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发信人: dxmxqe (亲爱的小孩), 信区: Aero
标  题: 美国的太空千里马——“半人马座”上面级
发信站: 哈工大紫丁香 (Mon Jul 17 17:59:51 2006), 站内


==================== 子 力 ====================
 
　　现代社会的一大进步是信息交流速度越来越快。人们在通话、上网、看电视时
，可能很少会想到这其中有通信卫星的功劳，更想不到是谁把卫星送到了离地球很
远的轨道。另外，人类发射探测器探索太空、研究宇宙的过程也离不开运载工具的
帮助。在各种航天运输工具中，有一种是专门用于把已进入太空的航天器送往更高
处甚至送向其它行星的，被称为运载火箭的上面级。美国航宇局刘易斯研究中心（
最近更名为格伦研究中心）研制的半人马座就是这样一种上面级。到目前为止，该
上面级所执行的不载人航天发射任务已超过百次。但在去年4月30日大力神4B发射
一颗军事通信卫星时，这种上面级出了故障，造成惨重损失。

　　半人马座溯源

　　现代化学火箭的出现是人类航天技术发展过程中的一项重要成就。它使人类的
活动疆域扩展到了太空。用火箭发射的各种探测器跳出了地球大气围成的小圈子，
大大开阔了人类的眼界。化学火箭是从中国古代发明的焰火演变而来的。焰火技术
当时是项很了不起的发明，但今天来看却太简单了，今日航天运输系统的复杂程度
已不可与它同日而语。

　　1957年，即美国航宇局成立前将近一年，美国空军对通用动力/航天公司的一
项建议进行了研究。这项建议提出研制一种新型航天运载工具，以使美国尽快拥有
重型有效载荷运输能力。这种高能运输工具用作运载火箭的第二级，推进系统使用
液氢和液氧作为推进剂，能用于运送重3856公斤的有效载荷。它就是后来的半人马
座。

 　　1958年8月，美国政府的高级研究项目局从空军收到了一份更为详细的建议，
并把研制工作交由美国空军管理。当时美苏两国正在开展太空竞赛，而苏联于
1957年10月4日首先把一颗人造地球卫星送入太空，抢得了领先位置。在这种形势
下，美国正需要有半人马座这样的运输工具来为自己加劲儿。就在1958年美国航宇
局成立的这一年，半人马座成为了正式硬件研制项目。当时苏联已把重1361公斤的
人造地球卫星3号送入了太空。

　　鉴于美国的长期航天战略，1959年7月1日，美国航宇局从国防部接管了半人马
座项目。不久后，该局决定在1961年1月进行半人马座的首次飞行试验。半人马座
不光是又一种运载工具，也不光要用于发射军事卫星，美国航宇局还要利用它执行
广泛的地球轨道任务，并开展月球和行星研究。美国航宇局当时准备在70年代甚至
更长的时间内，每月都发射一次这种火箭。但该项目随后多次出现问题，包括在试
车台上发生爆炸，所以未能按时进行首飞。

　　1962年5月8日，第一枚半人马座终于发射升空。这次发射的头54秒还很正常，
但随后半人马座上面级即发生了爆炸。当时美国国防部认定，实用型半人马座要等
到1966年才能研制出来。失败后，美国航宇局又安排在同年10月进行第二次飞行试
验。另外，刘易斯研究中心向美国航宇局保证说，该中心可以使问题不断的这项计
划走出困境。美国航宇局为此把该项目的管理权限交给了这个中心。

　　刘易斯中心的技术人员曾开发过液氢/液氧超低温燃料的安全处理技术，所以
对半人马座所用的液氢/液氧燃料比较熟悉。早在美国航宇局还未成立之前，刘易
斯中心就针对这类高能液体火箭推进剂开展了一些开拓性的工作。40年代末他们就
积累了一些有价值的试验数据，为太空时代的到来打下了技术基础。

　　项目得到批准后，刘易斯中心的技术人员开展了复杂的研究开发工作，以完善
半人马座的设计，保证其可靠性。为确保成功，中心的项目组还对将把半人马座送
上路的宇宙神火箭进行了完善和改进，并建设了专门的地面试验设施。

