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Atlas V【航天科普3】

2021-06-26 23:12 作者:ASPT-航天科普小組  | 我要投稿

宇宙之神,深空之騎。近可繞明月,遠(yuǎn)可掠冥王。


全文共11216有效字符。

Atlas V的研發(fā)背景

為了滿足USAF(美國空軍,United States Air Force)的NSSL(國家安全航天發(fā)射計劃,National Security Space Launch)招標(biāo)計劃,洛克希德·馬丁公司推出了自己基于Atlas II的新產(chǎn)品——Atlas V運載火箭,而對手波音推出了Delta IV運載火箭。最后,USAF授予了波音其中的大頭,共19次發(fā)射任務(wù)(全單一共28單),而洛克希德·馬丁只獲得了9次發(fā)射任務(wù)。


歷史悠久,家族產(chǎn)業(yè)

Atlas,一款屹立在軍事和航天工業(yè)60多年的家族,至今仍發(fā)揮著炙熱的光芒。1957年,Atlas A登上世界舞臺(不考慮RTV-A-2 HiRoc),在美國軍方的ICBM(Intercontinental Ballistic Missile,洲際彈道導(dǎo)彈)領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。

Atlas 11A? 發(fā)射失敗? 卡納維拉爾角LC-12工位發(fā)射? UTC 1958.02.20?17:46? 失敗

但早期的Atlas成功率簡直不要太爆炸,以下是早期版本(ICBM)的Atlas成功率:


Atlas A【ICBM樣機】:共08次發(fā)射,成功03次,部分成功01次,完全成功率37.5%

Atlas B【ICBM樣機】:共10次發(fā)射,成功06次,部分成功01次,完全成功率60%

Atlas C【ICBM樣機】:共06次發(fā)射,成功03次,部分成功02次,完全成功率50%

Atlas D【ICBM】:共135次發(fā)射,成功103次,完全成功率76.3%

Atlas E/F【ICBM】:共65次發(fā)射,成功56次,完全成功率86.4%

Atlas G【ICBM】:共7次發(fā)射,成功5次,完全成功率71.4%

……


這里就不再一一列舉了,若大家感興趣可以另開關(guān)于早期Atlas的專欄。

延續(xù)ICBM血統(tǒng),Atlas相繼推出了Able(艾布爾)、Agena(阿金納)、Centaur(半人馬)上面級的多級版Atlas運載火箭,其中Able版本最先被淘汰(1960年),然后是Agena(1978年),最后才是Centaur版本(2004年),隨后的1991年,Atlas迎來了一次重大更新——Atlas II,但最大的換血是在2000年……

Atlas II - USA-138(UHF F8)? 成功

2000年,一枚經(jīng)過“大換血”的運載火箭升空,它為Atlas V的各個方面奠定了基礎(chǔ),沒錯,就是Atlas III。它的一級更換為了俄羅斯產(chǎn)的RD-180火箭發(fā)動機,而二級使用了大名鼎鼎的RL10A系列發(fā)動機。

Atlas III首飛??成功

2005年,所有的Atlas III停飛,將家族的舞臺交給了Atlas V……


首次發(fā)射

UTC? 2002.08.21? 22:05,Atlas V成功起飛,在順利完成首飛的同時,它也成為了為數(shù)不多的,首飛出現(xiàn)問題和不足極少的運載火箭。

Atlas V 401成功發(fā)射,將3.9t的Hot BiRD 6送入315*45863km 17.82°的HPGTO軌道【ULA稱SSTO(超地球同步轉(zhuǎn)移軌道)為HPGTO,兩者僅稱呼有差別,但表意是相同的,本文均將SSTO稱之為HPGTO】

命名規(guī)則

宇宙神五的命名規(guī)則為Atlas V XXX。

第一個X:【可選N45】代表整流罩的直徑,N(No)代表無整流罩,用于Starliner載人飛船的發(fā)射任務(wù),4代表4.2m直徑的Atlas V整流罩,5代表5.4m直徑的Atlas整流罩。

