战神一号运载火箭 - Wikiwand
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战神一号运载火箭

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战神一号运载火箭
艺术家想像的战神一号运载火箭发射情景
用途载人轨道运载火箭
制造商Alliant Techsystems(第一节)
波音公司(第二节)
制造国家美国
外型及质量参数
高度94 米(309 呎)
直径5.5 米
质量未知
级数2
业载量
近地轨道
有效载荷
25,400 公斤
发射历史
现状取消
发射场肯尼迪太空中心LC-39B发射台
总发射次数1(原始模型)
首次发射预计2014年
芯一级
发动机1 枚固态燃料火箭
推力未知
推进时间~150 秒
燃料固态燃料
芯二级
发动机1*J-2X
推力未知
推进时间未知
燃料液态氢/液态氧

战神一号运载火箭(Ares I)是美国国家航空航天局星座计划(Project Constellation)中所所研制的载人运载火箭(CLV),其名字源自于希腊神话中的战神阿瑞斯。按原计划,美国国家航空航天局将使用战神一号运载火箭发射接替航天飞机执行载人航天任务的猎户座太空船,并作为战神五号运载火箭的补充。美国国家航空航天局选择战神一号运载火箭以达到其预期的安全性、可靠性及成本效率。但是美国国家航空航天局在2010年10月通过授权法案取消了包括战神一号运载火箭在内的星座计划,但相关技术很可能用于未来的太空探索计划。[1]

战神一号运载火箭于星座计划中之用途

于探测系统建造计划书中最新的战神一号运载火箭想像图
于探测系统建造计划书中最新的战神一号运载火箭想像图

战神一号运载火箭在星座计划中属运送机组员的载人太空载具。不同于航天飞机是人货混合同时发射的太空载具,于星座计划中战神一号及五号运载火箭将分别载人及载货分两次发射。分两次发射可预留较多特殊设计的空间,完成不同目的的任务。

战神一号运载火箭主要设计为发射猎户座太空船的火箭,猎户座太空船为胶囊式的载人太空船,可将太空人运送到国际太空站月球甚至是火星。 以回到月球,甚至前进火星为目标的美国“星座”计划,在刚才跨出了重要的一大步。做为星座计划两只主力火箭之一的载人火箭 Ares I,在2009年10月28日,世界标准时间15:30完成了首度试飞。

Ares I 火箭是自1981年的航天飞机计划以来,美国国家航空航天局(NASA)研发的第一架新设计的火箭,采用加长型的航天飞机固态推进火箭做为第一节,上头预定发射的则是未来的登月指挥舱。今天发射的是一次完全测试性的任务,主要是在评估第一节火箭的发射与回收,因此原本应该是第二节火箭的部分和未来的登月指挥舱在这次任务中都是用重物代替的。

设计

第一节

战神一号运载火箭的第一节为可重复发射的固态助推器,较航天飞机的固态助推器(SRB)为大。航天飞机的固态助推器为四段式,战神一号运载火箭则有五段,推力较大且推进时间也较久。其他修改如将移除联结航天飞机外部燃料槽(ET)的支架,也将固态助推器的鼻锥改为承接第二节的液体燃料槽,改良后的火箭将于联结处装备固态燃料分离发动机,于第二节发动机点火前将一二节分离。

战神一号运载火箭的内部解剖图
战神一号运载火箭的内部解剖图

第二节

战神一号运载火箭的第二节推进动力是J-2X火箭发动机,燃料是液态氢及液态氧(LOx)。[2]在2007年7月16日,美国国家航空航天局宣布由洛克达因为J-2X火箭发动机的地面测试和试验飞行的公司,也是唯一一家签署J-2X发动机的公司[3]。原本美国国家航空航天局打算使用航天飞机主发动机当第二节,但由于价格高昂(每颗发动机$5.5-6千万美元),如果重新设计发动机,也要经过地面及真空测试;再者,第二节是不可重复使用的,所以决定使用J-2X火箭发动机,最重要的是其价格低廉(每颗发动机$2千万美元),而且只要改良,不必重新研发。

虽然J-2X火箭发动机是从现有的发动机改良,燃料供应系统却是全然新的。原先计划由航天飞机外燃料槽的内部结构进行修改,以"内槽"的方式分开燃料槽及氧化剂槽。最后使用阿波罗时期的概念,并不用内槽结构来减轻重量,而是在两个槽间以隔壁隔开。现今的设计,使用简约的方式增加推进剂容量:以隔板隔开的燃料槽可装载297,900磅(约135公吨[4]。较重的燃料可降低第二节发动机点火时的瞬间加速度,仅0.6G。

