宇宙神5型运载火箭
New Horizons launch.jpg
宇宙神五号551型运载火箭在卡纳维拉尔角空军基地41号发射台发射新视野号
用途 一次性火箭
制造商 联合发射同盟
制造国家  美国
外型及质量参数
高度 58.3 米 (191.2 )
直径 3.81 米 (12.49 尺)
质量 334,500千克(737,400英磅)
级数 2节
业载量
近地轨道-
有效载荷
9,750–18,810公斤[1]
GTO-
有效载荷
4,750–8,900 公斤[1]
相关火箭
本系列火箭 宇宙神系列运载火箭
衍生型号 火神运载火箭
发射历史
现状 现役
发射场 卡纳维尔角空军地复合式发射场41号发射台
范登堡空军基地复合式发射场3号发射台
总发射次数 58次
(401: 28, 411: 3, 421: 5, 431: 2)
(501: 6, 521: 2, 531: 3, 541: 3, 551: 6)
成功次数 57次
(401: 27, 411: 3, 421: 5, 431: 2)
(501: 6, 521: 2, 531: 3, 541: 3, 551: 6)
失败次数 0次
部分失败次数 1次 (401)[2]
首次发射 401: 2002年8月21日
411: 2006年4月20日
421: 2007年10月10日
431: 2005年3月11日
501: 2010年4月22日
521: 2003年7月17日
531: 2010年8月14日
541: 2011年11月26日
551: 2006年1月19日
着名载荷 火星侦察轨道器
新视野号
月球勘测轨道飞行器
太阳动力学天文台
波音X-37
朱诺号
火星科学实验室
助推器 (非重型运载火箭) - 航空喷气公司
数量 1枚到5枚
发动机 1颗固态火箭发动机
单发推力 1,270 千牛顿 (285,500 磅)
比冲 275 秒
推进时间 94 秒
燃料 固态燃料
助推器 (宇宙神五号重型运载火箭(5HX)) - 宇宙神标准核心火箭
数量 2枚
发动机 一台RD-180
单发推力 4,152 千牛顿 (933,406 磅)
比冲 311 秒
推进时间 253 秒
燃料 煤油/液态氧
芯一级 - 宇宙神标准核心火箭
发动机 一台RD-180
推力 4,152 千牛顿 (933,406 磅)
比冲 311 秒
推进时间 253 秒
燃料 煤油/液态氧
芯二级 (Atlas V XX1) - 半人马座火箭
发动机 1 颗RL-10A火箭发动机
推力 99.2 千牛顿 (22,290 磅)
比冲 451 秒
推进时间 842 秒
燃料 液态氧/液态氢
芯二级 (Atlas V XX2) - 半人马座火箭
发动机 2 颗RL-10A火箭发动机
推力 147 千牛顿 (41,592 磅)
比冲 449 秒
推进时间 421 秒
燃料 液态氧/液态氢

宇宙神5号运载火箭(英语:Atlas V),为洛克希德马丁公司所研制的不可重复使用之运载火箭,现由洛克希德马丁与波音公司研制,隶属联合发射同盟航空喷气公司则负责宇宙神5型运载火箭固态助推器的研发及制造。第一节的由液态氧煤油为燃料,并由位于阿拉巴马州迪凯特的主基地建造,发动机为俄罗斯的RD-180火箭发动机,第二节则是以液态氧及液态氢为燃料的半人马座火箭,某些衍生型装有捆绑式固体火箭助推器以增加酬载量,助推器及第一节和第二节构成宇宙神5型运载火箭。也算是宇宙神系列运载火箭的家族成员之一。火箭整流罩的部分由RUAG空间所制造,大多为直径4或5米的整流罩,不过直径7.2米与长32米的整流罩也列在原先设计之中[3]。负责组装的场所有迪凯哈灵根圣地牙哥以及联合发射同盟的总部丹佛[4]

时至2015年10月,宇宙神5型运载火箭已经发射50余次,其首航始于2002年8月,并保有相当完美的成功率。唯一一次的部分失败发生于2007年6月15日,主因是第二节的半人马座火箭发动机收到异常讯号而提早4秒关闭,导致人造卫星未能达到预定轨道较高的轨道,不过美国国家侦察局认定此一次发射任务仍属成功[5][6]

