号航天飞机上纵然从未主蒸内燃机,财富号运载火箭是苏联研制的少年老成款相当的重型运载火箭

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问:为什么美国航天飞机发射的时候中间那个大火箭没有启动?
以前一直以为航天飞机发射时推力最大的是中间那个红色的,现在才发现别人根本没有启动。

简介

能源号运载火箭是苏联研制的一款超重型运载火箭,其至今仍然保持着世界最强火箭运载能力的记录,它是由前苏联能源科研生产联合体研制生产的,能源号运载火箭属于一次性使用重型运载系统,在当年,它是暴风雪号航天飞机的助推器,其近地轨道运输能力为105吨,地球静止轨道运输能力为20吨。

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能源号运载火箭作为一款拥有全新结构设计的大推力火箭,其最突出的性能表现就是恐怖的有效载荷(能源号超过100吨的有效载荷相当于苏联每年送入近地轨道有效载荷的三分之一),一枚能源号运载火箭的运载能力相当于五枚质子号SL-13运载火箭或15枚联盟号A4运载火箭。

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左一左二为祝融星-大力神运载火箭,当中的小弟是能源-M火箭

“暴风雪”号航天飞机是前苏联为了应对美国航天飞机而开发的。它是前苏联/俄罗斯的第一架(到目前为止也是唯一的一架)可重复使用的载人空间运输工具。航天飞机前方的座舱能够容纳六名机组乘员,但它的唯一一次飞行是无人的。在这次飞行之后,“暴风雪”号航天飞机就因为费用问题而被弃用了。

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研制历程

为了取代发射成功率为零的N1火箭,苏联在1974年启动了新火箭的方案论证工作,能源科研生产联合体则提出了祝融星计划,其准备效仿美国用可重复使用的航天飞机来取代造价高昂的土星五号运载火箭,计划设计一款以质子号火箭为基础,使用与质子号相同的燃料,但是体积更大,推力更强的运载火箭。

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在NASA于1973年发射天空实验室后因为无法负担土星五号火箭高昂的发射费用而不得不放弃继续使用它时(
“阿波罗一联盟”
号的联合飞行是在2年后用小型“土星”1B进行的),苏联却仍然在不遗余力的研究高能低温推进技术。1987年5月15日,苏联价值200亿英镑的“能源”号
重型运载火箭首次在哈萨克斯坦的丘拉坦发射场进行了发射并取得了圆满成功,这也表明了苏联在工业开发太空方面即将领先全球。

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结构特点使用情况结构特点

航天飞机那个橙色部分根本就不是火箭,当然不会启动。仔细看看就知道,那个橙色柱体底部并没有安装火箭发动机。

性能参数

能源号运载火箭是一种两级火箭,高度接近60米,芯级直径8米,总发射质量大约为19600KN
,总发射推力为 29400
kN,其发动机比冲值在4705以上,单台推力在323KN以上,推重比大致与美国航天飞机相当,如果经过充分改进,甚至可以一次将270吨货物送入近地轨道,绝对是迄今为止运载能力最强的火箭,没有之一!

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总装厂房内能源号火箭的4台助推器

能源号运载火箭的氢氧发动机RD-0120真空推力达到190吨,真空比冲为454.5秒,(仅次于美国338吨的RS-68、213吨的SSME、优于法国136吨的Vulcain
2,日本111吨的LE-7A),单次使用时长为500秒,可重复使用十次,就算是与美国的SSME等大推力氢氧发动机相比,性能也毫不逊色,而且RD-0120结构更简单,设计更有创意。

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火箭助推器装配大厅

正如上文提到的,能源号运载火箭的设计初衷是为了运载暴风雪号航天飞机(这也是能源号的载荷位于火箭的侧面而不是顶部的原因),但是这并不意味着它不能执行常规重型运载火箭的发射任务,在能源号第一次发射任务中就携带了“极地”号斯泰基-DM型试验飞船。