第二节的顶端将装配载人的猎户座太空船,下发也装设有类似农神一B运载火箭及农神五号运载火箭的推进系统,能在火箭飞行时控制第一及第二节的翻滚。

战神一号运载火箭的第二节也和航天飞机的外部燃料槽使用相同的泡绵绝缘体,可隔绝低温推进剂受热,且肯尼迪太空中心的气候潮湿,同样的绝缘材料也用在哥伦比亚号航天飞机上,但被绝缘材料的破片击中,造成返航时烧毁,然而战神一号运载火箭不会有此危险。

在2007年8月28日,美国国家航空航天局宣布与波音公司签约设计战神一号运载火箭的上面级。上面节将由美国国家航空航天局的密乔零件装配厂(Michoud Assembly Facility)负责制造,即现今帮美国国家航空航天局制造航天飞机液态氢/液态氧燃料槽的一个装配厂。此装配厂在1960年代即建造农神五号运载火箭的S-IC节,当时属于波音公司的厂房。

战神一号运载火箭的装配图
战神一号运载火箭的装配图

战神一号运载火箭设计历史

战神一号运载火箭和战神五号运载火箭这两款运载火箭显现出美国国家航空航天局的工程概念。战神一号运载火箭将配有一支五段式的固态助推器(非航天飞机的四段式固态助推器),第二节长度较第一节短。

先进运输系统计划

洛克希德·马丁于1995年与马歇尔太空飞行中心开展了一项先进运输系统计划(ATSS)。其报告的一部分描述了类似于战神一号的运载火箭,其由一个作为第一级的固体火箭助推器(SRB)及一个作为第二级的液体火箭组成。在构想中,并考虑在其可能的变形中由J-2S发动机及航天飞机主发动机(SSME)作为第二级的发动机,以及由先进固体火箭发动机(Advanced Solid Rocket Motor)作为第一级发动机。

探测系统建造计划

2004年1月,在布希总统宣布太空探索的愿景后,于2005年4月29日授予美国国家航空航天局一份探测系统建造计划书(Exploration Systems Architecture Study)表示:以最高标准建造能达到月球或火星的载人及载物之太空运载工具,并能达到载人的标准及能往返于国际太空站及地球间。为了研制能够维持人类机能及易于操纵的探测月球设备,必须确认相关关键技术及增进各项探测系统。

火箭动力系统的建造

美国国家航空航天局计划以航天飞机现有的设备来建造战神一号运载火箭。起先要使用航天飞机的四段式固态助推器(SRB)做为第一节[5],并以一颗航天飞机主发动机为第二节。载货的火箭则与原设计相同,将使用五段式的固态助推器,而末端节使用一颗航天飞机主发动机(SSME)。

虽然战神一号运载火箭在初步凭估后可以成功的作为运载火箭,但进一步模拟测试发现四段式的第一节固态运载火箭可能无法负担猎户座太空船的酬载重量;所以在2006年1月,美国国家航空航天局宣布将减少猎户座太空船的大小,并改用五段式之第一节固态运载火箭,第二节运载火箭发动机也从一颗航天飞机主发动机(SSME)改为阿波罗改良版的J-2X火箭发动机。从四段式固态运载火箭转变为五段式固态运载火箭让美国国家航空航天局可以达到与计划书相同的要求(虽然固态运载火箭的段数也可用其它数量),但选用五段式固态运载火箭主要原因是要配合J-2X火箭发动机。

一颗要价大约2-2.5千万美元的J-2X火箭发动机,只需结构复杂航天飞机主发动机的一半价格(5.5千万美元)。J-2X火箭发动机不像航天飞机主发动机只能在地面(非真空)点火,J-2X火箭发动机可在地面或接近真空的状态下点燃。这种特殊的空气动力学原理在农神五号的S-IVB节即被使用,当时的火箭发动机是J-2火箭发动机,这颗火箭发动机将阿波罗太空船送上月球。在另一方面,航天飞机主发动机只要经过广泛的改良及测试,也可以在真空中产生动力(如果战神一号运载火箭可以精确进入飞行轨道和猎户座太空船预备有足够的燃料时),如果航天飞机主发动机可以在接近真空的状态下点燃,即可在太空中重复点燃。美国国家航空航天局此项测试并未在地面抽真空实际执行,而是在1988年STS-26以前太空中的主发动机测试短暂点燃航天飞机主发动机。

