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探索太空
第二章探索太空
§7太空飞行基础
7.1运载火箭
7.1.1中国古代的火箭
运载火箭是航天的基础,并且在很大程度上决定了航天技术发展的规模和水平。
现在,运载火箭已经发展到很完善的程度,这是全人类智慧的结晶,其中包括我国古代对火箭技术发展的巨大贡献。
火药是我国的四大发明之一。
火药出现后,很快被军事专家所注意和掌握。
1161年11月,金过在侵略中原时,曾遭受南宋军队的先进火器“霹雳炮”的重大打击,这是历史上第一次在战场上使用的火箭武器。
明朝是中国古代火箭发展的重要时期,在这个时期,火箭种类繁多,除单只火箭外,还发展了各种集束火箭、火箭弹和原始的多级火箭。
另外还出现了许多讨论火攻技术的军事技术著作,对各种火箭的制造、应用和发射剂原料配比等都作了详尽的叙述。
明朝茅元义的名著《武备志》记载了10多种集束火箭和两种二级火箭。
明代的火箭技术远远领先于西方。
利用火箭为动力,乘火箭升空的第一个人也是一位中国人,他的名字叫万户。
他在坐椅的背后装上47支大火箭,把自己绑在椅子的前边,两只手各拿一个大风筝,然后令仆人手持火把按口令点燃全部火箭。
他的目的是借助火箭向前推进的力量加上上升的力量飞上天去。
可惜他的想法太简单了,一声巨响以后,一股强大的火焰冲出。
万户升天了,他消失在烈火浓烟之中。
一个大胆的火箭飞行尝试,因过于盲目,缺少科学性而失败了,但他勇敢探索的精神却铭记在世人的心中。
苏联两位火箭专家在他们合著的《火箭技术导论》中写到:
“中国人不仅是火箭的发明者,而且是首先用固体火箭将人送往空中的幻想者。
”德国火箭专家威利李在《火箭导弹和宇宙航行》一书中,称赞万户“这位博学而勇敢的中国宫员,在公元1500年,通过发明并试验一种火箭飞行器,颇为壮观地自我牺牲了”。
美国科学家把月球上的一座环形山命名为“万户”,以纪念他对人类火箭事业的奉献。
从构造上讲,中国古代火箭虽然比较原始,但它是现代火箭的雏形,并且具备了现代固体火箭所拥有的基本构件:
用竹管或纸筒作为发动机,用箭杆作为箭身,用箭头作为战斗部,用尾翼作为控制飞行方向的稳定部件,还有作为确定火箭初始发射方向的发射装置。
火箭的尾部安装有铁块作为配重,使火箭头部的重量与尾部的重量相平衡,以便在飞行时姿态平稳,着就是现代火箭的重量分配问题。
7.1.2火箭理论的奠基人
从古老的火箭提升到现代火箭,经历了几百年。
20世纪初,出现了几位火箭研究的杰出人物。
其中最著名的是现代航天学和火箭推进奠基人,俄罗斯的齐奥尔科夫斯基。
1883年,他最早阐述了火箭在宇宙空间飞行的原理。
1903年,他提出了宇宙航行最基本、最重要的公式,即著名的齐奥尔科夫斯基公式:
v=wln(M0/M)式中,V表示火箭能达到的最大速度,w为火命发动机的喷气速度,M0代表火箭起飞时质量,M为推进剂耗尽时火箭的质量,M0/M又称火箭质量比,ln是自然对数符号。
这个公式清楚地表明:
增加发动机喷气速度或质量比,均可提高火箭飞行速度。
为此,只要采用优质、高效的火箭推进剂,多装燃料,减轻火箭重量,太空飞行就可以实现。
齐奥尔科夫斯基另一杰出贡献,还在于他指出了液体推进剂是实现人类宇宙飞行最好的燃料。
它不仅比固定推进剂性能优异,而目也容易控制。
今天,绝大多数的火箭、导弹使用这种发动机。
当时齐氏还提出了液氧和液氢组成高能推进剂的配方比例。
40年后,这个配方在美国著名的“土星5号”登月火箭上得到了验证和使用。
7.1.3液体火箭与固体火箭