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“暴风雪”号机身并没有装备火箭发动机。“暴风雪”号像滑翔机一样返回地球,并在跑道上着陆。下落过程中的热保护需要40000块定制的隔热瓦。

那个橙色部分其实是外挂燃料箱,里面装的是低温液氢和液氧推进剂。该外储箱分为两部分,前部分装的是600吨的液氧,后部分装的是100吨液氢。

火箭回收技术的先行者

类似于能源号这种重型运载火箭发射费用十分昂贵,如果是一次性使用,就连美国这样财大气粗的国家都接受不了(土星五号被迫下马就是因为资金问题),因此苏联为了大幅度降低使用成本,在火箭助推级和芯级回收技术方面做了大量可行性研究,“能源号”火箭每个助推器外侧的上、下两端增设了回收设备舱,在底部还可以安装一个独特的折叠式桨叶状减速机构,因而其发射后可以借助回收系统来回收助推级乃至芯级(苏联在火箭回收技术方面可比美国Space
X早了好多年),但是最终因为缺乏研发资金能源号运载火箭还是被设计成了一次性使用。

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能源号火箭结构视图

“暴风雪”号航天飞机上虽然没有主发动机,但有两台小型机动发动机,着落时如果第一次着落不成,还可以像普通飞机一样拉起来,再次进行着落,安全性能比较高。

外挂燃料箱不会直接燃烧产生动力,而是会把推进剂输送到轨道器(外形像飞机的部分)尾部的三台主发动机那里进行燃烧,从而产生动力。每台主发动机的海平面推力为1860千牛,真空推力为2279千牛。由于燃烧之后产生的是水,所以主发动机工作时产生的火焰并不明显,只有在某些角度下才容易看到。

总结来说

能源-暴风雪项目是苏联在征服太空历程中最为野心勃勃的计划,其数十年的研发一扫N1前耻,也标致着苏联科学技术在航天运载火箭发展上的一大跨越,当时苏联最大的科学和工业中心、1286家企业和86个部委的100多万人直接参与了该项目,然而在1988年首飞成功之后,该项目资金就已经濒临耗尽。

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为了这个大项目,苏联投入了整整140亿卢布(当年的卢布不同于现在的卢布。按项目周期接近完成时的1985年看,当时苏联官方给出的美元兑卢布的汇率为1美元=0.7642卢布,恰好相当于现在美元与英镑的汇率。而如今,在2017年8月底,1美元=58.36卢布。也就是说,包括能源重型运载火箭在内的一揽子大型航天项目的总投资额相当于今天的1215.043亿元人民币,可谓是力度空前)。再加上切尔诺贝利核事故,为了遏制美国的星球大战计划而上马的各种烧钱的项目,它们在某种意义上加速了苏联的解体。

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在苏联解体之后,昔日的计划更是彻底失去了经济支持。1991年,苏联军方停止了对该计划的拨款支持。1993年,暴风雪航天飞机机身的设计者,莫尔尼亚联合体被迫承认,暴风雪计划就此结束。而本篇的主角——能源号运载火箭因为各种政治与经济原因只能存放在库房中,2002年能源号火箭连同一架可以飞行的暴风雪号航天飞机一道,在拜科努尔的厂房坍塌中被摧毁。(能源号的技术大体和N-1运载火箭、TOPAZ-2型空间核反应堆电源以及雅克141结局一样被美国人购买用做航空航天技术储备。)

“暴风雪”号在轨道运行时,完全依靠无人自动驾驶,其技术难度更大。

外储箱边上两枚白色火箭为固体助推火箭,由于燃烧的是固体推进剂(高氯酸铵组合推进剂),所以会排放出大量的烟雾,这会掩盖掉主发动机的火焰。在航天飞机飞行75秒,距离地面45公里之时,两枚固体助推火箭会与主体分离,轨道器与外储箱继续加速飞向太空。

