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除了发射塔,火箭还能怎么射

时间:2017年05月17日 信息来源:《科学大院》 点击: 【字体:

在现今世界上,关于火箭发射的各种消息可谓层出不穷。

多数火箭发射都是在发射塔上完成的,我们在电视上看到的火箭发射基本也都是这种场景。然而,有那么几种火箭,偏偏不走寻常路,采用一些特别的发射方式,这里就让我们一一认识它们吧。

1 特别方式 核潜艇发射 可发射任何轨道倾角的卫星

冷战结束后,俄、美开始削减军备,为了消化之前的导弹库存,俄罗斯航天技术人员铸剑为犁,将R-29RM型潜射导弹改装成了可以发射人造卫星的Shtil’型运载火箭。

1998年7月7日,曾经创造纪录的新莫斯科夫斯克号潜艇在巴伦支海上发射了一枚Shtil’型运载火箭,成功将德国柏林技术大学的Tubsat-N和Tubsat-N1卫星发射升空,这次发射也成为了人类第一次从核潜艇上进行的卫星发射。

在改造成Shtil’运载火箭时,R-29RM导弹的整体结构没有大的改动,原来安装核弹头的地方用来安装卫星,导弹上原来用于制导的天线被拆除,取而代之的是发射卫星需要的测控装置,控制导弹飞行的软件也随之做了调整。

除了1998年的那次发射外,这种运载火箭还在2006年将俄罗斯科学院用于进行地球磁场变化与地震研究的Kompass-2卫星发射升空。

目前,俄罗斯技术人员还对Shtil’火箭的头部提出了改进方案,以使这种火箭能够发射体积、重量更大的卫星。

在陆地上设置的发射场,为了避免火箭飞过人口稠密地区所带来的安全风险,一般都对火箭的发射方向做了限制。例如,美国的卡纳维拉尔角航天基地发射的火箭只能向东北或东南方向飞行(发射方位角35度-120度),从而不能发射极轨卫星。

核潜艇因为可以机动到远离大陆的海洋地区进行发射,因此不会受到这种限制,理论上可以发射任何轨道倾角的卫星。

然而,由于核潜艇的弹舱体积有限,火箭的体积不能设计得太大,火箭的运载能力因此大大受限,Shtil’火箭的两次发射中,最重的卫星也只有77公斤。面对当今动辄几吨重的各类卫星,这个运载能力实在是捉襟见肘,这也是这种火箭仅仅进行过两次发射的原因。

2 特别方式 汽车发射 TEL拉着庞然大物东奔西走

1991年,美苏两国签署了第一阶段削减战略武器条约。按照条约规定,当时两国的不少导弹都要从武器库中除役。

一枚导弹的成本巨大,直接拆毁实在可惜,于是条约中规定了一种变通的方式:可以将现役导弹改装成运载火箭。

按照这个方法,苏联的后继者俄罗斯将SS-25“白杨”型洲际弹道导弹改装成“起飞一号”运载火箭。

SS-25是一种使用三级固体燃料发动机的导弹。在改装成运载火箭时,这三个子级被保留下来,原来的核弹头则被火箭的第四级和有效载荷所替代。

SS-25导弹使用一种特别制造的卡车进行导弹的转运和发射,“起飞一号”延续了这种发射方式,这种卡车被称为运输起竖发射一体车(简称TEL)。

TEL不但能平稳地拉着“起飞一号”这个四十多吨重的庞然大物东奔西走,装载火箭的发射筒还能在转运过程中对火箭提供保护,减少外部温度与湿度的变化对火箭内精密设备的影响。

到达预定发射位置后,TEL会伸出四个支架支撑稳定车身,再将发射筒竖立起来。

火箭在发射时,TEL首先向发射筒中注入加压空气,将火箭逐渐推出发射筒,当火箭上升到30米高度、箭体已经完全和发射车分离后,火箭的一级发动机才点火工作。这样,可以避免火箭的尾焰对发射筒的灼烧。

巧合的是,曾经用来瞄准美国的白杨导弹,在改装成“起飞一号”火箭后,获得的第一个国际发射订单也来自于美国。1997年12月24日,“起飞一号”将美国Digital Globe公司的Early Bird 1对地观测卫星送入太阳同步轨道中。

