推力結構是用來安裝發動機并把推力傳給箭體的承力組件,常見的推力結構有構架式結構與半硬殼式結構兩種型式。構架式推力結構又叫發動機架。
尾段和尾翼
尾段在箭體的最后部位,所以稱尾段。它不僅是個發動機艙,而且在整個火箭豎立在發射臺上時起支撐作用。有的運載火箭在尾段外面還裝有尾翼,有的則沒有,尾翼起穩定火箭飛行的作用??梢愿鶕?a href="/hebeideji/7296491233903591474.html">運載火箭在大氣層內飛行時箭體氣動穩定狀態,在控制系統方案設計時決定要不要裝尾翼。串聯式多級火箭在級與級連接的部位還有一個級間段,它是級與級分離的部位。級與級之間分離有兩種狀態,一種叫熱分離,就是上面一級火箭先點火,然后兩級之間再分開;一種叫冷分離,就是兩級之間先分開,然后上面一級火箭再點火。采用熱分離的火箭,其級間段常采用構架式結構,便于在分離前,上面級發動機的火焰可以順暢排出。箱間段、儀器艙、尾段、尾翼和級間段殼體常采用鋁合金材料。發動機架、構架式級間段則由鋼管焊接而成。
有效載荷整流罩
有效載荷整流罩位于運載火箭前端。當運載火箭在大氣層內飛行時,它用來保護有效載荷不受氣動力和氣動加熱的影響;當運載火箭飛出大氣層后,它已不起作用,此時,為減輕火箭質量,整流罩即被拋掉。整流罩應有足夠的剛度,且質量要輕,因此常采用蜂窩結構。常用的有鋁蜂窩結構、玻璃鋼蜂窩結構和碳纖維蜂窩結構。用于運送載人飛船的運載火箭,在其整流罩的上端裝有逃逸救生火箭。當運載火箭在飛行中出現不正常情況危及航天員生命時,逃逸火箭立即點火,帶著整流罩和整流罩內的載人飛船一起迅速脫離運載火箭,飛向一個安全區。這種整流罩要承受很大的逃逸載荷,因此都采用由高強度鋁合金、合金鋼和鐵合金制成的半硬殼式結構。
分離機構
在箭體結構的組成中,還包括一些機構,最常見的機構是分離機構。分離機構具有連接與分離雙重作用。在運載火箭上要分離的部位,有多級火箭的助推器與芯級火箭的分離、上面級與下面級的分離、整流罩與箭體的分離及有效載荷與箭體的分離等。常用的分離機構有:爆炸螺栓、爆炸分離螺母、包帶機構、火工鎖機構和拉桿式鎖鉤機構等多種形式。
動力裝置系統
動力裝置系統是推動運載火箭飛行并獲得一定速度的裝置。對液體火箭來說,動力裝置系統由推進劑輸送、增壓系統和液態火箭發動機兩大部分組成。對固體火箭來說,其動力裝置系統較簡單,主要部分就是固體火箭發動機,推進劑直接裝在發動機的燃燒室殼體內。
動力裝置系統能產生強大的動力,使運載火箭達到預定的速度,從而把衛星、載人飛船、空間站、空間探測器等有效載荷送入太空。
控制系統
控制系統是用來控制運載火箭沿預定軌道正??煽匡w行的部分??刂葡到y由制導和導航系統、姿態控制系統、電源供配電和時序控制系統三大部分組成。制導系統由導引系統和控制系統組成,其中導引系統采用慣性導引系統,控制系統采用液壓舵機、燃氣舵機或擺動發動機。制導系統的作用是使運載火箭沿預定軌道正??煽匡w行,把有效載荷送到預定的空間位置并使之準確進入軌道。姿態控制系統(又稱姿態穩定系統)的功用是糾正運載火箭飛行中的俯仰、偏航、滾動誤差,使之保持正確的飛行姿態。電源供配電和時序控制系統則按預定飛行時序實施供配電控制。
其他系統
運載火箭上還有一些不直接影響飛行成敗并由箭上設備與地面設備共同組成的系統,例如遙測系統、外彈道測量系統、安全系統和瞄準系統等。
火箭分類
按推進劑分
根據所使用推進劑,火箭分為固體火箭、液體火箭、混合推進劑火箭。
固體燃料火箭
固體火箭是利用固體火箭發動機推進的火箭,又稱固體推進劑火箭。固體火箭發動機是使用固體推進劑的化學火箭發動機。固體推進劑點燃后在燃燒室中燃燒,化學能轉換為熱能,生成高溫高壓的燃燒產物。燃燒產物流經噴管,在其內膨脹加速,使熱能轉變為動能,以極高的速度噴出產生推力。
固體火箭發動機的優點是:結構簡單,密度大,貯存在燃燒室內的推進劑可以常備待用,能在自旋狀態下工作,失重狀態下點火容易;缺點是:比沖較低,工作時間短,加速度大,不利于載人飛行,發動機工作對推進劑初溫較敏感,推力不易調節,多次啟動和重復使用困難。