7.1.4现代运载火箭家族
1.中国长征系列火箭
中国自1956年开始展开现代火箭的研制工作。
1964年6月29日,中国自行设计研制的中程火箭试飞成功之后,即着手研制多级火箭,向空间技术进军。
经过了五年的艰苦努力,1970年4月24日“长征1号”运载火箭诞生,首次发射“东方红1号”卫星成功。
中国航天技术迈出了重要的一步。
现在,“长征”系列火箭已经走向世界,享誉全球,在国际发射市场占有重要一席。
目前投入商业发射的“长征”系列火箭有
“长征1号”运载火箭是一种三级火箭,主要用于发射近地轨道小型有效载荷。
火箭全长29.86米,最大直径2.25米,起飞重量81.6吨,起飞推力112吨,能把300千克重的卫星送入440公里高的近地轨道。
1970年4月24日,长征1号运载火箭成功地将“东方红1号”卫星送入预定轨道,奠定了长征系列火箭发展的基础。
“长征1号D”运载火箭是“长征1号”火箭的改进型。
主要的改进有:
提高一子级发动机推力;提高二、三子级性能;采用“平台-计算机”全惯性制导。
经过改进,“长征1号D”火箭可以发射各种低轨道卫星,并已投入商业发射。
“长征2号”运载火箭是中国的航天运载器的基础型号。
在“长征1号”的技术基础上,发展了“长征2号”、“长征3号”和“长征四号”系列运载器。
“长征2号”火箭是一种两级火箭,全长31.17米,最大直径3.35米,起飞重量190吨,能把1.8吨的卫星送入距地面数百公里的椭圆形轨道。
1975年11月26日,“长征2号”火箭完成了中国第一颗返回式卫星的发射任务。
改进型“长征2号C”火箭,采用了大推力液体火箭发动机,箭长增加到35.15米,近地轨道的运载能力增加到2.4吨,火箭的可靠性也大大提高。
“长征2号D”火箭,也是一种两级液体火箭。
主要在“长征2号”火箭的基础上采取增加推进剂加注量和增大起飞推力的方法,使运载能力进一步提高。
火箭全长38.3米,起飞重量232吨。
“长征2号E”捆绑火箭,是以加长型“长征2号C”为芯级,并在第一级周围捆绑四个液体助推器组成的低轨道两级液体推进剂火箭。
火箭总长49.68米,直径3.35米。
每个液体助推器长为15.4米,直径2.25米,芯级最大直径4.2米。
总起飞重量461吨,起飞推力600吨,能把8.8吨至9.2吨有效载荷送入近地轨道;经适当适应性修改后,还可以用来发射小型载人飞船。
“长征3号”运载火箭是在“长征2号”火箭基础上于1984年研制成功的,增加的第三级采用低温高能液氢液氧发动机。
火箭全长44.86米,一、二级直径3.35米,三级直径2.25米,起飞重量204.88吨,同步转移轨道运载能力为1.6吨。
“长征3号”火箭的成功发射,标志着中国运载火箭技术跨入世界先进行列,是中国火箭发展上的一个重要里程碑:
它首次采用了液氢、液氧作火箭推进剂;首次实现火箭的多次启动;首次将有效载荷送入地球同步转移轨道。
“长征3号A”火箭长52.52米,最大直径3.35米,起飞重量240吨,主要运载地球同步转移轨道的有效载荷,也可以运载低轨道、极轨道或逃逸轨道的有效载荷。
“长征3号B”火箭是在“长征3号A”和“长征2号E”火箭的基础上研制的大型三级液体捆绑火箭,芯级基本上就是“长征3号A”,而助推器及其捆绑结构则与“长征2号E”相同。
“长征3号B”火箭的主要任务是发射地球同步转移轨道的重型卫星,亦可进行轻型卫星的一箭多星发射或发射其它轨道的卫星。
火箭长54.84米,最大直径8.45米,地球同步转移轨道的运载能力为5.0吨。