美国国家航空航天局宣布ATK Thiokol公司将建造战神一号运载火箭的第一节固态运载火箭[6],目前则为航天飞机建造固态辅助火箭。ATK也标下战神一号运载火箭的末端节建造工程。普莱特&惠特尼公司(Pratt & Whitney)旗下的洛克达因公司(其前身份别是隶属于北美公司(North American Aviation)以及洛克威尔公司(Rockwell)旗下的公司),是主要制作J-2X火箭发动机的次承包商,合约内容包括测试J-2X火箭发动机等项目,测试地点在阿拉巴马州的罕茨维尔(Huntsville)的南方。

2007年1月4日,美国国家航空航天局宣布战神一号运载火箭完成系统标准测试,是继航天飞机后的第一个通过测试的载人太空载具[7],此测试为设计过程中重要的里程碑,并确保战神一号运载火箭完成星座计划中重要的一环。美国国家航空航天局也宣布燃料槽的新设计,并不以航天飞机外部燃料槽的内槽技术分开液态氢槽及液态氧槽,而是用类似农神五号的S-II及S-IVB节的隔板将两槽分开,借此可使第二节较短且轻,且免去设计第二节及猎户座太空船连结处所必须承受太空船的重量。

2007年12月12日,美国国家航空航天局宣布由波音公司提供及装配战神一号运载火箭的控制系统。[8]

战神一号运载火箭的发射时序

战神一号运载火箭和战神五号运载火箭加上月球背景的想像图
战神一号运载火箭和战神五号运载火箭加上月球背景的想像图

在2007年1月4日,美国国家航空航天局宣布战神一号运载火箭的系统和设备之设计全面再次检阅,这次的检阅是建造战神一号运载火箭第一个重要的里程碑。在2007年整年,美国国家航空航天局打算改进战神一号运载火箭的部分设计,但少部分的设计之修改时间则延至2009年;2008年即开始进行品质测试和具体改良的工作,预估在2012年首次进行实际(有载人)发射的测试。在2009年底,所有的火箭设计将结束,并在2011年6月进行测试(无载人)。[9][10]

战神1-X火箭发射

北京时间2009年10月28日23时30分,美国“战神1-X”火箭在佛罗里达州肯尼迪航天中心39B发射台点火升空,进行其首次测试飞行。此系列火箭是为替代即将退役的航天飞机开发的新型运载火箭,将成美国重返月球航天器之一[11]

战神1-X火箭发射升空
战神1-X火箭发射升空
战神1-X火箭发射升空
战神1-X火箭发射升空

发展瓶颈

2008年1月,美国国家航空航天局发现战神一号运载火箭的第一节固态运载火箭在刚飞行的一分钟发生剧烈的振动,足以使整台运载火箭达到危险的状态。多次的加速度将此振动的频率更加频繁,造成振动的原因是第一节火箭内部的气流扰动。美国国家航空航天局的官方早在2007年即了解到此问题,在2008年3月试着以减少运载火箭的压力来解决。美国国家航空航天局承认此问题非常严重,五节中有四节可能有问题,但美国国家航空航天局也有信心解决此问题,因为过去有很多成功解决的例子。美国国家航空航天局也勾勒出这种全新的运输系统,因为早期的阿波罗号或航天飞机在改进的地方也遇上一些瓶颈,但总能化险为夷,迈向成功之路。[12][13][14]

评价

战神一号运载火箭运载猎户座太空船的想像图
战神一号运载火箭运载猎户座太空船的想像图

战神一号运载火箭的构造曾被遭到某些主张的批评。

第一,制造酬载二十五吨级的火箭,可能被认为与现存的火箭公司竞争,如三角洲四号重型运载火箭,改进现行火箭的安全性并减少花费的提议也受到讨论,能减少研发金费,并以先前的技术延伸,应能达成较高的成功率。美国国家航空航天局的企划团队精选了一些战神一号运载火箭的反对意见,并评估较擎天神三角洲运载火箭安全两倍的设计。[15]于2007年中旬,报导指出来自国会的政治压力将取消航天飞机的发射并以擎天神及三角洲运载火箭取代。

第二,美国国家航空航天局所选择的火箭结构需进行两项发动机改良计划-分别为需三十亿美元研发经费的第一节五段式固态火箭及十二亿美元研发经费的J-2X发动机。其它多余的花费用在长远的改良计划和增加发射任务的安全性及较无功用的硬件设施去除,因为部分零件在航天飞机上是有好处的,但是用到战神系列运载火箭却形成累赘。事实上,批评者认为除了除去航天飞机主发动机和四段式固态助推器,新火箭的结构也应移除有关航天飞机的部分零件。