　　1963年11月23日，美国航宇局终于成功地进行了宇宙神/半人马座火箭的发射
。这次发射没有携带有效载荷，但半人马座所用的液氢/液氧发动机的飞行成功，
却具有非凡的意义。

　　从蓝图到发射台

　　半人马座火箭是美国第一种高能上面级运载工具。许多火箭都使用以煤油为主
的烃类燃料，而半人马座使用的是液氢/液氧推进剂组合。这种组合能量高，因而
火箭的比冲大，或者说单位重量推进剂每燃烧1秒钟所能发出的推力大。火箭比冲
就如同是汽车使用单位体积燃油所能行驶的公里数，可以表征燃料效率的高低。由
于推进剂的重量在火箭总重中占有很大比例，所以燃料效率高低直接影响到火箭的
运载能力。

　　最初的半人马座火箭长9.1米，直径3米，加满燃料时重15.9吨。由于采用的是
高能推进剂，它的运载能力较强，同宇宙神第一级火箭“联手”可以把2268公斤的
有效载荷送入高地球轨道。

　　半人马座火箭在位于圣迭戈的通用动力公司组装（该公司现已并入洛马公司）
。由于所用的推进剂温度很低，火箭的贮箱需要采用特殊构造。贮箱分两部分，一
部分盛液氢，另一部分装液氧。液氧的温度就很低，为零下147摄氏度，而液氢的
温度则更是低达零下216度。为了防止液氢沸腾，通用动力公司设计了一个有双层
壁的隔板，用作热障，并把两部分隔开。

　　贮箱的液氢部分覆有轻质隔热层，以保护贮箱免受火箭在地球大气中飞行时产
生的强烈的气动热的损害，同时防止箱内低温燃料进一步沸腾。贮箱的强度要足以
承受飞行时的应力，选用的是很薄的不锈钢板。钢板的厚度仅有不到1.3毫米，还
没有一枚硬币厚。尽管厚度很薄，但贮箱增压后强度很好，而且重量也轻。

　　火箭上装有两台发动机，由普惠飞机公司设计，型号为RL-10。每台发动机的
推力为73.5千牛，两台的总推力为147千牛。很多液体燃料火箭要用一部分燃料带
动燃料泵，而在RL-10上这一步骤被省略了，因而可节省燃料，以用于产生更多的
推力。

　　RL-10是液氢/液氧类发动机中的“老前辈”。从使用情况看，它是一种非常优
秀的发动机。该发动机的技术还被用在土星火箭的上面级所用的J-2发动机上，供
阿波罗登月计划使用。另外，使用氢氧燃料的航天飞机主发动机也应用了这项技术
。

　　RL-10发动机的另一重要特点是它们可在太空中经过长时间滑行后多次重新启
动，因而可提高入轨精度。这就像棒球场上的外野手要投杀本垒处的跑垒员一样。
他可以把球先投给一名内野手，由后者再把球传给本垒处的接球员。内野手实际上
起到的是中段修正作用。经过这种传递，球的飞行精度肯定要比直接由外场长传至
本垒高。而当目标处在几亿公里（而不是百八十米）之外时，精度的重要性就更是
可想而知了。

 　　除用两台主发动机产生推动力之外，半人马座上面级上还装有几台小型推力
器，用于控制火箭的飞行方向。这些小推力器是反推控制系统（RCS）的一部分。
反推控制系统可以按制导控制系统的指令使火箭完成机动动作。

　　半人马座火箭的所有组件，包括推进剂贮箱、发动机、导航系统和计算机系统
，都进行了全面试验。用于航天飞行的火箭在投入使用之前必须保证其可靠性和质
量。通过最终验收后，组装好的火箭就被运往卡纳维拉尔角航空站的东部试验靶场
。

　　该上面级火箭一运抵卡角，工程技术人员就开始对其进行地面测试和操作，以
进一步确保可靠性。它首先被运至一火箭库房中进行发射场验收。如没有问题，再
运至综合发射设施处进一步进行测试检查，确保火箭处于良好工作状态。火箭上即
使是很细小的一个故障也会使整个发射归于失败。由于半人马座要与运载火箭第一
级配合使用，所以还要进行综合检测，保证两者的兼容。