固體火箭發動機適用于戰略導彈、戰術導彈、探空火箭和運載火箭等
液體燃料火箭
液體火箭是利用液態火箭發動機推進的火箭,又稱液體推進劑火箭。液體火箭發動機是使用液體推進劑的化學火箭發動機,它的特點是比沖高,能多次啟動和調節推力,可作為助推發動機、主發動機、游動發動機、姿態控制發動機和遠地點發動機使用。使用液體推進劑的姿態控制發動機還可用于固體火箭。
液體火箭發動機一般由推力室、推進劑供應系統和發動機控制系統組成,有時還包括推進劑貯箱
混合推進劑火箭
混合推進劑火箭是利用混合推進劑火箭發動機推進的火箭?;旌贤七M劑火箭發動機是組合使用液體和固體推進劑的化學火箭發動機,由噴注器、燃燒室(內裝藥柱)、噴管和貯箱等組成?;旌贤七M劑火箭發動機的比沖和體積比沖介于液體和固體火箭發動機之間,它可以像液態火箭發動機那樣能夠進行推力調節,而且只需要一套液體管路、活門和附件,系統較簡單。但混合推進劑火箭發動機的燃速低,燃燒不均勻,效率低,一般用于執行特殊任務的導彈
按能源分
根據所使用能源,火箭可分為化學火箭、核能火箭、電火箭、太陽能火箭、激光火箭、光子火箭等。
化學火箭
化學火箭是利用化學火箭發動機推進的火箭
電火箭
電火箭是利用電火箭發動機推進的火箭。電火箭發動機將推進劑電離成粒子,并使它們高速噴出, 以產生推力。電火箭發動機與化學火箭發動機不同,其能源和工質是分開的。電能由飛行器提供,一般由太陽能、核能或化學能經轉換裝置得到。推進劑常用氫、氮、氧或汞和堿金屬(錨、釧、鋰等)的蒸氣。電火箭發動機比沖高、壽命長(可啟動上萬次,累計工作時間達上萬小時)。電火箭有電熱式、靜電式和電磁式三種
核能火箭
核能火箭是利用核火箭發動機推進的火箭。核火箭發動機利用重元素的核裂變反應或放射性衰變釋放出的熱量來加熱推進劑,并使之高速噴出,以產生推力。人們曾設想讓液氫通過核反應堆,吸收反應堆的熱量后,其溫度可急劇升至約2500°C,然后進入噴管內膨脹并高速噴出。由于核裂變的能量比推進劑燃燒產生的能量約大100萬倍,因此核能火箭自身的質量比化學火箭小很多,有效載荷的質量也會大大增加。這種核能火箭還在研究中
太陽能火箭
太陽能火箭是靠太陽加熱式火箭發動機推進的火箭。太陽加熱式火箭發動機的工作原理是:利用發動機上的輕型拋物面反射鏡,將太陽光聚集到火箭燃燒室,熱能將推進劑(如氫)加熱到2000多攝氏度,加熱后的推進劑從噴管高速噴出產生推力。這種發動機的比沖可達400-700 So太陽能火箭的推力一般不超過5N,只能作為太空動力,但作用時間長,可使航天器慢慢加速。太陽能火箭離太陽越遠,陽光越弱,推力越小
激光火箭
激光火箭是用強激光束加熱推進劑并產生推力的火箭。激光火箭的工作原理是:強激光束將氣體推進劑加熱到很高的溫度,使原子電離,形成等離子區,并發生微型爆炸。爆炸產生的沖擊波以超聲速迎著激光擴散,一方面產生作用力,另一方面使激光失去作用。沖擊波過后,激光恢復作用,再產生沖擊波,如此循環,形成了激光脈沖。激光火箭使用很少的推進劑就能在宇宙空間中連續、大規模地運輸物資,如使用固定發射裝置從地面或月球上發射激光火箭,可將材料、設備和儀器零件等運送到空間站、軌道工廠或航天器上
光子火箭
光子火箭是用光子火箭發動機推進的火箭。光子火箭發動機靠電磁輻射量子(光子)的定向流產生推力,理論上來看,它具有最高的效能和比沖,其主要結構部件是光子源。為了在光子源中獲得足夠大的光壓,通常需要50000-250000 K的高溫。光子火箭尚處于理論探索階段
按射程分
按火箭的射程可分為近程火箭、中程火箭、遠程火箭等。一般來說,近程火箭的射程在2000 km以內,中程火箭的射程在2000—8000 km之間,遠程火箭的射程為8000 km以上,其中射程在10000km以上的又叫洲際火箭。
按級數分
火箭按級數可分為單級火箭、多級火箭。其中,多級火箭按級與級之間的連接形式分為串聯型、并聯型、串并聯混合型三種。串聯型火箭級與級之間的連接分離機構簡單,其上面級的火箭發動機在高空點火。并聯型火箭的連接分離機構比串聯型復雜,其核芯級第一級火箭與助推火箭在地面同時點火