时至今日,这种火箭已经完成了7次发射,其中6次成功、1次失败。

除了能够变废为宝、消耗裁减的武器外,这种车载发射的方式还具备机动性强的优点。在配备相应测控条件的情况下,几乎可以在陆地上的任何地方进行火箭发射。

但是,这种火箭的运载能力和主流大型火箭相比存在不小的差距,近地轨道载荷的发射能力为532千克,太阳同步轨道载荷的发射能力为167千克,只能用来发射小卫星。

3 特别方式 飞机发射 B-52轰炸机曾担当发射平台

每年下半年,肆虐北美大陆的飓风会给当地人民带来巨大的生命财产损失。

2016年12月15日,由8颗微小卫星组成的飓风全球导航卫星系统(GYGNSS)成功发射入轨。

这个由美国密歇根大学和西南研究院研制的卫星系统,通过接收卫星发射和海面发射的GPS信号测量海平面附近的风场,为理解飓风中心的海洋大气相互作用的情况提供数据,帮助人们在未来更加准确的应对飓风的动向。

发射这8颗卫星的火箭并非从地面起飞,而是首先搭乘一架改装的民航客机上升到万米高空,再在那里点火、发射,进入太空。

这种能够从半空中发射的火箭名叫“飞马座”,是美国轨道科学公司在上世纪90年代初设计的一种运载火箭。

“飞马座”有基本型和增强型(XL)两种构型,目前基本上只使用增强型执行发射任务。

和大型运载火箭相比,“飞马座”的尺寸和重量上都要小不少:XL构型的长度为17.6米(约相当于长征2F的1/3),重量约为2.3吨(约相当于长征2F的1/20)。这种火箭的近地轨道有效载荷发射能力只有约400千克,因此只能用来发射小卫星。

起初,“飞马座”的发射由美国航天局(NASA)的B-52轰炸机执行(你没看错,这个大杀器的确属于NASA,但这架B-52的任务不是倾泻炸弹,而是航空技术测试)。从1994年起,一架由L-1011“三星锥”型喷气式客机改装的飞机被用作发射平台。

发射前,“飞马座”火箭被固定在飞机腹部,当飞机到达12000米高度的预定发射空域后,会把火箭从机体上释放。

火箭首先在无动力的状态下进行5秒的自由落体飞行,获得与飞机足够安全的距离。之后,火箭一级发动机点火。在一级发动机工作的过程中,火箭的姿态由火箭的尾翼控制,火箭前部的主翼可以增加火箭所受到的升力,此时的火箭有些像一架在空中飞行的小飞机。

在一级火箭工作完毕后,机翼随一级火箭一同脱离,之后的飞行姿态由二级、三级火箭上的矢量喷管控制。

在“飞马座”XL构型中,还安装了一个辅助动力系统,用于提高火箭运载能力和入轨精度,同时也可以实现一箭多星的发射。

与从地面发射的运载火箭相比,这种空射火箭可以灵活选择不同经纬度的发射场发射。

除了可以从美国本土的四个基地起飞发射外,飞机还能携带“飞马座”火箭从大西洋沿岸的加那利群岛、中太平洋的瓜加林环礁和赤道附近的巴西阿尔坎塔拉起飞发射,飞机释放火箭的位置一般选择在远离人口稠密的地方,火箭射向不再受限制,这样不仅增加火箭发射的窗口时间,还可以扩大轨道倾角的范围。

由于火箭释放时,高度已经高于大部分天气现象发生的高度,可能遇到的风切变强度也较低空更低,因此天气条件对火箭发射的制约被大大降低。

此外,在空中发射时,火箭已经具备了一定的高度和速度,能够节省火箭的设计制造与燃料成本。据计算,如果在地面发射的火箭,要达到与“飞马座”火箭相同的运载能力,其起飞重量将在27吨左右,是“飞马座”XL火箭的十多倍。

目前,另一家空间技术公司“维京银河”正在研发新一代的空中发射火箭Launcher One。这种火箭的发射方式与“飞马座”基本相同,发射载具为性能更先进的波音747-400客机,将为未来的微小卫星发射提供新的选择。

据悉,Launcher One预计将于今年年内进行第一次发射测试。

  


(作者:李会超 中国科学院国家空间科学中心博士生)
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