使用情况

当航天飞机飞行大约9分钟,距离地面113公里之时,外储箱中的燃料耗尽,它也会与轨道器飞离。分离之后,外储箱会再入大气层烧毁,轨道器则进入轨道,绕地球飞行。在执行完任务之后,轨道器将会滑翔回地球。

“暴风雪”号航天飞机完成了两圈地球轨道的飞行。“能源”号的核心级发动机在发射升空8分钟后关闭,“暴风雪”号航天飞机在160公里(99.4英里)的高度上脱离。大约两分钟以后,“暴风雪”号的机动发动机点火67秒,将航天飞机的高度提升到了250公里(155英里)。

在航天飞机发射时,我们看到中间最大那个的橙色大桶,其实就是航天飞机外挂的燃料箱,用完就可以扔了的那种。

另一次机动是在太平洋上空将轨道调整成圆形时进行的。点火制动是在第二次飞越太平洋上空时进行的。任务结束时,“暴风雪”号航天飞机自动降落在了哈萨克斯坦的拜科努尔发射场。2002年5月,唯一架进行过实际飞行的“暴风雪”号在“能源”号机库倒塌时被破坏了。

它颜色鲜艳,体积巨大,看起来最惹人注目。这个外储燃料箱长度接近50米,重达30吨,里面存储液态氧和液氢,供航天飞机尾部的三台推进器燃烧使用。

由于航天飞机自身体积有限,为了提高其飞行效率,两侧配有外挂的固体助推火箭,就是图上看到冒白烟的两侧发送机。助推火箭在起飞不久就会燃料耗尽而脱离航天飞机。

而供应航天飞机主发动机的副燃料箱也采取可抛弃的外挂方式,通过管道供应航天飞机的主发动机使用。在航天飞机飞行到距地面百公里时,一般这个巨大的副油箱也就耗尽燃料了,会脱离航天飞机,进入大气层中烧毁。

不光航天器会有副油箱,很多航空设备一样具有外储邮箱,我们经常会看到一些战斗机机翼下也会挂上几个大家伙,那并不是导弹或者炸弹,而是副油箱,比如上图这张我国J20战斗机在试飞时,就挂载了四个副油箱,容量超过5顿燃油,可以大大提高其巡航半径。

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直接上图看看它的样子,造型还是可以的:

三个结构:中间的那个橙色的大柱子,两边的细小的白色柱子,以及背上驮着的白色航天飞机。

真正有用的是白色航天飞机,其它的都是送它上去的东西。

航天飞机自己尾部还有三台发动机,这是主发动机,我们知道火箭上太空需要耗费大量的燃料,所以那个橙色的柱子就是燃料罐,橙色大柱子里面是两个独立的大箱子,一个箱子装着液氢,一个箱子装着液氧,两个箱子中间还有连接装置,输送燃料到航天飞机的三台主发动机中。

那有的人问了,咋没看到航天飞机三台发动机喷火?

由于是液氢-液氧燃料组合方式,燃料燃烧推进产生的废料是水,当然在对比之下看不到了。

那橙色大柱子两边的白色柱子是什么呢?

那是助推器,提供额外的动力,因为只依靠航天飞机三台发动机有些费力,助推器起先与航天飞机发动机一起工作,当上升到距离地面大约45千米时,这两个白色助推器与它们俩个分离,橙色大柱子与航天飞机再飞行一阵子。这两个白色助推器在分离后,前部分弹出来降落伞,降落到海里,这是可以重复使用的。

之后橙色大柱子继续给航天飞机提供燃料,直到燃料耗尽时,此时差不多距离地面已有100多千米了,橙色大柱子再与航天飞机分离,进入大气层中烧毁。

最终航天飞机终于来到了太空中执行任务。

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为什么美国航天飞机发射的时候中间那个大火箭没有启动?

