《运载火箭总体概论》部分摘录

RuohongZhao

科普转贴：《运载火箭总体概论》（李福昌　余梦伦　朱维增）部分内容

一　运载火箭组成
运载火箭是将各种人造卫星、飞船和空间站等航天器送入太空及遥远天体的运载工具，一般由箭体结构、推进系统、控制系统、飞行测量及安全系统、附加系统等分系统组成。独立的运载火箭不能完成发射任务，需要有一整套的发射支持系统及工程设施来配合。火箭运载系统即是指运载火箭、发射支持系统和工程设施的总称。
发射支持系统包含有以下各分系统：运输、加注、发射、测试发控、定位定向、供电供气、监控指挥、测量、起吊安装、气象保障及辅助设备等。
工程设施包括发射场、航区测控站等，它具有一定的通用性，能适应尽可能多的火箭型号进行发射。
发射场是发射火箭的特定区域，它由装配、测试、气象、勤务塔、脐带塔、加注与供气库房、控制指挥中心、测控站和数据处理中心等部分组成。
1 箭体结构
箭体结构是火箭各个受力和支承结构件的总称。其功能是安装连接有效载荷、仪器设备、推进系统和储存推进剂，承受地面操作和飞行中的各种载荷，维持良好的外形以保证火箭的完整。
液体推进剂火箭结构包括：有效载荷整流罩、推进剂贮箱、仪器舱、箱间段、级间段、发动机支承结构、仪器支架、导管、活门和尾段、尾翼等。
有效载荷整流罩的作用是在大气层内飞行时保护有效载荷免受气动载荷及热流的影响，并使火箭维持良好的气动外形。飞出大气层后，整流罩即被抛弃，以减轻重量。
推进剂贮箱占据箭体结构的绝大部分，它除储存推进剂外，还是火箭的承力结构。
级间段是多级火箭的级间连接部件，级间热分离时，它使上面级发动机的喷流能顺畅排出。我国长征火箭系列主要采用“杆系”式或“薄壁加筋壳窗口”式结构，前者排气面积较大，排气通畅；后者结构质量轻、抗扭刚度大，但设计难度较大。
2 推进系统
推进系统的功能是产生推力，为推动火箭提供能源。
液体火箭的推进系统包括火箭发动机及推进剂输送系统两部分。液体火箭发动机目前一般采用泵式推进剂供应，它按要求的流量和压力将推进剂泵入推力室，燃烧而产生推力。液体火箭的推进剂输送系统是按要求将推进剂从推进剂贮箱内输送到发动机泵入口。为保证泵不产生气蚀，推进剂贮箱内必须增压。增压也有利于火箭承受飞行中的各种外力载荷。大型运载火箭在输送系统中还设置了推进剂利用系统，它保证火箭在飞行时、在受各种内外干扰条件下，推进剂按预定混合比消耗，使剩余量最小，从而增大运载能力。
3 控制系统
控制系统的作用是控制火箭姿态稳定，使其按预定轨道飞行，并控制火箭发动机关机，达到预定的速度，将有效载荷送入预定的轨道。控制系统由制导、姿态控制和控制系统综合三部分组成。
制导系统由测量、控制装置和计算机等组成。其功能是测量和计算火箭的位置、速度、加速度和轨道参数等，与预先装定的参数比较，形成制导指令。通过导引信号控制火箭方向，使它沿一定的轨道飞行，并发出发动机关机指令，使有效载荷进入预定轨道。我国长征火箭系列的制导系统一般采用惯性制导。按其参照的基准不同，又分为平台惯性制导和捷联惯性制导。
姿态控制系统由敏感装置、计算机和执行机构三部分组成。敏感装置测量箭体姿态的变化并输出信号；计算机对各姿态信号和导引指令按一定控制规律进行运算、校正和放大并输出控制信号；执行机构根据控制信号产生控制力矩，控制火箭的姿态。
控制系统综合包括电源配电、时序和测试线路等，将制导、姿态控制和系统综合组成一个完整系统。
4 飞行测量及安全系统
飞行测量及安全系统的功能是测量火箭飞行过程中各种关键参数，并判断其是否安全飞行。飞行测量包括遥测及外测。
“遥测”系统的作用是对火箭飞行中各系统的工作参数及环境参数进行测量，通过远距离无线电传输和回收装置送回地面，为评定火箭各分系统工作状态、分析故障、鉴定和改进火箭性能提供依据。遥测系统的箭上设备主要有传感器、变换器、中间装置和无线电发射设备，将测得的物理量转变为电信号，用无线电多路通信方式向地面传输，由地面接收站将信号进行解调、变换和处理；或用磁记录器记录速变参数，进行软回收或硬回收。
“外测”是外弹道测量的简称，即利用光、电波等的特性对火箭进行跟踪并测量其飞行运动参数。外测系统的主要设备在地面，如各种雷达及光学设备，而箭上设备仅是应答机、天线和光学合作目标等。近年来发展了利用全球定位系统GPS 对火箭进行定位测量，使箭上设备更为简化，精度也更为提高。外测的目的有两个：一是为评定飞行性能及制导精度分析提供数据；二是为飞行安全、故障分析和处理服务。
安全系统的作用是火箭在飞行中若出现故障、飞行弹道超出允许范围而危及地面安全时，将火箭炸毁。箭上自毁系统由敏感装置、计算装置及爆炸装置组成，根据姿态故障或接收地面安控炸毁信号，自动或人工发出爆炸指令，进行自毁。
5 箭上附加系统
一些比较独立的、又不可缺少的箭上小系统统称为附加系统，如瞄准系统、垂直度调整系统、推进剂加注与液位测量系统和空调系统等。瞄准系统用来确定位于发射点的火箭的初始方位，控制火箭对准发射方向。垂直度调整系统用来调整火箭竖立状态下的垂直度；推进剂加注与液位测量系统用来对火箭进行推进剂及气源的加注，进行液面测量及温度监测；而空调系统则对火箭各舱段、有效载荷整流罩等进行保温及温度、湿度调节。