第三,当今科技可能无法使计划中的火箭箭身稳定飞行,细长的结构造成前端的空气阻力极大,尾端也会产生紊乱的震波。所以,战神一号运载火箭将会来回摆动让火箭箭身能以最稳定的状态飞行。航天飞机其固态助推器之推力向量控制系统也可以持续地应负飞行中不稳定的状态,有效地减少火箭箭体不断转向(机械动作)的负担,另外,美国国家航空航天局开始处理风切现象的问题。

第四,各种造成战神一号运载火箭晚于表定时间的因素如预算压力及工程和科技的瓶颈,都有可能造成航天飞机除役到战神一号运载火箭首次发射间空窗期扩大。于2007年下半年,预定首度飞行将是航天飞机除役后五年的2015年。[16][17]

第五,运载能力的质量降低是因为美国国家航空航天局缩小战神一号运载火箭的大小重量甚至是把猎户座太空船多余的安全逃脱火箭去除,猎户座太空船即位于战神一号运载火箭的顶端。[18][19][20]

为了不影响现在航天飞机的发射底座,战神一号运载火箭的底座就极为棘手,不得已只能先做出战神一号运载火箭的各部分零件(例如五段式固态运载火箭和J-2X火箭发动机),战神五号运载火箭也只能如此,将所有零件完成却无法组装的窘境,评论家也预测如果行程表持续的延后,造成最后需加紧赶工而使航天飞机退役有重大的停摆,正如同航天飞机和农神五号交接的时候的大量财力耗损,如果再次重演,将使战神五号运载火箭的建造完成日遥遥无期。

资料来源

  1. ^ [1] BBC新闻
  2. ^ Ares I Fact Sheet (PDF). NASA. [2007-01-08]. (原始内容 (PDF)存档于2007-01-05). 
  3. ^ NASA Awards Upper Stage Engine Contract for Ares Rockets. NASA. 2007-07-16. 
  4. ^ Ares I Upper Stage change - receives additional capacity. NASASpaceflight.com. (原始内容存档于2007-09-28). 
  5. ^ Exploration Systems Architecture Study -- Final Report. NASA. [2007-01-08]. 
  6. ^ Bergin, Chris. NASA closing in on naming new fleet. NASA SpaceFlight.com. 2006-02-27 [2006-11-22]. (原始内容存档于2006-11-19). 
  7. ^ NASA Completes Review Milestone for Ares I Vehicle (新闻稿). NASA. 2007-01-04 [2007-01-07]. 
  8. ^ NASA Selects Prime Contractor For Ares I Rocket Avionics, NASA, December 12, 2007.
  9. ^ Stein, Keith. Draft Launch Schedule For Ares Launch Vehicle. Launchspace.com. 2007-01-04 [2007-01-08]. (原始内容存档于2007-01-09). 
  10. ^ Connolly, John. Constellation Program Overview (PDF). NASA. 2006-10 [2007-01-08]. (原始内容 (PDF)存档于2007-07-10). 
  11. ^ 详讯:美国战神1-X火箭发射升空(组图)
  12. ^ Borenstein, Seth. NASA's Next Rocket May Shake Too Much. Washington Post. 2008-01-18 [2008-01-20]. 
  13. ^ Carreau, Mark. Severe vibration problem plagues moon rocket design. Houston Chronicle. 2008-01-19 [2008-01-20]. 
  14. ^ Cowing, Keith. NASA's Exploration Systems Mission Directorate Responds to Ares 1 and Orion Questions. NASA Watch. 2008-01-17 [2008-01-20]. 
  15. ^ Part 6 of the Exploration Systems Architecture Study Final Report (PDF). NASA. [2007-01-10]. 
  16. ^ First Stage Design Problems Arise For NASA's Ares 1 Rocket. SpaceRef.com. 2007-11-16. 
  17. ^ NASA To Evaluate Non-recoverable First Stage for Ares I Launch Vehicle. SpaceRef.com. 2006-12-04. 
  18. ^ Saving spaceship Orion. nasaspaceflight.com. 2007-10-01. (原始内容存档于2008-04-27). 
  19. ^ Orion weight saving refinements continue - focus on ISS access. nasaspaceflight.com. 2007-07-15. (原始内容存档于2008-06-17). 
  20. ^ NASA makes major design changes to CEV. nasaspaceflight.com. 2007-07-22. (原始内容存档于2008-04-05). 

外部链接

参见

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战神一号运载火箭
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