正文 < 太空生活 < 休闲文摘 < 首页 :当前 
透视太空奇侠
来源:世界百科全书 作者: 发布时间:4-12

  航天运载火箭扮演太空奇侠的角色, 在征服宇宙的舞台上演出了一幕幕令人瞠目结舌的活剧.它集当今多种高新科学技术於一身, 综合了众多学科的成果, 是一个庞大复杂的系统工程.火箭這位太空奇侠大闹天宫, 全靠它本身各个部分拥有的一套神奇本领.這位太空奇侠一般由箭体结构、动力装置和控制系统三大部分组成.

  箭体结构即火箭的壳体, 它犹如奇侠的骨架, 系火箭各个受力和支承构件的总成, 通常包括头部的有效载荷整流罩、仪器舱、推进剂贮箱、发动机舱和尾段, 有的大型运载火箭还有尾翼.火箭壳体内可以安装连接有效载荷、仪器设备和动力装置, 贮存推进剂, 承受地面操作和飞行中的载荷, 可以使火箭有良好的空气动力外形, 把火箭的各个部件牢固地组成一个整体.火箭头部的整流罩, 用以保护所载物体和减小空气阻力.火箭头部飞出大气层时, 整流罩即被抛掉, 以减轻火箭质量, 把有效载荷送入预定轨道; 仪器舱集中安装控制设备; 推进剂贮箱用於装载推进剂, 要占火箭质量的80%~90%, 体积也要占绝大部分, 因此为了加大运载能力, 要千方百计减轻推进剂贮箱的质量; 发动机舱除装火箭发动机外, 还用來在发射架上支撑整个火箭保持飞行时的外形.

  火箭结构所用的材料, 对火箭至关重要.铝合金是火箭必不可少的常用材料, 它很轻, 结实、耐用、防腐蚀, 加工容易, 广泛用於火箭壳体的蒙皮和骨架零件, 但它抗变形的刚度还不很理想.钛合金, 强度高, 具有优良的抗腐蚀和耐温性能.它在500℃高温下不变形, 在—100℃时不变脆, 在海水里泡几天也不生锈, 因此它是制作火箭发动机壳体、高压气瓶、低温贮箱和各种管路的最佳材料.但它的切削加工性较差, 需要加热成型.镁合金减震性能好, 常用來制造火箭壁板结构的翼面、舱段及其他骨架零件.铍合金刚性最大, 用它制成零件尺寸特别稳定.火箭上一些变形限制非常严格的零部件, 如陀螺导航系统, 常用铍合金.

  复合材料是新兴的材料, 它用不同的纤维边缠绕边用树酯粘连而成.玻璃纤维、有机纤维的强度特别高; 碳纤维的刚度非常高; 硼纤维则刚、强兼备; 碳化硅、陶瓷纤维能耐高温, 它們配以不同的树酯制成不同的复合材料, 其性能一般大大超过现有的許多金属材料.

  动力装置包括火箭发动机和推进剂输送系统, 犹如奇侠的心脏, 是使运载火箭产生运动的动力來源.液体火箭有发动机和推进剂输送系统, 固体火箭则没有推进剂输送系统.动力装置能产生强大的推力, 使运载火箭达到预定的速度.液体火箭发动机由燃烧室、喷管、涡轮泵和活门四部分组成.燃烧室是推进剂混合燃烧的地方, 产生高温高压气体, 以高速从喷管排出, 形成强大的推力; 喷管要经受住高温高压, 必须选用高强度耐热合金材料, 而且还要有冷却措施; 涡轮泵是利用燃气发生器产生的气体吹动涡轮, 带动离心泵, 使燃料和氧化剂注入燃烧室; 活门则控制发动机的启开和关闭, 调节进入管路中推进剂的流量.整个输送系统保证推进剂具有必要的泵入口压力, 使离心泵正常工作.

  火箭发动机使用的燃料由氧化剂和燃料兩部分组成, 它們很大程度地影响着发动机性能, 在一枚火箭的总质量中, 燃料占了90%以上.目前液体运载火箭大多使用中能 (常规) 可贮存推进剂, 包括氧化剂中的硝酸、四氧化二氮, 燃料中的混肼50、偏二甲肼.作为高能推进剂的液氢、液氧, 最近十多年來发展迅速, 一般用作顶级火箭的推进剂.当前, 液体推进剂正向兩个方向发展, 一是对现有推进剂进行改性, 如美国在"阿金纳"火箭上采用高密度的改性酸, 四氧化二氮含量由原來的13%~15%提高为44%~46%, 密度增大0.1~15, 使发动机比冲提高了6 秒, 可以提高火箭的有效载荷.另一个发展方向是研究新型推进剂, 比如用液氟与肼组合, 比冲可达376 秒.