“长征3号C”则是在“长征3号B”的基础上,减少了两个助推器并取消了助推器上的尾翼。
其主要任务是发射地球同步转移轨道的有效载荷,可以进行一箭多星发射或发射其它轨道的卫星。
火箭长54.84米,最大直径8.45米,地球同步转移轨道的运载能力为3.7吨。
“长征4号”系列运载火箭包括“风暴1号”、“长征4号”、“长征4号A”、“长征4号B”等火箭。
“风暴1号”为两级液体火箭,主要用于发射低轨道卫星,并成功完成一箭三星的发射任务。
火箭长32.57米,最大直径3.35米。
1982年停止使用。
“长征4号”是在“风暴1号”基础上研制的三级常规运载火箭,作为发射地球同步转移轨道卫星运载火箭的另一方案,其后改型为“长征4号A”,用于发射太阳同步轨道卫星。
火箭长41.9米,最大直径3.35米。
“长征4号B”是在“长征4号A”基础上发展的一种运载能力更大的运载火箭,主要用于发射太阳同步轨道的对地观察应用卫星。
火箭长45.58米,最大直径3.35米。
2.俄罗斯火箭系列
“东方号”系列火箭是世界上第一个航天运载火箭系列,包括“卫星号”、“月球号”、“东方号”、“上升号”、“闪电号”、“联盟号”、“进步号”等型号,后四种火箭又构成“联盟号”子系列火箭。
“东方号”运载火箭是对“月球号”火箭略加改进而构成的,主要是增加了一子级的推进剂质量和提高了二子级发动机的性能。
这种火箭的中心是一个两级火箭,周围有四个长19.8米、直径2.68米的助推火箭。
中心的两级火箭,一子级长28.75米,二子级长2.98米,呈圆筒形状。
发射时,中心火箭发动机和四个助推火箭发动机同时点火。
大约两分钟后,助推火箭分离脱落,主火箭继续工作两分钟后,也熄火脱落。
接着末级火箭点火工作,直到把有效载荷送入绕地球的轨道。
东方号火箭因发射“东方号”宇宙飞船而得名,1961年4月12日把世界上第一位宇航员加加林送上地球轨道飞行并安全返回地面。
“联盟号”火箭是“联盟号”子系列中的两级型火箭,系通过挖掘“东方号”火箭一子级的潜力和采用新的更大推力的二子级研制而成。
因发射联盟系列载人飞船而得名。
最长49.52米,起飞重量310吨,近地轨道的运载能力约为7.2吨。
“能源号”运载火箭是前苏联的一种重型的通用运载火箭,也是目前世界上起飞质量与推力最大的火箭。
“能源号”运载火箭的主要任务有:
发射多次使用的轨道飞行器;向近地空间发射大型飞行器、大型空间站的基本舱或其它舱段、大型太阳能装置;向近地轨道或地球同步轨道发射重型军用、民用卫星;向月球、火星或深层空间发射大型有效载荷。
“能源号”运载火箭长约60米,总重2400吨,起飞推力3500吨,能把100吨有效载荷送上近地轨道。
火箭分助推级和芯级两级,助推级由四台液体助推器构成,每个助推器长32米,直径4米;芯级长60米,直径8米,由四台液体火箭发动机组成。
发射时,助推级和芯级同时点火,助推级四台助推火箭工作完毕后,芯级将有效载荷加速到亚轨道速度,在预定的轨道高度与有效载荷分离。
尔后有效载荷靠自身发动机动力进入轨道。
“能源号”运载火箭成为前苏联运载火箭发展的一个新的里程碑。
“质子号”系列运载火箭是前苏联第一种非导弹衍生的、专为航天任务设计的大型运载器。
在“能源号”重型火箭投入使用以前,该型号是前苏联运载能力最大的运载火箭。
“质子号”系列共有三种型号:
二级型、三级型和四级型。
二级型“质子号”共发射了三颗“质子号”卫星,此后便停止使用。
火箭全长41米,最大直径7.4米。
三级型“质子号”主要用于“礼炮号”、“和平号”等空间站的发射。
火箭全长57米,最大直径7.4米。