第二個X:【可選0-5間的任意整數(shù)】代表助推的數(shù)量。

第三個X:【可選12】代表二級RL10C-1(-1)發(fā)動機的數(shù)量,1代表的是Centaur SEC,2代表的是Centaur DEC。


Atlas V 401

【Slick Atlas-靈巧宇宙神 4.2m整流罩版】

Atlas V 401 Slick Atlas-靈巧宇宙神 4m整流罩版? NROL-33 Mission? SLC-41

小型低能量的深空探測器最愛,也是發(fā)射價最便宜的一款A(yù)tlas V。也是Atlas V家族中發(fā)射次數(shù)最多,唯一出現(xiàn)部分失?。ㄒ淮危?/span>的Atlas V的子版本運載火箭。Atlas V 401發(fā)射過眾多探測器,其中就有LRO/LCROSS(Lunar Reconnaissance Orbiter,月球偵查軌道器/Lunar Crater Observation and Sensing Satellite,月球坑觀測和遙感衛(wèi)星)、MROMars Reconnaissance Orbiter,火星偵查軌道器)等一票著名的“深空使者”。

Lunar Reconnaissance Orbiter,月球偵查軌道器,2009年開始科學(xué)研究,至今任務(wù)仍在繼續(xù),并拍下眾多月球著陸器的著陸點影像
Lunar Crater Observation and Sensing Satellite/Centaur SEC,月球坑觀測和遙感衛(wèi)星/半人馬單引擎版組合體,2009年10月9日任務(wù)結(jié)束
Mars Reconnaissance Orbiter,火星偵查軌道器

由于Atlas V 401使用了較小的4.2m直徑整流罩,所以它并不是Atlas V家族中運力最小的,Atlas V家族中運力最小的是Atlas V 501,這個我們過會再討論。

Atlas V 401基本數(shù)據(jù)如下:【4.2m?diameter short Fairing】

箭長:57.3m

空載起飛重量:333.32t

LEO【200km,28.7°】運力:9.8t

GTO【185*35786km,27°】運力:4.75t

GEO【35786km,0°】運力:N/A

TLI【C3: -2km2/sec2】運力:3.16t


Atlas V 501

【Slick Atlas-靈巧宇宙神?5.4m整流罩版】

Atlas V 501 Slick Atlas-靈巧宇宙神 5m整流罩版? USSF-7 Mission? SLC-41

有些載荷體積大,質(zhì)量卻不大。例如X-37B,雖然最大質(zhì)量只有4.99t,但需要Atlas V的5.4m直徑整流罩才能滿足相對較大的整流罩包絡(luò)需求。雖然整流罩空間變大了,但較大的整流罩和迎風(fēng)面帶來的就是運力的下降,使其成為了Atlas V家族中運力最小的一個子構(gòu)型。

Atlas V 501基本數(shù)據(jù)如下:【5.4m diameter short Fairing】

箭長:59.7m

空載起飛重量:337.29t

LEO【200km,28.7°】運力:8.21t

GTO【185*35786km,27°】運力:3.78t

GEO【35786km,0°】運力:N/A

TLI【C3: -2km2/sec2】運力:2.21t



WARNING? 強迫癥謹(jǐn)慎繼續(xù)閱讀


Atlas V 411

【Slider-滑行者?4.2m整流罩版】

Atlas V 411 Slider-滑行者 4.2m整流罩版? Solar Orbiter Mission? SLC-41

無助推的Atlas V有著一個致命的缺點——起飛推重比過低。一個空載的Atlas V 401全重333.32t,而RD-180可以提供的起飛推力為390.2t,其空載起飛推重比也只有1.17,較低的推重比就代表著需要消耗更多的時間來入軌,需要更多的能量來克服重力,也就是我們常說的——重力損耗較大,而重力損耗直接影響著運載火箭的運載能力。通過比較可以看出,雖然起飛質(zhì)量只增加了40.8t,但Atlas V 401的LEO(200km 28.7°)運載比從2.40%增加到了Atlas V 411的3.11%(Atlas V 501的200km 28.7° LEO運載比從2.38%增加到了Atlas V 511的2.90%)

這種情況在ULA生產(chǎn)的火箭似乎有“遺傳”的現(xiàn)象——Vulcan No?SRB和Vulcan 2 SRBs之間也明顯存在著這個問題。Vulcan No?SRB甚至需要減少一級推進(jìn)劑的加注量來維持一定推重比的起飛,如果大家對Vulcan有興趣我們可以另開專欄介紹。

