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战神火箭——ATK大型分段固体发动机制作人：同组成员：黄志伟、李超、党辉、李楠黄斌阿瑞斯——古希腊战神1研制背景2战神系列火箭介绍3ATK大型分段式固体发动机4历次地面及发射实验5同类比较6结语7阿瑞斯——古希腊战神•阿瑞斯（Ares），古希腊神话中的战神，奥林匹斯十二神之一，被视为尚武精神的化身。•关于阿瑞斯的神话主要源于荷马史诗。他是宙斯和赫拉的儿子，有的神话说他是阿马宗人的始祖。研制背景美国新一代航天工程“星座计划”美国的载人航天成就是人类探测太空历史的奇葩，其中发射载人飞船的航天火箭一度扮演至关重要的角色，1969年7月16日，土星-5发射阿波罗11号飞船，实现人类首次登月。而自1981年4月12日，美国发射世界上第一架航天飞机哥伦比亚号以来，这种天地往返的航班逐渐成为美国载人航天的主力，美国火箭则慢慢淡出载人航天的舞台；并且1972年12月阿波罗17号成功之后，再无载人登月发射，载人航天的疆域又呈现回缩的局面。然而美国并非当真雄心蛰伏。按照NASA（美国国家航空航天局）的计划，航天飞机全部退役，已经启动的新一代航天工程“星座计划”则包含了载人登月等一系列雄心勃勃的目标，旨在2015年开始将宇航员送达国际空间站，然后2020年再次载人登月。计划中，战神系列火箭是新一代运输火箭，并在整个工程中居于进度的前列。按照分工定位的不同，战神系列火箭共包括三个型号：战神-1、战神-4和战神-5。星座计划是人员货物分运制，这体现在战神各型号火箭的分工上一、战神-1是载人航天载具，用于发射新一代载人探索航天器——猎户座飞船，取代NASA当前使用的航天飞机。二、战神-4既可以用来发射货物也可以用来发射飞船，送月球着陆器或猎户座飞船进入正确轨道。三、战神-5目前的定位是货物运载火箭，运载牵牛星号登月舱，以后火星探测计划中其功能将得到进一步扩展，可能将用于人员运输。战神-1，战神-5火箭与航天飞机，土星5火箭的高度对比。战神系列火箭介绍载人航天载具：战神-1战神-1运载火箭在星座计划中属运送机组员的载人太空载具，主要用于向国际空间站、月球和火星发射猎户座飞船CEV。与运货的战神-5协同使用，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，这一点和航天飞机的人货混运有一定差异。基本参数如下：高度：早期公布数据为94米，战神-1-X高度为99.6米直径：5.5米质量：816.466吨载荷：(LEO)25000千克第一级：1台5段式RSRB固体发动机，推力标称1500吨级别，燃烧时间126秒，海平面比冲237秒，推进剂APCP（高氯酸铵组合推进剂），推进剂重量63532千克。第二级：1台J-2X发动机，真空推力130吨，比冲448秒，推进剂液氢/液氧（LOX&LH2），推进剂重量135吨。人货两用火箭：战神-4•按照NASA的设想，战神-4是人货两用运载火箭，可将月球着陆器LSAM或猎户座飞船CEV送入LTO轨道(LunarTransferOrbit，月球转移轨道)。经过两次战神-4发射，两台飞船将会合。一方面在猎户座绕飞月球后返回地球后，可以检验飞船热防护等系统。另一方面可比对战神-1号及战神-5号的登月计划，从而发现不足之处。而且若猎户座载人飞船发生故障，可发射另一台载人太空船至月球，暂时将登月小艇当作救生艇，避免类似阿波罗13号事件重演。另外，战神-4可以不用助推独立发射猎户座飞船，类似土星2/土星INT-20，其成本较战神-1更便宜。