大力神-4A運載火箭

大力神-4A運載火箭

大力神4B運載火箭124美空軍歷時9年、耗資10億美元研製的大力神4B運載火箭2月22日在卡角首次發射,將一顆飛彈預警衛星送入靜地軌道。該箭使用了新型複合材料固體捆綁助推器,運載能力比原4A型高25%,已安排了19次發射,每次發射的火箭硬體成本就高達2.5~3億美元。

基本信息

火箭簡介

大 力 神 4A 爆 炸

1997年2月23日,大力神-4b運載火箭成功地將trw公司研製的“國防支持計畫”(dsp)飛彈預警衛星送入地球靜止軌道。這次發射使用的上面級為波音公司研製的慣性上面級(ius)。該火箭價值約2.5~3億美元,dsp衛星價值約2億美元。從現在起到下個世紀初,大力神-4b運載火箭至少還有19次確定的發射。第二次發射是於1997年10月15日向土星發射“卡西尼”(cassini)探測器

技術改進

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大力神-4b是在大力神-4a的基礎上進行改進的,主要目的是提高可靠性、運載能力和操作效益。大力神-4b計畫歷時9年,耗資10億美元。與大力神-4a相比,大力神-4b主要改進了推進系統、箭載電子設備和地面處理設備等,其中固體助推器是最新研製的。
1986年,由於固體助推器的故障,導致了挑戰者號太空梭的失事和大力神-34d火箭的發射失敗。太空梭的固體助推器是由錫奧科爾公司研製的,大力神-34d的固體助推器是由聯合技術公司化學系統分部研製的。這些固體助推器採用的都是60年代和70年代的技術,因此,1987年美國空軍決定研製一種全新的複合材料固體火箭發動機。聯合技術公司的推力達7.56mn的全複合材料固體助推器方案被選中,它與大力神-4a運載火箭固體助推器相比,安裝接頭數由7個減少到3個,殼體材料由鋼改用複合材料,推進劑由聚丁二烯丙二酸丙二腈改用端羥基聚丁二烯,質量增加了12%,直徑加大了5%,推力矢量控制系統由二次噴射系統改用活動噴管。新型固體助推器使大力神-4b的性能比大力神-4a的性能提高了25%。
大力神-4b在使用“半人馬座”上面級時,能將5760kg的通信衛星、電子偵察衛星飛彈預警衛星送入地球靜止軌道,它比大力神-4a的運載能力高1220kg。使用波音公司的ius時,它能發射較小的載荷,如dsp衛星(重2.5t)。此外,大力神-4b從卡納維拉爾角發射時,還可將21.8t的載荷送入近地軌道,比大力神-4a運載能力高4.1t。從卡納維拉爾角發射時,它還可將18.4~20.4t的載荷送入中、高傾角的軌道。從范登堡空軍基地發射時,它能將17.69t的載荷送入極地軌道,比大力神-4a運載能力高3200kg。
大力神-4b從位於卡納維拉爾角的40號發射台發射,最初是兩個固體助推器點火,其推力達15.12mn,比大力神-4a的兩個固體助推器的推力多2.67mn。這兩個固體助推器將工作138s,在起飛130s後具有兩個噴管的第一級lr-87發動機點火,它推力達2.45mn。在起飛143s後,固體助推器分離。芯級的第二級發動機在320s點火,一直工作到525s。