很多朋友应该也有这个疑问,航天飞机旁边两个固体助推器启动、航天飞机的主发动机也启动了,但中间那个巨大的“火箭状”物体却静悄悄的,心安理得的接受众多发动机的推举,缓缓的升上天空!

从这个角度可以很清楚的看到,两边的助推器已经点火,航天飞机的发动机还是主引擎哦,而那个大燃料箱下面可是光秃秃的!因为它真的只是一个燃料罐!这个燃料罐内部分为两层,上层是液氧,约600吨!下层是液氢约100吨!

而这些燃料通过管道送到轨道器就是我们俗称的航天飞机的主发动机点火产生推力,因为是液氢与液氧,因此它们燃烧仅仅是只是水蒸气而已,不像固体助推器有非常夸张的尾焰!因此很多朋友就误会了,只有两个助推器开工,航天飞机的主发动机没有工作的印象!

比如在这张图片上,就很难看出这个发动机是否有在工作!另外还有一些不太了解的朋友做的CG图,甚至就只渲染了固体助推器,这更是造成了大量的误会!

如图,就只有两条尾焰,而没有主发动机的燃烧的任何痕迹!航天飞机的每台主发动机的海平面推力为1860千牛,真空推力为2279千牛。固体助推器的推力为1245吨,其内部填充了498.85吨高氯酸铵组合推进剂,工作约75S后与航天飞机脱离!而航天飞机带着巨大的燃料箱继续飞行约470S后航天飞机进入约110公里以上的轨道后脱离!

当然也并不是所有的航天飞机上的发动机作为主发动机的,前苏联的暴风雪航天飞机上就没有主发动机,而是装在了能源火箭上!减轻了航天飞机的负担!

腾出的位置可以安装航天飞机的制动减速伞,另外还能安装小型发动机,在航天飞机返回大气层但预备的机场气候不佳时可以机动飞行!而美国的航天飞机则只能一次成功,要不然便成仁了哈….当然从重返大气层到降落短短十几分钟,气候变化不会太剧烈,或者提前准备重返轨道到另一个机场!

但上图就是暴风雪航天飞机的现状,1988年11月15日,苏联的暴风雪号航天飞机从拜科努尔航天中心无人驾驶试验成功!但即使如此也未能逃避前苏联解体所带来的产业全面凋零!这从侧面可以看出一个帝国的兴衰!

美国航天飞机发射的时候中间那个大火箭为什么没有启动?

首先说说美国的航天飞机是由火箭助推器、外燃料箱和轨道飞行器三部分组成。题主说的中间那个最大的就是外燃料箱了,它是航天飞机的“脊梁”,为主燃料推进飞行器和轨道飞行器提供支撑,因此它不会有启动装置;它装满了航天飞机主发动机要用的助推剂,是唯一不能二次利用的装置,航天飞机升空8分半后,燃料耗尽,燃料箱与主体分离,在设计好的路线下落,焚毁的残骸落入海洋。

中国的发射的火箭中间那个是火箭🚀的发射架,但它的作用并非是支撑和固定火箭,而是为工作人员为火箭进行加注、测试和准备等提供的平台。发射架不属于火箭构成,不用发射和启动。火箭的底部外壳有四个支撑点,发射前固定在发射台带轮子的托座上。火箭本身就是很稳的。

火箭有燃料舱和火箭发动机,燃料舱的燃料需要火药启动燃料泵,将燃料压入发动机(火箭底部的喷嘴)。火箭自身携带有燃烧剂和助燃氧化剂,它无需空气助燃,因此火箭可在没有空气的大气外层燃烧持续飞行。

火箭启动是以热气流高速向后喷出产生的反作用力来推进的装置。发射架打开,火箭立即发射。在发射途中还会修正轨道。

我们平时在电视上天到火箭发射前工作人员喊的“…5,4,3,2,1,点火”!那也仅是仪式。火箭的点火程序早被设计好的,由计算机自动进行电子点火。由动量定理和牛顿第一定理可得出火箭的加速度(能在几秒内达到100m/s),火箭速度达到了宇宙速度。比如神舟七号的加速度是20m/s²。