Atlas V 411基本數(shù)據(jù)如下:【4.2m?diameter short Fairing】

箭長:57.3m

空載起飛重量:374.12t

LEO【200km,28.7°】運力:12.03t

GTO【185*35786km,27°】運力:5.95t

GEO【35786km,0°】運力:1.935t

TLI【C3: -2km2/sec2】運力:4.09t


Atlas V 511

【Slider-滑行者 5.4m整流罩版】

此型號暫未進(jìn)行過飛行,因為處在此運力段的載荷實在是太少了,但好消息是,在2021年的USSF-8任務(wù),我們就可以看到這一構(gòu)型的首飛,目前該飛行任務(wù)的所有運載火箭模塊均已進(jìn)場。

正在運輸?shù)腁tlas V的一級和二級,兩者將會用于USSF-8 Mission

Atlas V 511基本數(shù)據(jù)如下:【5.4m?diameter short Fairing】

箭長:59.7m

空載起飛重量:378.09t

LEO【200km,28.7°】運力:11t

GTO【185*35786km,27°】運力:5.25t

GEO【35786km,0°】運力:N/A

TLI【C3: -2km2/sec2】運力:3.4t


Atlas V 421

【Sprinter-短跑者?4.2m整流罩版】

Atlas V 421 Sprinter-短跑者 4.2m整流罩版? MMS Mission? SLC-41

Atlas V 421是一款從未打過低軌道的運載火箭。Atlas V 421共發(fā)射過七次,其中有兩次是HPGTO,一次是HEO(Highly elliptical orbit,高橢圓軌道),四次是GTO。且由于較大的運力,4.2m短板整流罩已經(jīng)不太足夠使用,所以這些任務(wù)中有相當(dāng)一部分使用了中版整流罩。

Atlas V 421基本數(shù)據(jù)如下:【4.2m?diameter Medium Fairing】

箭長:58.2m

空載起飛重量:414.92t

LEO【200km,28.7°】運力:13.6t

GTO【185*35786km,27°】運力:6.89t

GEO【35786km,0°】運力:2.48t

TLI【C3: -2km2/sec2】運力:4.83t


Atlas V 521

【Sprinter-短跑者 5.4m整流罩版】

Atlas V 521 Sprinter-短跑者 5.4m整流罩版? Rainbow-1 Mission? SLC-41

Atlas V 521截止目前只發(fā)射過兩次,且均為商業(yè)訂單(Rainbow-1和AMC-16)

Atlas V 521基本數(shù)據(jù)如下:【5.4m?diameter short Fairing】

箭長:59.7m

空載起飛重量:429.81t

LEO【200km,28.7°】運力:13.5t

GTO【185*35786km,27°】運力:6.48t

GEO【35786km,0°】運力:2.54t

TLI【C3: -2km2/sec2】運力:4.36t


Atlas V N22

Atlas V N22? OFT-1 Mission? SLC-41

作為Starliner的專屬座駕,Atlas V N22不會執(zhí)行其他任何常規(guī)任務(wù)。Atlas V N22由Atlas V 421衍生而來,二級在原有的基礎(chǔ)上增加了一臺發(fā)動機,二級也隨即演變成了Centaur DEC。二級雙引擎的加持,使Centaur有了足夠的推力讓Starliner進(jìn)入軌道。

但在Starliner的2019年12月的OFT-1任務(wù)失敗了,其原因發(fā)生在飛船而不是火箭,ULA方面表示:火箭沒有任何的問題并完成了自己的使命。

Atlas V N22數(shù)據(jù):LEO【407km,51.8°】運力:13.25t


Atlas V 431

【Thunderer-短跑者?4.2m整流罩版】

Atlas V 431 Thunderer-短跑者 4.2m整流罩版? EchoStar XIX Mission? SLC-41?