按功用分
火箭按其功用一般可分為衛星火箭、布雷火箭、氣象火箭、防雹火箭、探空火箭和運載火箭。
按有無控制功能分
火箭按有無控制功能可分為有控火箭、無控火箭。
火箭發射
發射方式
運載火箭大致有三種發射方式:一是從陸基固定發射場發射,二是從海上平臺發射,三是從空中發射。
陸上發射
陸上發射,是指在陸地上依托發射場等設施實施運載火箭發射。陸上發射的優點是地面發射裝置便于安裝和維護,火箭發射瞄準便于實施,也可以確保發射安全。陸上發射又分為固定場區發射和機動發射兩種方式。固定場區發射是指建立固定發射塔架,火箭依托塔架實施發射,適合于中大型火箭發射。機動發射則指依托機動發射車及配套裝置適時改變地點實施運載火箭發射的方式,機動發射的主要目的是提高特殊情況下航天器發射的生存能力和靈活性,要求運載火箭小型化,能夠快速轉移。
陸上發射是火箭發射的通用方法。在地面發射時火箭的安裝、維護及火箭發射瞄準比較方便,適當選擇發射場就能確保發射。
地面發射場有的規模很大,設施齊全,可以發射多種型號的運載火箭。但地面發射場受地理位置等種種因素的制約,限制了航天器的發射范圍。
海上發射
海上發射,是指在海上建立發射平臺,實施火箭發射。與地面發射場相比,從海上平臺發射運載火箭同樣具有多種優勢。首先,可以靈活選擇發射地點,當選擇在赤道附近海域發射時,能充分借助地球的自轉速度,提高運載火箭的運載能力;同時,海上發射能夠遠離人口稠密地區,有助于減少火箭發射對人的不利影響,降低火箭出現故障后的附加危害風險。發射地區的安全問題、污染問題也可降到最小程度。
空中發射
空中發射,是指將火箭通過飛機(稱為載機)運送到高空后,再釋放火箭,火箭在空中點火實施發射??罩邪l射火箭主要有兩方面優勢:一是運輸火箭的載機相當于火箭的基礎級,火箭釋放時已經具有一定的速度和高度,能夠提高火箭本身的運載能力。同對等的從地面發射的運載火箭相比,運載能力幾乎可以提高一倍。二是火箭在同溫層實施發射,基本不再受天氣情況和地理位置的影響,發射窗口增加,擴大軌道傾角的范圍,因而具有很大的靈活性。從空中發射,地面輔助設備較少,發射操作簡單,易于解決發射時的安全問題。
發射過程
運載火箭由相對于發射平臺靜止的狀態起飛、加速到進入正常導引彈道的過程稱為發射過程,簡稱發射。廣義的發射過程包括以下步驟:
飛行程序
運載火箭在專門的航天發射中心發射。火箭從地面起飛直到進入最終軌道要經過以下幾個飛行階段:
發射軌道
用火箭發射航天器時,運載火箭從地面起飛到將航天器送入運行軌道的軌跡稱為運載火箭的發射軌道。航天器進入運行軌道稱為入軌。入軌的初始位置稱為入軌點。入軌點也就是運載火箭最后一級發動機的關機點。入軌點航天器的運動參數決定了航天器的運行軌道,所以,運載火箭發射軌道的設計,必須使末級火箭發動機關機時滿足航天器入軌點的運動參數。
運載火箭的發射軌道與彈道導彈的主動段相似,都是從地面短距/垂直起降機,按預定的飛行程序轉彎,穿越大氣層,達到預定的高度和速度時關閉發動機,將航天器送入預定軌道。根據入軌情況不同,運載火箭的發射軌道分為直接入軌、滑行入軌和過渡入軌三種類型。
運載能力
運載能力指火箭能送入預定軌道的有效載荷重量,是運載火箭的重要技術指標。有效載荷的軌道種類較多,所需的能量也不同,因此在標明運載能力時要區別近地軌道、太陽同步軌道、地球同步衛星過渡軌道、行星探測器軌道等幾種情況。表示運載能力的另一種方法是給出火箭達到某一特征速度時的有效載荷重量。各種軌道與特征速度之間有一定的對應關系。例如把衛星送入185km高度圓軌道所需要的特征速度為7.8km/s,1000km高度圓軌道需8.3km/s,地球同步衛星過渡軌道需10.25km/s,探測太陽系需12-20km/s。
應用
如果火箭攜帶戰斗部,則稱為火箭武器。如果有效載荷是測量地球空間環境的科學儀器,則稱之為探空火箭;如果有效載荷是人造地球衛星或載人飛船,則稱之為運載火箭。
火箭武器