二　运载火箭主要技术指标
1 运载能力
运载火箭的运载能力是根据有效载荷的质量、目标轨道及发射场的地理位置所确定的。如长征二号E运载能力技术指标是：200 公里圆轨道（LEO），轨道倾角28.5°，有效载荷质量9.5 吨。长征三号B运载能力技术指标是：地面同步转移轨道（GTO），轨道倾角28.5°，有效载荷质量5.1 吨。描述运载能力常用到的轨道术语：
LEO （Low Earth Orbit ）——近地轨道；
GTO （Geosynchronous Transfer Orbit ）——地球同步转移轨道；
LMEO （Low - Medium Earth Orbit） ——中近地轨道；
SSO （Sun Synchronous Orbit ）——太阳同步轨道；
GEO（Geostationary Earth Orbit ）——地球静止轨道。
在运载能力的设计中进行火箭型式选择及轨道分析，以期得到最节省能量的最优轨道，将最大的有效载荷质量送到所需要的轨道上去。
2 入轨精度
不同用途的有效载荷有不同的入轨精度要求。运载火箭与有效载荷分离时刻的入轨精度按下列6 个轨道要素给出：长半轴Δα 、椭圆偏心率Δe （或近地点高角ΔHp） 、轨道倾角Δi 、升交点赤径ΔΩ 、近地点幅角Δω 、轨道周期Δ T 。这些要素的精度是由入轨点的位置偏差、速度偏差和发射时间偏差所决定的，它取决于运载火箭的制导精度及发射时刻的偏差。
3 入轨姿态精度
入轨姿态精度指有效载荷分离后有效载荷的姿态角偏差及角速度。入轨点的初始姿态及角速度精度由火箭姿态控制系统所确定。
4 有效载荷整流罩净空间
可供有效载荷整流罩内安装有效载荷的空间称为净空间，净空间的规定明确了有效载荷的外包络不能超过所规定的净空间。规定净空间必须考虑静态的各种对接框的机械加工误差及动态（飞行时） 的各种热、力载荷引起的变形。
在运载火箭提供发射服务时，有效载荷结构的局部可以有允许超出净空间的规定，但必须通过双方协调，经运载火箭研制方分析、协调，并在接口控制文件中加以确认方可。
5
有效载荷接口
有效载荷接口包括机械接口和电气接口。
机械接口是指有效载荷与火箭对接的尺寸和连接、分离方式。国际上通用的机械接口有937 、1194 、1497 等，它是指对接的名义尺寸，单位为mm。这些接口在国际上较为常用，但还没有达到国际标准化的程度。
电气接口是指有效载荷需要运载火箭提供的电信号特性及相互间电气连接的协调关系，如接插件的型号、接点数和电特性等。
6
环境条件
环境包括：过载、冲击、振动、噪声、热和电磁兼容等。
有效载荷应能承受运载火箭在发射准备期间及火箭飞行期间产生的上述环境。有效载荷所能承受的环境也是运载火箭设计的依据之一。在提供发射服务时应明确上述环境指标，以便使有效载荷方能判断是否能适应这些环境指标。
7
可靠性
可靠性是指火箭在规定的条件下和规定的时间内，完成规定任务的概率。可靠性包括飞行可靠性及发射可靠性。
飞行可靠性：运载火箭完成发射点火后，在规定的环境条件下，按规定的飞行程序及要求，将有效载荷送入预定轨道的能力。
发射可靠性：火箭运载系统在规定的贮存期内，在规定的地面环境条件下，按规定的要求完成发射准备及点火任务的能力。
目前，国际上成熟的运载火箭的可靠性水平：飞行可靠性0.95 以上；发射可靠性0.9 以上；载人运载器的飞行可靠性已达到0.98～0.99 以上。