演变历史

宇宙神5型运载火箭为宇宙神系列运载火箭中最新的型号,其技术来自早期的宇宙神2号运载火箭、主要沿用宇宙神3号运载火箭的火箭科技,而命名上并不存在宇宙神4号运载火箭。大部分的推进系统,电子设备及火箭结构有沿袭早期火箭,有些则是小幅修改。外最明显的特征是燃料槽也不再用一节半的技术,这项技术是发射至进入轨道途中将三颗发动机中的两颗丢弃[7],宇宙神5型运载火箭则使用类似大力神系列运载火箭航天飞机外部燃料槽的12.5尺直径铝合金锻接燃料槽[7],不再使用10尺直径的不锈钢硬式壳槽,亦不用的有中央隔壁的“气球”结构不仅尺寸加大,也变得比较坚固。另外相较于宇宙神3号运载火箭第一节全部液体火箭的设计,也加上了1~5枚不等的固体助推器[7]

宇宙神5型运载火箭最早的定位为改进型一次性运载火箭,首航时间为2002年8月21日,拥有两个发射地,分别是卡纳维拉尔角空军基地41号航天发射复合体以及范登堡空军基地复合式发射场3号发射台主要发射极地轨道的卫星,并将商业卫星发射的业务推向全世界[8]

技术诸元

第一节

宇宙神五号系列运载火箭主发动机为俄罗斯的RD-180发动机,第一节为新研发的通用核心推进器,最多可以捆绑式加装五枚航空喷气公司制造的固态助推器,标准核心火箭直径为3.8米,长32.5米,可填装284,450公斤的液态氧及煤油,标准核心火箭的推进时间约4分钟,俄罗斯的RD-180发动机于发射时提供推力约4百万牛顿,飞行中产生的最大推力可达4.152百万牛顿。另外每支固态助推器也可以提供127万牛顿左右的额外推力。

第二节

第二节的半人马座火箭配加压燃料槽使,并使用低温燃料例如液态氢或液态氧,宇宙神5型运载火箭的第二节直径为1.68米,所使用发动机为一颗或两颗普拉特-惠特尼RL10A-4-2火箭发动机,每颗发动机产生99.2千牛顿。改良后的RL10A-4-2火箭发动机可以增加第二节的操作性能和可靠程度,另外惯性导航系统也装在半人马座火箭上,让宇宙神5型运载火箭和半人马座火箭可以稳定的飞行,也可以更准确控宇宙神运载火箭和半人马座火箭的燃料槽压力及燃料使用量。半人马座火箭的发动机也可以在真空环境下重复点燃,因此人造卫星将先进入低地球轨道,再逐步修正为成椭圆形的地球同步转移轨道,再经过第三次点火,即可从椭圆的地球同步轨道转为圆形的地球同步轨道[9]。截至2006年,半人马座火箭有着所有液态氢火箭发动机中最高的燃烧比率,因此可以搭配各种不同的重量的末端节,并将人造卫星放置在更远的轨道上[10]

在宇宙神5型运载火箭第一次发射之前,有许多系统已经升级或增强了,例如容错惯性导航系统在2001年就运用在宇宙神3号运载火箭上了,可增加宇宙神系列运载火箭的可靠性[11]。随后在2006年又进行另外一次的升级[12],最近一次的升级是在2010年的时候,拥有更好的运作能力[13]

酬载舱(整流罩)

宇宙神5型运载火箭有两种常用的整流罩英语Payload fairing。第一种是典型4米直径的整流罩,从宇宙神2号运载火箭开始使用,属于标准和较纤细的酬载舱,有三种长度版本,分别为9、10、11米长;第二种是洛克希德马丁公司所研发的加大型5.4米直径的整流罩,实际可用直径只有4.57米,建造地点则为位在瑞士的RUAG太空[14],旧称为Oerlikon太空,长度则有10与13米两种,而最长的16米加长版的酬载舱则用于宇宙神5号重型火箭。RUAG太空所制的整流罩使用复合材料,此复合材料在早期的运载火箭的整流罩即使用过,不须在另寻新的材质。而外观特色在于4米整流罩会露出半人马座火箭的上面部分;5米整流罩则可以完整将半人马座火箭的上面部分包覆起来[15]前两种酬载舱是用来酬载宇宙神五号500型运载火箭。在2012年2月24日,宇宙神5型运载火箭运载了迄今最重的酬载进入地球同步轨道—行动用户目标系统,一枚隶属于美国的军事卫星,重6800公斤[16]