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以上图片中左边是美国的航天飞机发射前、右侧是俄罗斯的航天飞机发射前。在两个发射系统中我们可以看到相似的结构,航天飞机和两个固体推进器“围抱”着一个更大的类似推进器的东西。像题中所说中间被围抱着的“红色大红箭”其实并没有点火,它的专业名字是航天飞机外储箱。

外储箱是航天飞机最大的组件,它的里边携带着液氢(燃料)大约106吨、液氧(氧化剂)大约629吨,主要是为了航天飞机尾部的三台主发动机提供燃料和氧化剂,简单形象的说就是外挂了一个“大油箱”。同时也起着支撑和连接固体助推器及航天飞机的作用。

在发射的时候两个固体推进器承担主要的推力,它们要至少把整个系统推进到45公里的高度,随后分离打开降落伞后落在海面上待回收。这个时候航天飞机的三台主发动机带着外储箱和航天飞机继续上升。在主发动机停车10秒后外储箱才会分离,重新返回大气层。航天飞机会在预定轨道绕地飞行,执行完任务后返回地球被回收。所以整个起飞时候的系统只有外储箱是一次性的。


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美国航天飞机附着的橙红色圆柱形物体并不是火箭,而是而是一个“大油箱”,里面装的是火箭发动机产生推力的燃料:液氧和液氢。氢气和氧气通过输液管道混合进入航天飞机的尾部,然后被点燃生成巨量的水蒸气,水蒸气体积大,推着航天飞机往天上飞。

而航天飞机周围的两个白色大圆柱体,其实只是两个固体助推器而已,辅助提供推力以及稳定系统稳定。由于里面装的是固体高氯酸铵,受热释放大量的氮气、氧气、氯气和水,这几种气体和未来的及分解的高氯酸铵白色固体颗粒混合产生大量白雾,看起来就像是这两个为主推进器一样。其实,真正的主推进其还是中间的“大油箱”连接的发动机。

主发动机之所以看不到喷出气体,主要是水蒸汽是无色的,只有冷却为液体水滴的时候才会出现白雾。而主发动机产生的水蒸气温度太高,很长时间才会冷却,所以我们可以在火箭飞过之后可以看到轨迹。

其实想来也搞笑,我们最早使用的动力是基于水蒸气的蒸汽发动机,想不到快一百年过去了,进入了原子能时代的我们,送入太空的火箭依然采用的蒸汽推力。

那是燃料箱。航天飞机的三个主发动机都在航天飞机本体上。燃料箱两边的是两枚助推火箭。另外,主发动机在降落阶段进入大气层后不点火,完全依靠滑翔降落。

航天飞机中间红色的是外置燃料储箱,为航天飞机的三台SSME发动机提供液氢和液氧。SSME是氢氧发动机火焰比起剧烈燃烧的两个固体助推器淡很多,所以看起来像没有启动,其实是启动的,在发射时先于助推器点燃,这时火焰比较明显(图2)。

另外苏联的暴风雪航天飞机和美国不同,本身没有火箭发动机(此处确切的描述为:没有起飞发动机,多谢读者提醒),完全依靠捆绑的能源号火箭的动力,中间的“粗管子”是能源火箭的芯级,发射时燃烧的就比较明显了。

那个是燃料罐,它负责给航天飞机送燃料,真正的发动机在航天飞机的屁股上。

那个是燃料箱不是大火箭,航天飞机上没有带太多的燃料,而那个大燃料箱直接连接了航天飞机的引擎。为其输送燃料。所以图片中的航天飞机的引擎是开启状态。(引擎开启的另一个原因是航天飞机和发射单元整体重心不稳,会向航天飞机这个方向倾斜,开启引擎是为了防止倾斜。)

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