固體助推器

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(1)發動機段數減少。大力神-4b的固體助推器只有3段,而大力神-4a的固體助推器則由7段組成。
(2)焊點減少。由於大力神-4b的助推器僅由3段組成,因此它的焊接區域減少。此外,新型固體助推器在現場連線中採用雙冗餘的o形環,而大力神-4a採用單個的o形環。雙冗餘系統在助推器組裝後可進行加壓試驗。
(3)採用先進的控制。新型固體發動機使用由冗餘液壓推進裝置驅動的液壓擺動噴管,而大力神-4a的固體發動機採用的是固定噴管,它要通過噴射四氧化二氮產生一個斜激波來控制其推力。
(4)性能提高。新型固體助推器提供了較高的性能。通過使用複合材料,每個助推器約重349.7t,比大力神-4a的固體助推器重42t,但多出的質量大部分是來自多裝填的推進劑。新型固體發動機採用的推進劑為端羥基聚丁二烯(htpb),大力神-4a的固體發動機採用的是聚丁二烯丙烯酸丙烯腈(pban),htpb比pban更加高效。
(5)組裝費用減少。由於運輸車只能吊裝大力神-4a的7段固體助推器中5段,之後運往發射台,在發射台再用活動勤務塔吊裝其餘2段,這是一個十分費時的操作;而大力神-4b固體助推器在組裝時,只需利用固體發動機組裝和準備設施(smarf)就可全部吊裝7段助推器,之後把全部組裝好的固體助推器和芯級第一級火箭運往發射台。這種操作與大力神-4a相比,可以減少在卡納維拉爾角的處理時間達43天。

先進的電子設備

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(1)大力神-4b採用了先進的電子設備系統,這種電子設備系統中的部分設備早期曾用於4次使用“半人馬座”上面級的大力神-4a火箭中,現在它已成為大力神-4a運載火箭的固有設備。這個系統包括一個全新的環形雷射陀螺慣性導航系統。與之相似的系統也曾用於34次“宇宙神”/“半人馬座”運載火箭的發射任務中。大力神-4b的這個新型系統還包括一個新的數字式數據採集系統,它將關鍵的飛行數據送到特定的電子設備。
(2)在大力神-4b的改進中還對自毀系統進行了改進,這是1965年大力神-3採用這套自毀系統以來進行的首次改進。
(3)大力神-4b的靶場安全飛行中止系統也是全冗餘的數字式系統。運載火箭上的飛行中止控制器綜合了多個功能,而且它還將改進自毀系統的可靠性。
卡納維拉爾角和范登堡空軍基地在今後一段時間內將同時進行大力神-4a和大力神-4b的發射,至少在1998年以後才可全部進行大力神-4b的發射。1997年10月15日大力神-4b火箭已發射了cassini土星探測器。1998年,在卡納維拉爾角將進行4次“大力神”運載火箭的發射,其中3次都是大力神-4b的發射,它們分別於4月、10月和12月進行。在范登堡空軍基地發射大力神-4b至少要等到1998年以後進行。

間諜衛星被毀

損失慘重

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此次爆炸是卡納維拉爾角航天發射場這座已有50年歷史的發射基地迄今為止發生的損失最為慘重的一次不載人發射事故。去年1月17日,一枚德爾它2型火箭在這裡發射美國空軍的一顆全球定位系統(GPS)衛星時也曾在起飛後不久就發生了爆炸。與那次“嚴重事故”相比,這次事故所造成的損失要高10倍。據估計,發射所用的大力神4A火箭連同其半人馬座上面級價值3.44億美元,而美國偵察辦4~5噸重的水星電子偵察衛星更是價值連城,造價高達7~8億美元。

與一些報導中的提法不同,這次發射的衛星並不是一顆鏇渦信號情報衛星。“鏇渦”不是指哪顆具體的衛星,而且美國偵察辦和空軍也已有多年不用這個名稱了。美國空軍在信號情報衛星還沒交給國家偵察辦管理和使用之前,從70年代末起陸續訂購了15顆水星信號情報衛星,本次發射的便是其中最後一顆。可以說,這是一種較老式的衛星。所以,發射失敗後,美國偵察辦在這顆衛星準備“奔赴”的地區上空有很強的信號情報偵察能力,言外之意是這次發射失敗對該地區的信號情報工作不會有太大影響。