费用

2013年时,发射一次宇宙神5型运载火箭541型约需要2.23亿美元,其中的费用包括火箭发射服务、酬载舱装载与制作、后续追踪、数据处理与遥测服务...等[17],而2014年,欧洲空间局与联合发射同盟签定一只1.73亿美元的合约,目的是将太阳轨道载具在2017年发射并进行太阳观测[18]。而到了2015年,比较低酬载量的宇宙神5型运载火箭价格约在1.64亿美元左右[19]。而在2005年之后,宇宙神5型运载火箭不再是以价格竞争优势为导向的运载火箭,在2013年,单单发射卫星到达地球同步转移轨道所需的资金已经超过1亿美元[20]

衍生型

每台宇宙神5型运载火箭有三个位数来表示其运载火箭的设计结构。第一个位数代表酬载舱的直径,以米表示,数字不是4就是5。第二个位数代表固态助推器的数量,这些固态助推器装在宇宙神5型运载火箭的第一节上,如果所使用的酬载舱直径为4米,可装0到3枚固态助推器;如果所使用的酬载舱直径是5米,可装0到5枚固态助推器。第三个位数是半人马座火箭上的RL10A-4-2火箭发动机的数量,不是一枚就是二枚。单发动机半人马座火箭单位时间使用燃料较少,推进时间较久,所以运载到达地球同步轨道的人造卫星和逃脱地球轨道;双发动机半人马座火箭则将人造卫星送至低地球轨道,举例来说,宇宙神五号552型运载火箭代表酬载舱直径为5米,有五枚固态助推器和两颗半人马座火箭发动机。另一个例子,宇宙神五号431型运载火箭的酬载舱的直径为4米,三枚固态助推器和一颗半人马座火箭发动机 [21]。 截至2015年10月,都未有双发动机半人马座火箭的版本被发射,预计第一次双发动机半人马座火箭版本将会在2016年被发射升空,酬载物为内华达山脉公司英语Sierra Nevada Corporation所研制的追梦者英语Dream Chaser[22]

在2006年9月,洛克希德马丁公司和Bigelow太空喷气公司签定一纸合约,让宇宙神5型运载火箭成为载人火箭,进入潜在的太空旅游市场。[23]

版本细部分析

所有的宇宙神5型运载火箭的技术诸元版权均由洛克希德马丁公司与联合发射同盟所拥有[24],以下的技术诸元来的低地球轨道特指倾角为28.5度的绕行轨迹[25],最后资料更新于2015年10月8日。

衍生型 酬载舱(整流罩) 核心火箭 固态助推器 第二节 低地球轨道运载能力 地球同步转移轨道运载能力 发射次数
401 4米 1 单颗半人马座火箭发动机 9,797公斤[26] 4,750公斤[26] 28
402 4米 1 双颗半人马座火箭发动机 12,500公斤[27] 0
411 4米 1 1 单颗半人马座火箭发动机 12,150公斤[26] 5,950公斤[26] 3
412 4米 1 1 双颗半人马座火箭发动机 0
421 4米 1 2 单颗半人马座火箭发动机 14,067公斤[26] 6,890公斤[26] 5
431 4米 1 3 单颗半人马座火箭发动机 15,718公斤[26] 7,700公斤[26] 2
501 5.4米 1 单颗半人马座火箭发动机 8,123公斤[26] 3,775公斤[26] 6
502 5.4米 1 双颗半人马座火箭发动机 0
511 5.4米 1 1 单颗半人马座火箭发动机 10,986公斤[26] 5,250公斤[26] 0
512 5.4米 1 1 双颗半人马座火箭发动机 0
521 5.4米 1 2 单颗半人马座火箭发动机 13,490公斤[26] 6,475公斤[26] 2
522 5.4米 1 2 双颗半人马座火箭发动机 0
531 5.4米 1 3 单颗半人马座火箭发动机 15,575公斤[26] 7,475公斤[26] 3
532 5.4米 1 3 双颗半人马座火箭发动机 0
541 5.4米 1 4 单颗半人马座火箭发动机 17,443公斤[26] 8,290公斤[26] 3
542 5.4米 1 4 双颗半人马座火箭发动机 0
551 5.4米 1 5 单颗半人马座火箭发动机 18,814公斤[26] 8,900公斤[26] 6
552 5.4米 1 5 双颗半人马座火箭发动机 20,520公斤[27] 0
重型-1 (HLV/5H1) 5.4米 3 单颗半人马座火箭发动机 13605 公斤 0
重型-2 (HLV DEC/5H2) 5.4米 3 双颗半人马座火箭发动机 29,400公斤[26] 0