四级型“质子号”主要用于发射各类大型星际探测器和地球同步轨道卫星。
火箭全长57.2米,最大直径7.4米。
“天顶号”是前苏联的一种中型运载火箭,主要是用来发射轨道高度在1500km以下的军用和民用卫星、经过改进的“联盟号”TM型载人飞船和“进步号”改进型货运飞船。
“天顶号”2型是两级运载火箭,其一子级还被用作“能源号”火箭助推级的助推器。
“天顶号”3型是三级运载火箭,它在二型的基础上,增加了一个远地点级,用于将有效载荷送入地球同步轨道、其它高轨道或星际飞行轨道。
2型与3型用的一子级和二子极是相同的。
“天顶号”是前苏联继“旋风号”后第二个利用全自动发射系统实施发射的运载火箭。
在发射厂,火箭呈水平状态进行总装、测试、转运至发射台。
所有发射操作,包括火箭离开总装测试厂房,由铁路转运至发射台、起竖、连接电路、气动与液压系统、测试、加注推进剂、点火等都是按照事先确定的程序自动进行的。
“天顶号”2型最大长度57米,最大直径3.9米。
“天顶号”3型最大长度61.4米,最大直径3.9米。
3.美国火箭系列
“大力神”系列运载火箭由洲际弹道导弹“大力神2”发展而来,包括“大力神2”、“大力神3”、“大力神34”、“大力神4”、“商业大力神3”子系列火箭。
“大力神2”系列火箭有“大力神2LV-4”、“大力神2SLV”、“大力神2s”等几种型号。
“大力神2LV-4”是为“双子星座”载人飞船计划而服务,火箭长33.22米,最大直径3.05米。
“大力神3”系列火箭由美国国防部主持研制,有A、B、C、D、E五种型号,可发射各种轨道卫星,有代表性的是“大力神3C”火箭。
该火箭由“大力神3A”发展而来,主要用于发射军用同步轨道卫星。
火箭最长50.6米,最大直径9.7米。
“大力神34”系列火箭有34B、34D、34D/惯性上面级、34D/过渡级等几种型号。
主要用于发射军用卫星。
“大力神34B”为三级火箭,最大直径3.05米。
“大力神34D”长49.35米,最大直径9.82米。
“商业大力神3”火箭是“大力神34D”的改型,其设计完全出于商业目的,火箭的各种整流罩可适用于目前各种商业有效载荷。
火箭长48.2米,最大直径9.82米。
“大力神4”系列火箭是“大力神34D”的改型,系美国空军预备在航天飞机不能满足军需时使用的火箭。
主要用于发射太阳同步轨道大型军用卫星及其它军用卫星。
“德尔塔”系列运载火箭是在“雷神”中程导弹基础上发展起来的航天运载器。
它是世界上成员最多,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。
“德尔塔”原型火箭由“先锋号”火箭和“雷神”中程导弹组成,火箭长28.06米,最大直径2.44米。
“德尔塔2914”火箭是该系列火箭中发射次数最多的一种火箭主要用于发射地球同步轨道卫星。
火箭长35.36米,最大直径4.11米。
“土星”系列运载火箭是美国国家航空航天局专为阿波罗登月计划研制的大型液体运载火箭,先后研制的型号有“土星I”、“土星IB”、“土星V”三种型号。
“土星I”为研制型,用于阿波罗登月计划早期地球轨道飞行试验和发射“飞马座”宇宙尘探测卫星。
全箭长57.3米,最大直径6.53米。
“土星IB”为改进型,用于载人或不载人飞船地球轨道飞行试验,为“土星V”积累经验。
全箭长68.63米,最大直径6.6米。
“土星V”是最终型,专为阿波罗登月而设计。
全箭长110.64米,最大直径10.06米。