獵戶座衛星送入太平洋上空的靜地軌道。美國偵察辦還將在2000~2010年開始採用由分布更廣的較小型衛星組成的信號情報衛星星座。

失敗過程

此次發射的火箭帶有半人馬座氫氧上面級。如果發射成功,半人馬座將飛行7.5個小時,將衛星送入靜地軌道。其間上面級發動機將點火工作3次。衛星的初始軌道位置位於靠近索馬里東海岸的海面上空。但大力神4A火箭“辜負”了人們的期望,沒能完成這一使命,而且是栽在了“家門口”。當時火箭僅飛到5公里高的地方。

火箭是在美國東部夏令時早晨7時30分從美國空軍的41號綜合發射設施點火起飛的。火箭起飛時依靠兩台固體火箭助推器產生約12.5兆牛的推力,芯級火箭要等到飛至一定高度後再點火工作。6~12秒時,火箭完成滾轉程式並開始程式轉彎,以沿99.4度的射向飛離卡納維拉爾角。

起飛後約38~40秒,跟蹤攝像機發現火箭出現了明顯的滾轉振盪。與此同時,在距發射台約13公里的靶場操作控制中心內,美國空軍和承包商方面的技術人員也通過遙測數據和電視圖像看到,龐大的箭體出了問題並開始解體。在出現短暫的滾轉振盪後,火箭突然向下栽去,兩台固體火箭助推器的底部發生爆炸。整個火箭隨即被爆炸的濃煙和火焰所包圍,火箭頭部內裝衛星、長23米多的整流罩也分成了兩瓣。此時,也就是起飛後第42秒,空軍的靶場安全官員向火箭發去了自毀指令,以確保火箭(特別是兩台固體助推器)完全解體。當時兩台助推器上攜帶的數百噸固體推進劑還有一半以上沒被燒掉,落到地面上是很危險的。

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自毀發出了兩聲巨大的爆炸聲,衝擊波產生的超壓使卡角建築物的天花板都被壓彎了,並觸發了停放在距發射台16~19公里處的小汽車的防盜報警器。約900噸燃燒著的推進劑和碎片先是被拋向空中,然後鋪天蓋地地落向發射台東邊的大西洋海面上。不過也有一塊很大的殘骸飛向北邊。整流罩裂開後,看不清衛星及其大型天線的“真容”。美國偵察辦非常擔心在出現這類事故時罩內的衛星會“露餡”,造成失密。

在距發射台約5公里處建有一座大力神火箭垂直組裝大樓。在這裡“看熱鬧”的工人們看到出事了,趕緊躲到了樓內。在離發射台約6.5~8公里的一處參觀場地,記者們也連忙鑽進一輛疏散用的大巴,逃離這片“是非之地”。倒是負責倒計時工作的火箭發射控制間工作人員沒什麼危險,因為他們的設施離發射台較遠,有近10公里。

其實爆炸的碎片沒什麼好怕的,因為它們都落向了離岸邊1.6~3.2公里的水面上。最可怕的是火箭芯級第一和第二級上使用的有毒的四氧化二氮和航空肼50推進劑。為了保證有毒推進劑不被風吹到有人居住的地區,負責發射操作的美國空軍第45航天聯隊執行著非常嚴格的安全標準,射前還進行了計算機模擬。事件中推進劑雲也正像模擬結果所顯示的那樣被西南風吹向大海方向。

航天災難航天災難

爆炸在卡角上空產生了一個很規整的、由鐵鏽色的四氧化二氮與航空肼50混合物組成的圓形“煙環”,直徑數百英尺(1英尺約合0.3米)。推進劑雲之所以產生這種形狀,據信是由箭體周圍靶場安全自毀裝置的對稱安裝方式決定的。從設計上講,一旦火箭解體,即使地面上不發出自毀指令,自毀裝置也會自動啟動,炸毀火箭。地面發出的自毀命令只是一道雙保險。

故障調查

大力神4A“身大力不虧”。使用半人馬座的這種火箭高約60米,芯級直徑3.05米,使用兩台大型捆綁式固體火箭助推器,是一種運載能力很強的大型運載火箭。本次發射是大力神4A型火箭的第22次發射,也是它計畫中的最後一次發射。在此前已進行的21次發射中,它成功了20次,成功率還是很高的。1993年8月2日,從范登堡空軍基地發射的一枚不帶上面級的這種火箭在升空101秒後發生爆炸,原因是一台固體助推器的殼體被燃氣燒穿。

