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第8章 运载火箭(2)

液体推进剂能量大,产生的推力大,而且比较容易控制,燃烧时间较长,因此成为运载火箭的主要燃料。但是和固体推进剂相比,液体推进剂有一个明显的不足:这些液体推进剂都是液态的,不易储藏,需要在零下200撮氏度左右的环境中保存,否则就会汽化,因此对它的保存技术要求很高。使用它们的火箭,燃料都是临时注入的,所以液体火箭中会多一个推进剂储存箱。

液体燃料

可以做液体燃料的物质有很多,它既可以是单纯物、化合物,也可以是混合物。常用的液体推进剂有液氧、四氧化二氮、硝酸、液氢、偏二甲肼、一甲基肼、肼、过氧化氢和碳氢化合物等。混合物的组合有酒精和液态氧、煤油和液态氧或者液态氢和液态氧等。推进剂除了要求有高的能量外,还必须具有冰点低、沸点高、密度大、毒性小、点火与燃烧性能好等特点。

固液燃料

由于不论是固体火箭发动机还是液体火箭发动机,在各具优点的同时,也各有一定的缺点,因此科学家近来致力于开发一种新型的推进剂——固液火箭推进剂。与液体推进剂和固体推进剂相比,它具有高安全性,高可靠性和低成本等特点,是目前火箭推进剂的一个发展方向,有着广阔的发展前景。

火箭发射场

要成功地发射火箭,还必须有地面发射设备和发射设施。早期的火箭发射场基本是果用导弹发射场,后来有了专门的火箭发射场。日前,世界上已有17座拥有一定规模的航天发射基地。

发射场须靠近赤道

在选择发射场时,尽量选择低纬度地区,最好选择在赤道附近,因为这样可使火箭发射后得到地球自转赋予的向东的初速度,提高运载能力。目前,国际上公认理想的发射场是设在南美洲圭亚那库鲁的发射场。该发射场的纬度为南纬5度,由欧洲有关空间机构管理。世界着名的发射场有美国佛罗里达州的卞纳维拉尔角肯尼迪航天中心,哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射中心,中国的酒泉卫星发射中心等。

选址条件

1.交通:要邻近工业区,以便交通。

2.人口密度:要远离人口稠密的地区,以防止发射失败后所造成的人员和财产的损失。

3.天气:雷雨少、湿度低、风速低、温差变化不大的地方,以免仪器受到湿度的影响(生锈等问题)。

4.水源:要有丰富的水源,为仪器降温。

5.地点:应尽量靠近赤道的低纬度地区,因为飞船的航道都是在赤道的附近。

6.地势:要地质坚实,又要平坦广阔,更要有良好的布局和发射条件。

海上发射

与地面发射场相比,从海上平台发射运载火箭具有多种优势。首先能够灵活选择发射地点,而且在海上发射时,周围没有居民点,火箭落区的选择范围较大,从而可使多级火箭的设计更加优化,进步提高火箭的运载能力;其次,发射地区的安全问题,污染问题也可降到最小程度。1999年10月19日,乌克兰研制的“天顶”3号运载火箭在海上平台首次进行了商业发射,顺利地将美国一颗重达3.45吨的直播电视卫星送入预定轨道。

肯尼迪航天中心

位于美国佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心,1947年被辟为火箭试验发射场。它南北长56千米,东西宽20千米,濒临大西洋,地理条件优越,是各种航天器理想的发射场所。该中心包括技术阵地和发射阵地两大部分。在技术阵地建有火箭及卫星、飞船组装检测厂房。特别引人注目的是装配大楼,其容积360万立方米,高160米,楼内备有各种先进的测试仪器和显示,记录设备。发射阵地建在5千米外,拥有发射控制中心和发射台整个航天中心有23个发射阵地,其中着名的39号发射阵地有A、B两座发射台,许多大型航天器大都从这里飞出地球,如美国第一颗人造卫星、第一架航天飞机都是从这里启程的。

拜科努尔航天中心

始建于1955年的拜科努尔航天中心位于莫斯科东南2100千米的哈萨克斯坦的丘拉坦沙漠地带。这里地势广阔装备优良。世界上第一颗人造卫星、第一架载人飞船与后来的“联盟”号系列载人飞船“礼炮”号和“和平”号空间站,以及“月球”号、“金星”号。“火星”号空间探测器和部分人造卫星也都是从这里发射进入太空的。

中国第一个卫星发射场——酒泉卫星发射中心始建于1958年,位于甘肃酒泉市东北。这里地理位置优越,一年中适合航天发射的天数高达320天,是发射载人航天器的理想场所。酒泉卫星发射中心发射了我国第一枚导弹、第一枚导弹核武器、第一支火箭和第一颗人造地球卫星等等。在中国已成功发射的卫星中,有三分之二是从酒泉卫星发射中心发射上天的。

火箭升空

当运载火箭由制造厂运抵发射场后,各部门的发射准备工作就开始全面启动了,包括运载火箭的检查、测试、转运、加注推进剂、发射程序制定与数据的计算、点火发射、跟踪测量、安全控制、指挥通信、地面勤务保障等多力而的工作。当倒计时开始“10、9、8……3、2、1”到“发射!”火箭腾空而起……这其中凝聚着许多人的心血,因为运载火箭的发射是一项综合性的系统工程,它需要各方面人员的共同协作。

火箭发射准备

运载火箭首先进人技术准备区的专用厂房。在这里对火箭上的仪器设备进行全方位的检测;台格后再转运到发射区,并将其竖立在发射台上再次进行检测;检测结束后,向运载火箭加注推进剂,并进行瞄准定位,随后发射工作进入倒计时阶段。

垂直发射

众所周知,火箭的体积和重量是非常大的。火箭想要飞上太空,需要很大的动力,而火箭能携带的燃料也是有定标准的。如果火箭不是垂直发射而是倾斜发射的,那么火箭就一定要在倾斜的发射架上滑行非常长的距离,才能获得足够的起飞力量,这会多消耗很多能量,并且要有很长的发射架;加上火箭飞行中所受的空气阻力和大气的密度压力、温度有直接联系,而空气的因素又随高度的不同而发生变化。所以,垂直发射能够使火箭尽快地穿过浓密的大气层而进入高空飞行,以降低能量的消耗。如此可知,垂直发射火箭是最合理的发射方法。

发射窗口

允许航天器发射的时间范围,叫做发射窗口,用运载火箭发射航天器,不是任何时候都可以进行的,要有年份、月份、日期和时刻的选择。比如,哈雷彗星以76年为周期回归,哈雷彗星探测器应建在其回归太阳系的几个连续年份中发射,火星与地球的汇合周期为780天。火星探测应在火星与地球汇合前后连续的几个月份中发射;有些航天器必须在某个月内连续的几天中发射;由于工作条件和轨道要求以及气象的限制,有些航天器必须在某日内某个时刻到另一个时刻内发射。

1小时准备

运载火箭的倒计时由发射窗口所确定的发射时间之前1个小阳开始,叫做1小时准备,然后是30分钟准备,15分钟准备,5分钟准备,1分钟准备,最后是从10开始倒数至1,运载火箭点火起飞,采用低温推进剂的运载火箭,由于低温推进剂极易蒸发,必须严格控制推进剂加注后的时间,因此常提前到离发射时间4~7小时就开始进入倒计时阶段。

火箭发射过程

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