发射记录

从2002年8月的第一次发射到2015年10月间的58次发射中,宇宙神5型运载火箭有几近完美的成功率,仅有2007年6月15日发射NRO L-30卫星时,因第二节的半人马座火箭发动机提早4秒关闭,导致酬载物-两颗海洋监测卫星-进入较预期低之轨道[28],然而,买主美国国家侦察局认为此次任务是成功的,而此事故也经过彻底的调查。经过此次些微失败后,宇宙神5型运载火箭至今未尝败果。

2007年活门异常

宇宙神5型运载火箭目前唯一一次部分失败是在2007年6月15日,第二节的半人马座火箭发动机提早关闭──导致两颗美国国家侦查部L-30海洋监测卫星进入比原本预定高度低的轨道[29]。这次发射失败是因为一个漏气的活门。更换新型活门延迟了下一次的宇宙神5型运载火箭的发射日期[30]。 最后资料更新于2015年11月4日

未来发展

擎天神5号重型运载火箭

宇宙神5号重型运载火箭,又称重型运载火箭使用三枚标准核心火箭,可以酬载近30公吨的航天器到达低地球轨道[95]。宇宙神五号重型运载火箭约95%的硬件设备都与宇宙神5型运载火箭所使用的技术大致相同[3]。宇宙神5号重型运载火箭的酬载能力与德尔塔4号重型运载火箭相近,后者使用洛克达因公司研制及制造的美制 RS-68 发动机[3]。 德尔塔4号重型运载火箭至今已发射三次。2008年时,宇宙神五5号重型运载火箭从接到订单到发射需要30个月[96],不过此时联合发射同盟完全没有提及确切的运载火箭建造与测试计划,整个宇宙神5号重型运载火箭也在火神运载火箭提出后告吹[97]

火神运载火箭

火神运载火箭是联合发射同盟未来要取代宇宙神5型运载火箭与德尔塔4号运载火箭所发展出的下一代运载火箭[98]。主要架构是使用德尔塔4号运载火箭的第一节加上两颗蓝色发动机4设计的新型火箭发动机[99][100],洛克达因航空喷气公司的AR-1液体火箭发动机则做为备案[101][102],另外也会搭配1~6枚不等的固体助推器。

相关图片

全球现役大型运载火箭性能比较

现役大型运载火箭性能比较(截至2019年12月)
国家 型号 运载能力(吨) 起飞重量(吨) 发射价格(万美元) 运载系数(%) 成本/载荷(万美元/吨) 发射成功率 发射总数
近地轨道 同步转移轨道 近地轨道 同步转移轨道
 美国 猎鹰重型运载火箭(不回收) 63.8[注 1] 26.7 1510.5 15000 4.22 1.77 235 -- --
 美国 猎鹰重型运载火箭(回收) 28+ 8+ 1510.5 9000 1.85+ 0.53+ 321 100% 3
 美国 德尔塔4号重型运载火箭 25.98~28.79 14.22 733.3 35000 3.54~3.93 1.94 1347~1216 100% 40
 中国 长征五号运载火箭 32~33[注 1] 14.4 867 9000 3.69~3.81 1.66 281~273 66.67% 3
 中国 长征五号B运载火箭 22~23 -- 837 2.63~2.75 -- 100% 1
 俄罗斯 安加拉A5运载火箭 24.5 5.4/7.5 768.9 10000 3.19 0.70/0.98 408 100% 1
 俄罗斯 质子M型运载火箭 23 6.92 697.6 6500 3.30 0.99 283 89.81% 108
 美国 猎鹰9号运载火箭FT(不回收) 22.8 8.3 549 6000 4.15 1.51 263 100% 57
 欧洲 阿丽亚娜5号ECA 20 11.115 777 17800 2.57 1.43 890 95.24% 105
 美国 宇宙神5型运载火箭(551型) 20.52 8.9 574 15300 3.57 1.55 746 100% 81
 美国 猎鹰9号运载火箭FT(回收) 16.8 5.5 549 5000 3.06 1.00 297 100% 57
 日本 H-IIB运载火箭 19 8 549.25 11250 3.46 1.47 678 100% 8
 日本 H-IIA运载火箭 15 5.8 444.9 9000 3.37 1.30 600 97.50% 40
 中国 长征七号运载火箭 15~17 8.2/8.8 594 4000~7000 2.53~2.86 1.38/1.48 235~467 100% 2
 中国 长征三号乙运载火箭 11.5 5.5 472.7 4100 2.43 1.16 357 97.22% 66
 印度 地球同步卫星运载火箭3型号 8~10 4.5 640 6000 1.25~1.56 0.70 750~600 100% 3

参考资料

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一般参考


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