  固体火箭的推进剂一般分为双基推进剂、改性双基推进剂和复合固体推进剂.目前各国固体火箭大都用的是复合固体推进剂, 比冲在230~260 秒左右.這种推进剂由粘合剂系统、氧化剂、填料和各种助燃剂组成.固体推进剂要根据不同的需要浇铸成不同形状的药柱, 供发动机使用.比如端面燃料药柱适用於低推力、长时间工作的发动机; 星孔形侧面燃烧剂多在主发动机上使用.

  控制系统犹如奇侠的神经中枢, 能实时测量和控制火箭的飞行姿态、位置和速度, 保证火箭姿态稳定, 使其按预定弹道飞行, 并控制火箭发动机关机, 使有效载荷精确入轨运行.

  火箭的稳定飞行, 要靠控制系统.這个系统包括制导、姿态控制等.运载火箭的制导, 通常有惯性制导和无线电制导兩种.惯性制导是依靠运载火箭内的仪器测量火箭的加速度而进行工作, 主要部件有陀螺仪、加速度表、计算机等; 无线电制导由地面用雷达或无线电將测出的运载火箭的方位及速度, 经过计算比较, 把修正飞行误差的指令送到运载火箭上, 通过运载火箭上的控制系统來修正飞行航线, 以及接收地面发出的发动机熄火信号來关闭发动机.

  這种控制系统有兩大作用: 一是控制火箭向前飞行, 即控制火箭的质心沿预定的弹道运动; 二是控制火箭的姿态, 也就是控制火箭质心的运动.火箭一般装上尾翼, 就可在大气中稳定飞行.但现代大型运载火箭往往在几十公里到几百公里的高空飞行, 那里空气非常稀薄, 尾翼就显得无所作为.所以, 现代火箭的稳定飞行不能单靠尾翼的作用, 必须在火箭上安装专门的自动控制设备.当火箭偏离航向时, 自动控制设备就能发出信号, 调整火箭的推力方向, 使火箭回到预定的航线上稳定飞行.

  火箭上的自动控制设备, 由敏感元件、中间装置和执行机构三大部分组成.敏感元件就像人的眼睛和神经, 观测和感知火箭的飞行状态是否正常, 发现火箭是否偏离航线.在早期的火箭上, 敏感元件一般用陀螺仪.陀螺高速旋转时, 它的旋转轴方向保持不变, 因此, 当火箭改变飞行方向时, 火箭轴与陀螺旋转轴之间的夹角就发生变化.然后通过电位器, 把這个角度改变量转换成电信号, 并传給中间装置, 经过比较和放大以后, 经中间线路驱动执行机构发出指令, 把火箭修正到预定的航线上來.火箭的执行机构通常有空气舵、燃气舵、摇摆发动机, 游动发动机等几种.大型运载火箭大部分时间在大气层外飞行, 用尾翼作空气舵, 效率很低, 控制常用可动喷管和二次喷射的方式來实现.所以, 现代大型运载火箭都没有尾翼, 或者尾翼很小.

  在现代运载火箭上, 敏感元件多改用惯性平台.由惯性平台测出火箭飞行中的姿态, 传送到箭上计算机, 经计算机运算后又传送給自动驾驶仪.自动驾驶仪根据计算机提供的火箭飞行姿态角、速率, 去控制各级发动机, 摆动燃烧室和喷管, 从而改变推力方向, 修正火箭的航行.

  此外, 从广义上讲, 运载火箭还包括安全、遥测和发射系统.安全系统用於火箭在飞行中出现故障、落点超出允許范围而危及地面安全时, 对火箭实施控制, 终止火箭飞行并令其自毁.遥测系统是把火箭飞行过程中各系统的工作性能参数、环境条件以及飞行故障参数, 通过无线电多路通信方式传到地面, 然后分析故障, 鉴定和改进火箭性能.发射系统包括火箭实施发射的运输、起竖、控制、加注、供电、通信、消防、瞄准、跟踪等装置, 保证火箭按预定程序成功飞行.

 
下一页:成为航天员有条件