•不过就目前消息看来，战神-1和战神-5的组合可靠性已经有所提高，并且成本也得到有效控制，战神-4目前基本被压倒，基本已经处于被放弃的鸡肋地位。•根据NASA于2007年1月公布的数据，战神-4火箭高度为113米（371英尺），第一级芯级发动机和固体火箭助推器均与战神-5相同，第二级与战神-1相似。可以将总重量41100千克的载荷送到386千米的LTO轨道高度。大部分参数对照战神-5即可。由于战神系列火箭尚未最终定格，还存在一定的变数，战神-4未来命运仍将由时间来公布答案。货物运载火箭：战神-5战神-5主要承载星座计划中的货物运输任务，并可拓展至发射太空望远镜和其他领域。战神-5采用两级发动机加助推器的结构。j（SpaceShuttleMainEngine，航天飞机主发动机），与战神-1相似，第二级也是基于1台J-2X发动机，即EDS（EarthDepartureStage，地球出发级）。战神-5的第一级助推器RSRB与战神-1的第一级发动机有所不同，乃是5.5段式可重复使用固体火箭助推器，虽然很多设计相似，但这并不意味着战神-5的助推器和战神-1的第一级可以通用。在燃烧时间和推力特性上，5.5段式RSRB较5段RSRB又有了明显提高，远胜于最初航天飞机所使用的4段式RSB。基本参数如下：高度：早期公布数据109.2米，现116米直径：早期公布数据8.40米，现10米质量：早期公布数据3356.57吨，现3704.5吨载荷：早期公布数据LEO轨道130000千克，LTO轨道65000千克；现LEO轨道187700千克，LTO轨道71100千克。第一级：6台RS-68B液体发动机（RS-68B具体数据尚未公布，此处列出德尔塔-4所使用的RS-68发动机参数，战神-5的RS-68B有所提高），单台重量6600千克，单台海平面推力295吨，真空推力338吨，比冲365秒（海平面）/410秒（真空），推进剂液氢/液氧。第一级助推器：2台5.5段式RSRB固体发动机，高度55m，直径3.71m，重量794吨，推力标称1600吨级别，燃烧时间140秒，海平面比冲237秒，真空比冲269秒，推进剂APCP。第二级：1台J-2X发动机，真空推力130吨，比冲448秒，推进剂液氢/液氧，推进剂重量135吨。ATK大型分段式固体火箭发动机技术指标：推力标称1500吨级别，燃烧时间126秒，海平面比冲237秒，推进剂APCP（高氯酸铵组合推进剂），推进剂重量63532千克。技术特点：战神-1的发动机源自航天飞机的助推器SRB，与航天飞机的固体火箭助推器SRB相比，战神-1的RSRB发动机不仅更大，而且也从4段式结构改为5段式，标称推力从1400吨（310万磅）级别提高到1500吨（330万磅）级别。第一级仅用2分钟就可以把高近百米的“战神I”型火箭送达58公里高的轨道。战神-1第一级5段式可重复使用固体发动机（RSRB）战神-5第一级助推器5.5段式RSRB固体发动机技术指标：高度55m，直径3.71m，重量794吨，推力标称1600吨级别，燃烧时间140秒，海平面比冲237秒，真空比冲269秒，推进剂APCP。技术特点：战神-5的第一级助推器RSRB与战神-1的第一级发动机有所不同，乃是5.5段式可重复使用固体火箭助推器，虽然很多设计相似，但这并不意味着战神-5的助推器和战神-1的第一级可以通用。在燃烧时间和推力特性上，5.5段式RSRB较5段RSRB又有了明显提高，远胜于最初航天飞机所使用的4段式RSB。历次地面及发射实验1.2009年9月10日，美国重返月球计划的重要组成部分“战神I”运载火箭的第一级推进装置在美国犹他州首次进行全尺寸、全周期的点火测试成功。