最!雞!肋!沒錯,Atlas V 431是Atlas V家族中最為雞肋的構(gòu)型。運力其實真不小,入軌精度差不了,不好用就沒得跑。15多噸的LEO運載能力、7噸多的GTO運載能力十分強悍,但是4.2m直徑的整流罩基本束縛“死”了這枚運載火箭,即使是使用了加長版的4.2m整流罩也無濟于事,可以想象一下誰會用個4.2m直徑的整流罩去打大型GEO通訊衛(wèi)星……運力大罩子小的問題十分突出,隔壁家的獵鷹九號就是個“典范”。

那這種火箭可以打大大小小的深空探測器吧?哎巧了,它就是沒打過探測器,只執(zhí)行過3次HPGTO任務(wù)……

Atlas V 421基本數(shù)據(jù)如下:【4.2m?diameter?Long?Fairing】

箭長:59.1m

空載起飛重量:461.18t

LEO【200km,28.7°】運力:15.26t

GTO【185*35786km,27°】運力:7.7t

GEO【35786km,0°】運力:2.82t

TLI【C3: -2km2/sec2】運力:5.43t


Atlas V 531

【Thunderer-短跑者 5.4m整流罩版】

Atlas V 531 Thunderer-短跑者 5.4m整流罩版? NROL-101 Mission? SLC-41

Atlas V 531構(gòu)型共發(fā)射過4次,除最近的一次Atlas V 531-GEM-63? NROL-101任務(wù)外,其他三次都是美國AEHF軍用通訊衛(wèi)星的發(fā)射。與Atlas V 431相比,Atlas V 531最大的優(yōu)勢就是大罩子,大整流罩對于載荷來講實在是太香了,也便不擁擠在狹窄的小罩子內(nèi)。

Atlas V 531基本數(shù)據(jù)如下:【5.4m?diameter short Fairing】

箭長:59.7m

空載起飛重量:476.07t

LEO【200km,28.7°】運力:15.53t

GTO【185*35786km,27°】運力:7.45t

GEO【35786km,0°】運力:3.08t

TLI【C3: -2km2/sec2】運力:5.12t


Atlas V 541

【Beast-野獸】

Atlas V 541 Beast-野獸? MARS-2020 Mission? SLC-41

Atlas V 541基本數(shù)據(jù)如下:【5.4m?diameter short Fairing】

箭長:59.7m

空載起飛重量:522.33t

LEO【200km,28.7°】運力:17.41t

GTO【185*35786km,27°】運力:8.29t

GEO【35786km,0°】運力:3.53t

TLI【C3: -2km2/sec2】運力:5.8t


Atlas V 551

【Bruiser-拳擊手】

Atlas V 551 Bruiser-拳擊手? AEHF-6 Mission? SLC-41

作為Atlas V家族的“老大哥”,擁有家族中最強的性能和最足的整流罩空間。它送過兩個著名的高能量需求探測器,New Horizons(新視野號,額外加裝Star 48B發(fā)射)和Juno(朱諾號)。

New Horizons,新視野號飛掠渲染圖
Juno,朱諾號環(huán)繞渲染圖

Atlas V 551基本數(shù)據(jù)如下:【5.4m?diameter short Fairing】

箭長:59.7m

空載起飛重量:568.59t

LEO【200km,28.7°】運力:18.85t

GTO【185*35786km,27°】運力:8.9t

GEO【35786km,0°】運力:3.85t

TLI【C3: -2km2/sec2】運力:6.33t


美國箭上的毛子發(fā)動機

既然大家都說“發(fā)動機是火箭的心臟”,那么這款美國運載火箭的一級的的確確是“毛子心”。

Atlas V 501? USSF-7 Mission? 圖為RD180工作時的狀態(tài)

起初,Atlas家族使用的并不是RD-180發(fā)動機,而是正宗美國產(chǎn)的MA推進(jìn)系統(tǒng)家族。除MA-0外,其他所有MA推進(jìn)系統(tǒng)都采用了“半空分離”的操作(因為MA-0沒有中間那一臺的發(fā)動機)。

MA家族的使用圖
MA-0推進(jìn)系統(tǒng)
MA-1推進(jìn)系統(tǒng)
MA-2推進(jìn)系統(tǒng)
MA-3推進(jìn)系統(tǒng)
MA-5推進(jìn)系統(tǒng)

到了Atlas II,MA推進(jìn)系統(tǒng)家族時日不多,到了Atlas III,MA家族退出了Atlas的舞臺,而是另一位“強悍”的外國機——RD-180。