　　完成各项检测后，火箭即准备发射。整个测试程序需要花几周时间。

　　发射前大约4天，刘易斯中心的火箭技术人员将组成一个30人左右的专家小组
，自上而下地对完成对接、已立在发射台上的火箭进行检查。该小组同时也是发射
小组。完成检查后，他们还将进行倒计时演练、发射演练（检查软件）和发动机试
验。在进行完最终状态检查后，火箭只等一声令下，就将离开发射台，飞上太空。

　　飞吧，半人马座

　　半人马座计划自首次发射后，创造了很好的成功飞行记录。它是作为宇宙神运
载火箭的上面级而研制的。它的第一项任务是把不载人的勘测者号探测器送往月球
。为了准备这次发射，它在4年之内进行了8次试验性发射，每次试飞后都进行了一
定的技术改进。

　　半人马座计划1965年遭受了一次重大挫折，当时执行编号AC-5研制飞行任务的
火箭在发射台上发生了爆炸，火箭连同发射台被毁。

　　1966年5月，不载人月球探测器勘测者1号使用半人马座发射。它是美国的第一
颗月球软着陆探测器。勘测者探测器采集了月球表面构造的数据，并拍下了月面的
高清晰度照片，为后来阿波罗载人飞船登月成功起到了重要作用。

　　70年代，半人马座与美国空军的大力神3运载火箭组合，实现了更高的运载能
力。这种上面级曾向其它行星发射过着陆探测器和飞越探测器，探测了水星、金星
、火星、木星、土星、天王星和海王星等。水手号、先驱者号、海盗号和旅行者号
探测器为对这些行星进行研究提供了极为宝贵的数据。它们拍摄的火星近距离照片
以及获取的其它资料使科学家们得以对火星的气候及其大气的性质进行了研究。旅
行者号拍摄的高清晰度照片使我们对地外世界的复杂性大为感叹。这些新发现可能
会帮助人类解释那些星球的奇异特征，并回答有关它们的演化和太阳系起源的问题
。

　　半人马座曾发射过研究太阳系之外的太空的观测卫星，以探索茫茫宇宙的奥秘
。60年代末和70年代初，它发射了轨道天文台（OAO）卫星。OAO在太空中发现了围
绕彗星的氢云，其直径达1.6亿公里。这是人类首次发现这种云存在的证据。OAO还
观测了从地面上无法观测的河外星云以及电磁波谱的紫外区。70年代末，它发射了
高能轨道天文台（HEAO），对宇宙线和伽马射线进行了观测。

　　半人马座还向距地3.6万公里的静地轨道发射过各式各样的通信卫星。60年代
末它发射了应用技术卫星（ATS），70和80年代又相继发射了国际通信卫星、通信
星和舰队通信卫星等多种通信卫星。

　　私营企业从研制初期就参与了半人马座的工程研制和技术支持工作，如通用动
力公司、特里达因公司、普惠飞机公司和霍尼韦尔公司都参加了设计和改进工作。
目前美国航宇局已不再负责设计、研制和发射操作的管理工作，而是从商家购买发
射服务。刘易斯研究中心仍在继续通过合作项目开发和试验该上面级所需的技术和
部件。

　　1990年7月1日，商用宇宙神1型火箭使用半人马座上面级发射了释放和辐射综
合效应卫星（CRRES），开始了这种上面级使用史上的一个新时代。静地环境业务
卫星（GOES）气象卫星的发射也使用了这种上面级。1995年12月2日，宇宙神/半人
马座成功地发射了欧洲的空间科学卫星太阳与日光层观测台（SOHO），这也是商用
型宇宙神2AS火箭的首次发射。1997年10月，半人马座与大力神火箭配合，发射了
卡西尼土星探测器。 

中国航天2000年第1期

http://www.space.cetin.net.cn/docs/ht0001/ht000110.htm


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