“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“雷神-艾布尔”、“雷神-艾布尔星”、“雷神-博纳”、“加大推力雷神-阿金纳”等型号。
“雷神-艾布尔”型是三级运载火箭,综合了“雷神”中程导弹和“先锋号”火箭而成,箭长27.28米,最大直径2.44米。
“雷神-艾布尔星”是“雷神-艾布尔”的改进型,其长度缩短,运载能力增大,结构简化,可靠性增强。
该箭长24.11米,最大直径2.44米。
“雷神-博纳”是为满足美国空军发射中、小型卫星而设计的。
箭长21.56米,最大直径2.44米。
“加大推力雷神-阿金纳D”型火箭是为发射大质量侦察卫星而研制的,在“雷神”基础级上增加三台固体助推器,并组合“阿金纳D”上面级而形成。
箭长29米,最大直径2.44米。
“宇宙神”系列运载火箭由“宇宙神”洲际弹道导弹发展而成的,主要有“宇宙神D”、“宇宙神多级系列”、“宇宙神I”等型号系列
“宇宙神D”是美国发射载人飞船的第一枚运载火箭,该火箭是在“宇宙神D”洲际弹道导弹的基础上经适当改进而成,箭长29.07米,最大直径4.87米。
“宇宙神SLV-3C-半人马座D”火箭为多级火箭。
该火箭是“宇宙神”火箭系列中首次使用低温液氢液氧上面级的火箭,箭长38.35米,最大直径4.87米。
“宇宙神I”是“宇宙神G-半人马座D-1A”的一个改进型。
地球同步转移轨道运载能力为2.25至2.34吨,主要用于商业发射。
箭长42-43.9米,起飞质量163.9吨。
7.1.5新型运载工具
一、电火箭
二、太阳帆
7.2航天器轨道
7.2.1力学基本定律
一、万有引力定律
(7-1)
由7-1式可求出地球对在任意距离r处的物体的引力。
若Me是地球质量,是地球半径,某物体的质量为m,
当r=Re时,
(7-2)
当r>Re时,
(7-3)
若一个质量为m的卫星围绕地球作圆形轨道运动,则作用在卫星上的引力为
这个力就是卫星作圆周运动所需的向心力,
(7-4)
卫星的旋转周期
(7-5)
二、第一、二、三宇宙速度
人造卫星绕地球旋转,其旋转半径等于地球半径是所具有的速度,称为第一宇宙速度v1,因为r=Re,由(7-4)可知,可以证明,
卫星的旋转周期为
第二宇宙速度是指从地球表面发射一个能够永远摆脱地球引力的航天器所需要的速度。
第三宇宙速度是指物体摆脱太阳引力所需要的最小速度。
这个速度的计算比较复杂。
其大小为16.4km/s.
7.2.2轨道参数
一、圆锥曲线方程
(7-6)
这里p称为半通径。
(7-7)
二、轨道参数
图7-1轨道参数
描述轨道尺寸的参数:
半长轴a
描述轨道形状的参数:
偏心率e
轨道平面与赤道平面的交点有两个,航天器从地球南半球上空飞往北半球上空时所通过是交点称为升交点。
反之称降交点。
轨道平面在空间的方位,用交线的经度(即春分点γ方向与交线之间的夹角)来表示。
轨道在平面内的定向,则由真近点角θ(当航天器在椭圆轨道的R处时,从焦点f2到R与f2到近地点P的两向径的夹角)表示(见图7-2)。
轨道倾角i:
地球赤道平面与轨道平面的夹角。
平近点角M:
设t是飞行中任一时刻,n为平均角速度,则平近点角M为
M=n(t-)(7-8)
式中为卫星通过近地点的时刻。
尽管真近点角具有实际意义,但计算十分困难,因此,引入偏近点角E,作为平近点角与真近点角两个量的中间量,即从中心点到近地点P与到卫星在半径等于椭圆轨道半长轴轨道上的投影之间的夹角。
图7-2偏近点角E示意图
根据开普勒方程
E-esinE=M(7-9)
可由M求出E。
表7-1地球卫星轨道六要素
7.2.3典型的卫星轨道
一、极轨轨道