1998年11月4日,NASA在馬歇爾航天飛行中心(MSFC)成功地測試了RD-180

RD-180是一款由RD-171改裝而來的大推力液氧煤油發(fā)動機(簡單講可以看做砍掉一半)。采用富氧分級燃燒循環(huán),單渦輪泵雙燃燒室設(shè)計。兩噴管均可泵后雙擺,從而提供強大的方向控制能力。

RD-180的主要結(jié)構(gòu)簡化圖

RD-180曾被稱為“一代神機”,RD-170/171推力太大太暴力,而RD-180恰到好處,高室壓、高節(jié)流能力即使放到現(xiàn)在也十分優(yōu)秀,這給Atlas III極大的優(yōu)勢,但由于Atlas III相對比較輕,所以RD-180在起飛時就要執(zhí)行節(jié)流的操作。

RD-180數(shù)據(jù)如下:

推力(sl):390t【3.83MN】

推力(vac):423t【4.15MN】

最大推力推重比:78.44

比沖(sl):311s【3.05km/s】

比沖(vac):338s【3.31km/s】

單機質(zhì)量:5480kg

Atlas V常規(guī)任務(wù)中的燃燒時間:~270s

最小節(jié)流:47%

燃燒室壓力:267bar【26.7MPa】

燃燒室個數(shù):2

混合比:2.72【73%氧化劑,27%燃料


但RD-180對于Atlas V就較為合適了。相較于Atlas III,Atlas V有著更大的體量,更適合RD-180這種大推力發(fā)動機。有著RD-180優(yōu)秀的TVC(Thrust Vector Control,推力矢量控制)系統(tǒng),AJ-60A和GEM-63固體助推器不需要加裝TVC,節(jié)省了制造的步驟。

"The motor nozzle is fixed at a 3-degree cant but it can be upgraded with a flexseal TVC for steering."? ? ? ? ??——Aerojet Rocketdyne 2013(現(xiàn)屬Lockheed Martin)

“AJ-60A固體助推器的噴管固定為朝向簡體外側(cè)3度,但AJ-60A也可升級加裝柔性噴管TVC用于矢量操作?!?/span>

也就是說,AJ-60A給ULA的貨是沒有TVC的,但是洛克達(dá)因表示AJ-60A可以加裝柔性噴管TVC用于矢量操作,洛克達(dá)因還表示,如果可能的話,AJ-60A還可以用于其他運載火箭或者導(dǎo)彈上。

RD-180是工作時間較長的液氧煤油發(fā)動機之一。在Atlas V的飛行中,RD-180一般要工作~270s,也就是4分30秒,這要比梅林(Starlink發(fā)射一級的梅林工作時間約為157s)、RD-170(能源號發(fā)射約為150s)等發(fā)動機的工作時間長的多,RD-180的工作時間甚至接近它們的2倍,由此使“狗腿機動”能力大大加強。這也使原本只有1s的窗口提升到30分鐘(ULA宣傳)

由于擁有非常強的狗腿機動能力,所以O(shè)A-4(Orbital ATK CRS-4/Cygnus CRS OA-4)窗口期可以延長至30min

但RD-180也從之前美國的“寶貝疙瘩”到了扔也不合適,留也不合適的地步。RD-180的對美報價也水漲船高,飆至最近的2300w美元,性價比在美國已經(jīng)說“拜拜”了。但由于Starliner沒有做好與Vulcan之間的適配,所以很難在規(guī)劃的時間表內(nèi),在Atlas V計劃退役的時間內(nèi)讓Vulcan成功發(fā)射Starliner,這也代表著Atlas V不得不進(jìn)行延壽。

你多久后才能飛起來……

根據(jù)現(xiàn)有的計劃,Atlas V甚至最晚要到約2028年才能退役,但這可能代表著現(xiàn)有的RD-180庫存可能不足,需要再向俄羅斯的NPO Energomash進(jìn)行購買(此前共購買了101個RD-180發(fā)動機),但此時不與往日相同,之前1000w美元一臺的RD-180現(xiàn)在的身價已經(jīng)到了至少2300w美元一臺。


古銅色美學(xué)——Atlas Booster

作者注:由于在Wikipedia及其附屬材料和ULA Atlas V PDF中分別拿到了兩種不同的對Atlas V一級的稱呼:CCB(Common Core Booster,通用助推核心,出自Wikipedia及附屬材料)和AB(Atlas Booster,宇宙神推進(jìn)級,出自ULA Atlas V PDF),為了統(tǒng)一稱呼和方便理解,本文章采用出自ULA官方的說法,使用Atlas Booster這個稱呼,若其它文章使用CCB等稱呼也勿見怪。