这次点火试验投入达7500万美元，持续了大约123秒，通过650套仪器设备对46个设计目标展开监控点火试验产生了大约2200万马力的动力，温度约为4500华氏度(2480摄氏度)，如此高的温度足以将钢铁熔化，将犹他州的沙子变成玻璃。首次地面点火试验视频2.2009年10月28日美国东部时间11:30，美国战神-1-X火箭在肯尼迪航天中心的39号B发射复合体首次成功升空发射。以测试其在飞行过程中的安全性和稳定性。这是美国首次对下一代运载火箭进行飞行测试。“战神Ｉ－Ｘ”火箭长约１００米，重８００多吨，安装有７００多个传感器，在当天的测试过程中，这些传感器不断向地面控制中心传输火箭飞行过程中的参数数据。战神1-X发射视频3.2010年8月31日战神火箭发动机进行低温试验，一台巨型5段式固体燃料推进器在美国犹他州普洛门特利轰然发动，产生了约360万磅（1633吨）推力阿连特技术系统（AlliantTechsystem）公司的DM-2发动机于美国东部夏令时间上午11:27点火，喷出600英尺（183米）长、5600度的火焰，消耗了130万磅（590吨）固体推进剂。与2009年在周围环境温度下发射的首台5段式推进器不同，DM-2被冷却至华氏40度（摄氏4.44度），以采集火箭在其正常的华氏40-90度（摄氏4.44-32.22度）运行范围的下限时的性能数据。约有764个测量管道就位，支持50多个试验目的。该12英尺（3.7米）宽、154英尺（46.9米）长的推进器点火持续了2分5秒，产生功率当量为2200万马力（162亿瓦），然后试验方发出指令，开始向火箭喷嘴注入大量二氧化碳以停止燃烧。4、5、5.5段式SRB/RSRB性能指标，纵轴为推力，单位百万磅，横轴为燃烧时间同类比较作为新一代火箭，战神系列无疑在各方面性能都是突出的。无论是横向与其他国家最新发展或正在研发中的新型火箭相比，还是和美国过去开发的巨型运载火箭相比，都具有一定程度的优势。与战神-1在尺寸和重量上处于接近水平的新型火箭有：美国德尔塔-4重型运载火箭，欧洲的阿里安-5，俄罗斯的安加拉-5，中国的长征-5等。阿里安-5火箭发射图，第一级发动机为采用液氢/液氧发动机美国德尔塔火箭第一级也没有采用固体发动机。战神-1德尔塔-4（重型）阿里安-5ECA长征-5战神-5土星-5国别美国美国欧洲中国美国美国首飞时间2009年2004年2005年2014年（计划）2018年（计划）1967年最大起飞重量816.5吨733.4吨780吨-3704.5吨3038.5吨最大LEO载荷25吨25.8吨21吨25吨130吨118.8吨注：LEO全称是LowEarthOrbit，近地轨道，即航天器距离地面高度较低的轨道。通常用LEO载荷来判断一款火箭的运载能力。与众不同的是，战神-1的第一级为固体发动机，而其他的四款火箭第一级均采用液氢/液氧发动机。相比较而言，RSRB的推力较大，比冲较低，需要增加推进剂量来弥补；液体发动机受到涡轮泵和燃烧室尺寸的限制，推力较低，但推进剂的比冲高。但战神-1的发动机源自航天飞机的助推器SRB，经过了时间的检验，具备很高的可靠性和成熟度，反观其他火箭，即便是较为成熟的RS-68也是在90年代才开始研发。更重要的是，RSRB具备可回收重复利用的功能，这是其他火箭发动机所无法比拟的成本优势。另外，战神-1的任务具备专一性，因而在设计中无需考虑过多的折中。战神-5同级别的火箭相对较少，目前其他各国均缺少同档次的火箭，目前只有几十年前的土星-5能够与战神-5相提并论。结语战神系列火箭的进展是美国新一轮航天工程的重要步骤。与其它各国已经服役或在研的重型火箭相比，战神系列火箭具有技术成熟、成本低廉、运载能力无与伦比的优势。战神火箭的优越性能充分体现了美国的航天实力和重返宇宙深处探索的雄心。