航天災難航天災難

4A型火箭所用的固體助推器由聯合技術公司化學系統分部生產。這種助推器需要利用7個現場連線處把7.5個鋼殼段組裝起來。新的4B型火箭在這方面有所改進。它的固體助推器是由阿聯特公司製造的,採用複合材料殼體,只有3個殼段和3個現場連線處。新型火箭助推器的另一改進之處是使用了液壓擺動噴管,而4A型的固體發動機噴管是固定式的,需要向噴管中噴射高壓四氧化二氮射流來使火箭排氣流偏轉,以控制推力的方向。4B型火箭自去年投入使用以來已連續3次發射成功。

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本次爆炸的火箭在發射前的準備過程中出現過兩次與半人馬座上面級有關的問題,但這兩個問題與這次事故似乎沒有明顯的聯繫。發射前幾周,該上面級液氫貯箱的隔熱層剝離,不得不進行修理。另一個問題是在倒計時過程中出現的,出故障的部件是推進劑液位感測器。

爆炸發生後,美空軍派出回收太空梭固體火箭助推器的自由之星號回收船打撈星箭殘骸,包括絕密的水星衛星部件。空軍和工業界已組成故障調查委員會,以確定是什麼原因導致火箭在飛行中失控。初步調查將圍繞以下幾個方面進行:(1)是否有一台固體火箭助推器的噴管破裂了?從一些電視畫面上可以看到,爆炸前火箭的羽煙出現了“微妙的”變化。(2)是否有一台固體助推器上的推力向量控制系統發生了故障?(3)是否是火箭制導硬體中的電子器件出了故障?制導系統中使用了利頓公司提供的一台慣性測量裝置計算機和一台火箭制導計算機。(4)火箭是否出現了嚴重的結構破壞,造成滾轉和俯仰方向失控?火箭爆炸時正在向音速(馬赫1)加速,氣動載荷接近最大值。

去年初德爾它2火箭爆炸後,根據當時的規定,整個故障調查工作基本上是秘密進行的。但大力神4A這次爆炸的調查將完全公開地進行。

按發射安排,大力神4B型火箭將在今年12月在卡納維拉爾角發射一顆國防支援計畫(DSP)飛彈預警衛星。明年1月,它還將發射一顆軍事星軍事通信衛星。發射能否如期進行,將取決於故障調查工作的進展和結果。

大事記

1967年1月:格里索姆、查菲和懷特3名美國太空人在卡納維爾
角進行阿波羅1號飛船模擬發射時,因飛船失火而喪生。

1967年4月:前蘇聯太空人科馬羅夫因飛船在再入過程中降落傘失靈、飛船墜毀而身亡,成為世界上第一位在執行空間飛行任務時獻身的太空人。

1971年7月:3名前蘇聯太空人在於太空實驗室中工作了創紀錄的24天后,在返回地面的過程中因飛船失壓身亡。

1980年3月18日:前蘇聯東方號運載火箭在普列謝茨克發射場進行燃料加注時發生爆炸,45名技術人員當場被炸死,另有5人在送往醫院後死亡。這次事故直到1989年才有了報導。