当轨道倾角是90︒时,卫星将穿过极区,因此这种轨道称为极轨轨道。
实际上,凡是轨道倾角在90︒左右的都称为极轨。
小于90︒的称为顺行轨道,大于90︒的称逆行轨道。
沿这种轨道运行的航天器,每圈都经过南、北极地区,再加上地球自转效应,能达到覆盖全球的目的。
二、地球同步轨道
地球同步轨道为运行周期等于地球周期(23小时56分4秒)的顺行轨道。
根据轨道周期与半长轴的关系,地球同步轨道的半长轴a为42164公里。
由于沿此轨道运行的航天器与地球自转同步,故若不考虑摄动因素,则航天器每天在相同的时间经过相同地方地方的上空。
三、太阳同步轨道
前面所叙述的轨道特性,都是视地球为均匀的球体,轨道要素中五个要素,如倾角、升交点赤经等均为常值。
实际地球的质量分布不同于均匀球体,在赤道附近膨胀凸起,这隆起的部分可视为附加质量,对于处在南、北半球的卫星产生附加的不通过地心的引力,使卫星轨道面不再是固定不变,而是向东或是向西转动,其速率不仅与代表地球质量扁平分布的参数有关,还与轨道高度、倾角、偏心率有关。
如选择轨道半长轴和倾角,使轨道进动方向和速率,与地球绕太阳周年转动的方向和速率相同(即经过365.24平太阳日,地球完成一次360︒的周年运动),此特定设计的轨道称为太阳同步轨道。
太阳同步轨道的主要特点是太阳照射轨道平面的方向在一年内基本不变,即地面的光照条件大致相同,因此有利于对地面进行可见光观测。
7.2.4拉格朗日点
意大利籍法国数学家Larange发现在两个互作轨道运动的物体附近有5个特殊点,在这些点,一个小质量的第三个物体可以在到两个大物体固定距离处轨道运行。
更准确地说,在Larange点标出的位置,两个大物体对第三体的引力精确地等于围绕它们旋转所要求的向心力。
图7-3Lagrange点的位置
5个Lagrange点中,3个是不稳定的,2个是稳定的。
不稳定的点标为L1,L2和L3-位于两个大物体的联线。
稳定的Lagrange点标为L4和L5-是两个等边三角形的顶点,等边三角形的另两个点是大质量物体所在处。
日地系统的L1点能不间断地观测太阳,目前SOHO飞船就在这个位置。
日地系统的L2点是MAP卫星中心地,也许NGST也落户在这里。
目前还没有任何国家利用L3点,因为该点总是隐藏在太阳的后面。
在L3点隐藏"Planet-X"的想法在科幻小说中很流行。
PlanetX轨道的不稳定性没有阻止Hollywood拍摄经典的影片TheManfromPlanetX.
L4和L5点是稳定轨道的中心,只要两个大物体的质量比超过24.96。
这个条件对地球-太阳、地球-月亮系统和太阳系中许多其它成对物体是满足的。
7.4空间交会对接技术
7.4.1空间交会对接基本概念和内容
7.4.2空间交会对接的主要方式
空间轨道交会可以有多种形式,这里介绍两个航天器S1和S2在同一轨道平面内,各自沿半径为r1、r2圆形轨道按相同方向绕地球运行的情况。
假定S1要沿椭圆轨道运行与S2交会,该轨道与S1和S2的圆形轨道相切,如图7-4所示。
图7-4轨道交会示意图
设航天器椭圆轨道的半长轴为
则航天器验此椭圆轨道运行的周期为
S2在自己轨道上运行的周期是
若S1与S2在A点会合,则S1从B点到A点的运行时间应等于T/2,这个时间也等于S2通过角θ所需的时间,即T2(θ/2π),故
因而可得
这表明,只有当S2位于θ角时,才能与从B发出的S1会合。
若两者的速度不同,为了实现对接,还需改变它们的速度。
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