三　运载火箭概念
1 运载火箭飞行原理
火箭是依靠火箭发动机产生的推力向前运动的，在运动过程中，发动机不断喷出高速燃气流，随着推进剂的消耗，火箭的质量不断减小，因此，火箭的运动是一个变质量物体的运动。
火箭的前进速度为v ，发动机燃气流以相对火箭的速度ue 向后喷出，单位时间喷出的燃气质量用m表示，则火箭每瞬时的质量与火箭飞行时间的关系可表示为：
M = M0 -∫0tm dt
式中：M0 ——火箭起飞时刻的质量；

M ——火箭t 时刻的质量。
因火箭的质量是逐渐减少的，故火箭质量的变化率dM/dt是负值，m = - dM/dt。
根据动量守恒定律，火箭系统在dt时段内的动量变化等于外力的冲量。由此可以导出下式：
M·dv/dt= - dM/dt·ue + ∑Fi
式中：
dM／dt·ue ——表示发动机燃气流的动量变化率，即火箭的推力；
∑Fi ——表示作用在火箭上的其它外力的合力。
　　这是表示火箭运动原理的基本方程式。
2 有关火箭飞行的几个概念
（1） 作用在火箭上的力
任何物体改变运动状态都是由于外界对它施加作用力的结果，火箭在空间飞行时，不断地改变着它的运动状态，也是由于有外力作用的结果。作用于火箭上的力有地球引力G 、气动力R 、火箭推力P 和控制力等。
（2） 火箭的理想速度
忽略火箭的引力和气动力，不考虑大气的影响，只在发动机推力作用下火箭的飞行速度称为理想速度，在这种情况下，火箭的运动方程可以简化为：
M·dv／dt= -dM／dt·ue
进而可以导出：
v = - ue ln（M／M0）
此式即为火箭的理想速度公式，也称齐奥尔科夫斯基公式。把火箭关机点的条件代入上式，即可得到火箭关机时刻能达到的理想速度：
vk = - ue lnMk／M0= - ue lnμk
式中：M0 ——起飞时刻火箭的质量；
Mk ——关机时刻火箭的质量；
μk
——火箭关机点（或停火点） 质量比，μk =Mk／M0
从理想速度公式可以看出，火箭结构的质量越小，推进剂的质量越大，也就是火箭的质量比越小，火箭在关机时刻达到的理想速度就越大。因此，提高火箭的飞行速度有两个办法：一是提高火箭发动机产生的燃气流排出速度，选用高能推进剂，并提高火箭发动机的性能；二是降低火箭的结构系数，即尽可能减轻火箭关机点的死重，尽量增加推进剂的加注量。

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火箭公式实用且容易理解，有很高的科普价值。掌握后可以明白究竟哪些因素影响火箭的运载能力、航天器的变轨能力。有些问题，用齐式火箭公式简单分析一下，虽然不一定能够得到比较准确的结论，但至少可以避免犯一些常识性的错误。

经常使用“比冲”（Isp）这个物理量计算，再整理一下：

如果比冲单位是s，公式为：
delta-v = g0 * Isp * ln(Mk/M0)
g0：地表重力加速度。数值约等于9.8

如果比冲单位是Ns/kg（量纲等同于m/s，和“等效排气速度”物理意义相同），公式为：
delta-v = Isp * ln(Mk/M0)