1986年1月28日:美國挑戰者號太空梭從卡納維拉爾角升空72秒後爆炸,包括一名教師在內的7名美國宇航勇士喪生。

1986年4月18日:據信攜帶著軍事偵察衛星的一枚美國大力神34D運載火箭從加州范登堡空軍基地起飛8.5秒後發生爆炸。

1986年5月3日:攜帶有價值5700萬美元的一顆氣象衛星的美國德爾它運載火箭從卡納維拉爾角起飛71秒後主發動機突然熄火,90秒時自毀。

1990年2月22日:歐洲阿里安運載火箭在發射兩顆日本衛星時,在從法屬蓋亞那庫魯發射場起飛1分40秒後發生爆炸。這是阿里安火箭的第36次發射。

1990年9月7日:美國一枚大力神火箭的部分箭體在愛德華茲空軍基地從吊車上墜地,引發的大火火焰高達45米,造成至少1人死亡。

1990年10月4日:俄羅斯一枚天頂號火箭在拜科努爾發射電子偵察衛星時於起飛幾秒後發生爆炸,發射設施遭受嚴重損壞。

1991年6月18日:攜帶有美國航宇局及幾所大學的10個試驗件、高15米的勘探者火箭在從卡納維拉爾角發射後因偏離正常飛行路線而被自毀。

最近災難

1993年8月2日:據信攜帶著造價高昂的軍事間諜衛星的一枚美國大力神4型火箭在從范登堡空軍基地起飛約2分鐘後爆炸。

1994年12月1日:歐洲一枚阿里安火箭在法屬蓋亞那庫魯進行第70次發射時,升空後墜入大西洋,價值1.5億美元的泛美衛星3被毀。

1995年1月26日:攜帶著通信衛星的一枚中國長征二號E火箭在從西昌衛星發射中心起飛後發生爆炸。

1995年10月23日:攜有14個試驗件的一枚美國大篷車運載火箭在從美國航宇局建在維吉尼亞的設施起飛45秒後發生爆炸。

1996年2月15日:發射國際通信衛星708的中國長征三號乙運載火箭在西昌衛星發射中心進行首次發射時,於起飛後不久發生爆炸。

1996年5月14日:發射偵察衛星的一枚俄羅斯聯盟U型火箭在從拜科努爾發射場起飛49秒後整流罩過早打開,致使火箭墜毀於哈薩克斯坦境內。

1996年6月4日:歐洲阿里安5大型運載火箭在法屬蓋亞那庫魯進行首次發射時,於起飛後40秒發生爆炸。

1996年6月20日:俄羅斯發射偵察衛星的一枚聯盟U型火箭在從普列謝茨克發射場起飛50秒後整流罩過早打開,致使火箭墜毀。

1997年1月17日:美國一枚德爾它2型火箭在發射一顆全球定位系統(GPS)衛星時,於起飛後13秒發生爆炸。

1997年5月20日:俄羅斯一枚天頂2型運載火箭在拜科努爾發射一顆宇宙號軍事衛星時於起飛48秒後出現發動機故障,導致火箭墜毀。

1998年8月12日:美國一枚大力神4A運載火箭起飛後不久發生爆炸,火箭連同所帶的間諜衛星價值在10億美元以上。 

1998年8月27日:攜帶通信衛星的美國德爾它3運載火箭在卡納維拉爾角進行首次發射時,於起飛後不久化作一團價值2.25億美元的火球。

1998年9月10日:烏克蘭一枚天頂2型火箭在發射12顆商業衛星時於起飛後272秒出現計算機故障,導致星箭墜地。1999年7月5日:俄羅斯一枚質子號運載火箭在從拜科努爾起飛後不久出現故障,星箭墜毀於哈薩克斯坦境內的草原上。

1999年10月27日:俄羅斯一枚質子號火箭在發射一顆通信衛星時,在從拜科努爾起飛後不久出現故障,星箭墜毀。

新世紀災難

2003年2月1日:美國“哥倫比亞”號太空梭因外部燃料箱一塊絕緣泡沫碎塊發生脫落而空中解體爆炸,航天員7人全部死亡.

2011年8月18日:俄羅斯最強大的高科技通訊衛星Express-AM4衛星,2011年8月18日於哈薩克斯坦境內的拜科努爾航天發射場發射升空後,失去了與地面控制中的聯絡。

2011年8月18日17時28分:在酒泉衛星發射中心用“長征二號丙”運載火箭發射“實踐十一號04星”。火箭飛行過程中發生故障,衛星未能進入預定軌道。

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