早期的火箭武器,發射出去之后都不再進行控制。這種稱為火箭彈的無控火箭武器,其命中目標的精度差,作戰效率不高,發揮的威力有限。隨著戰爭的需要,迫切要求提高武器的命中精度,于是一種在火箭上裝上控制設備以控制其飛行的武器應運而生。這種武器被稱為“導彈”。
一枚導彈是由兩個主要部分組成,一是戰斗部,二是運載器。真正直接用來作戰的是戰斗部。戰斗部內裝的可以是炸藥,也可以是核武器、化學武器或其他裝置。運載器則是用來把戰斗部送向目標的一種可控制的飛行器,由結構系統、動力裝置系統和控制系統等組成。運載器可以是有控的火箭,也可以是其他類型的飛行器。
運載火箭
運載火箭是由多級火箭組成的,用有控火箭作運載器的航天運輸工具。
運載火箭不但可以用來運送戰斗部,并使其擊中目標構成導彈;而且可以用來運送各種類型的航天器,例如,人造地球衛星、載人飛船、空氣站和空間探測器等,并使他們準確進入軌道。早期運送航天器的運載火箭就是從導彈運載派生出來的。隨著航天器類型與數量的增多,航天發射范圍的擴大,發射航天器的運載火箭開始獨立發展并自成系列。
由于運載火箭可以在大氣層外飛行,所以它已成為人類進行航天活動必不可少的工具。運載火箭技術亦已成為一個國家航天技術的重要基礎。
探空火箭
探空火箭是在近地空間進行探測和科學試驗的火箭。
探空火箭一般由箭體結構、動力裝置和穩定尾翼組成。有效載荷(控制儀器和信息發送設備等)裝在火箭前端的儀器艙內。動力裝置常用固體火箭發動機。
利用探空火箭可以探測大氣各層結構、成分和參數,研究電離層、地磁場、宇宙線、太陽紫外線、X射線和隕塵等多種日一地物理現象,為彈道導彈、運載火箭、人造衛星和載人飛船等飛行器的研究提供必要的環境參數。運載火箭是由多級火箭組成的航天運輸工具。
探空火箭一般對姿態和飛行彈道的要求不高,不像導彈和運載火箭那樣嚴格,可以不設控制系統,僅靠穩定尾翼或火箭繞縱軸旋轉來保證飛行的穩定。
各國典型火箭
美國
俄羅斯
中國
長征一號、長征二號系列運載火箭、長征三號、長征四號、長征六號、長征十一號、長征七號、長征五號運載火箭等,形成了具有中國特色的長征系列運載火箭家族。
歐洲
歐洲航天局成立于1975年,參加國多是歐盟成員國,這個組織成立的宗旨是要讓歐洲的太空技術趕超蘇聯和美國。成立伊始,它就把發展火箭技術當作首要目標,為此由11個國家參與組建,成立了阿里亞娜空間公司。
日本
印度
印度已研制成功兩種全固體推進劑運載火箭SLV-3(衛星運載火箭-3)和ASLV(改進型衛星運載火箭)。SLV-3是四級火箭,全長23米,起飛推力55000牛頓,可將60千克有效載荷送入近地軌道。ASLV 是在SLV-3基礎上增加了兩臺固體助推器,使有效載荷增加到180千克。
參考資料 >
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中國是火箭的故鄉——火箭的歷史.新浪網.2024-10-24
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什么是火箭?火箭與導彈有什么區別?運載火箭是怎樣發展起來的?.國家航天局.2024-12-31
中國長征系列運載火箭家族全解析.中國政府網.2025-01-01
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運載火箭的發射有幾種方式?我國有哪幾個主要發射場?它們各有什么特點?.探月與深空探測網.2025-01-16
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運載火箭的箭體結構由哪幾自部分組成?它們都起什么作用?是用什么材料制成的?.國家航天局.2025-01-16
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歐洲航天局的火箭發展之路.國家航天局.2025-01-01
日本運載火箭系列.中國載人航天工程.2025-01-01