其實Atlas Booster并不是一開始就是古銅色“皮膚”,放的時間越久,古銅色就格外明顯。在這個圖片中也可以看到,在工廠內(nèi)的Atlas Booster沒有送到卡納維拉爾的Atlas Booster的顏色那么深。

在ULA工廠內(nèi)已經(jīng)放了一段時間的Atlas Booster

與5.4m的大整流罩相比,Atlas Booster確實看起來很小,但事實上,它要比Falcon 9的一級還要粗,其直徑達(dá)到了3.81m(Falcon 9一級為3.66m)。

Atlas V 541? MARS-2020 Mission? Atlas Booster進(jìn)場

Atlas Booster絕大多數(shù)構(gòu)件由鋁合金制造而成,且得益于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,所以你僅需16個主構(gòu)件就可以組裝一個Atlas Booster?(相比之下,Atlas?2AS采用了100多個主構(gòu)件)。

Atlas Booster主要包括推進(jìn)劑貯箱、后過渡結(jié)構(gòu)和發(fā)動機熱防護(hù)罩。 推進(jìn)劑貯箱包括液氧箱和煤油箱。兩箱體結(jié)構(gòu)均由鋁制柵格板制成。箱間段同樣由鋁制柵格板制成。

Atlas Booster的鋁制柵格板,圖為鋁制柵格板內(nèi)部的Isogrid(等柵格)結(jié)構(gòu)

Atlas Booster采用經(jīng)典的上液氧下煤油的設(shè)計,將煤油儲箱放在下,液氧儲箱放在上。兩者通過中間的箱間段相連。液氧輸送管道從級間段探出并沿儲箱外壁鋪設(shè),而電子設(shè)備艙沿用了Atlas歷來的傳統(tǒng)設(shè)計,采用側(cè)帖式結(jié)構(gòu),電子管線與之同位,發(fā)動機艙也有相應(yīng)的開口供人員進(jìn)入檢修/維護(hù)。

圖為NROL-101 Mission使用的Atlas Booster,Booster下端的左側(cè)是電子設(shè)備艙(較為扁粗的),電子設(shè)備艙上側(cè)是電子管線,而右側(cè)是液氧輸送管線,白色發(fā)動機艙的金屬色結(jié)構(gòu)就是供人員進(jìn)出檢修/維護(hù)的開口

由于發(fā)動機艙、液氧管路、電子設(shè)備艙等部件的種種限制,最后Atlas Booster成了一個這樣的剖面……

Atlas Booster底部刨面圖

但問題又來了,怎樣在不破壞基本設(shè)計的情況下綁更多的助推?由于發(fā)動機艙形狀、發(fā)射臺支撐點、液氧管路、電子設(shè)備艙等條件的限制,Atlas原理上只能捆綁4枚對稱式的固體助推器,但為了發(fā)揮最大的性能但又在RD-180的矢量控制范圍內(nèi),所以Atlas V最終選擇了最多加裝5枚固體助推器的方案。

5枚固推全齊時的Atlas Booster,紅圈部分要加裝與發(fā)射臺的連接點,加之發(fā)動機艙形狀的限制,所以不能放置固推

而Atlas Booster為了滿足極致的通用化和“快速更換載荷”的特殊需求,中后期的Atlas V全部使用全配件Atlas Booster,也就是說,即使是Atlas V無助推版本,也會帶有5個鏈接固推助推器的連接點,以供隨時“變身”為其他構(gòu)型進(jìn)行發(fā)射或者直接換上載荷“發(fā)車”。

快速更換載荷,意思就是說原來計劃發(fā)射A載荷的火箭可能由于載荷的一些問題發(fā)射不了,讓這枚造好的火箭換上B載荷發(fā)射。NSSL Phase 2的合同要求把這時間壓縮在12個月內(nèi),而Atlas V可以做到6個月,這是美國現(xiàn)有的最快紀(jì)錄。

Atlas V 501? USSF-7 Mission,可見即使是無助推的Atlas V,也會配備5個助推器連接點。

AJ-60A固體助推器

帶助推Atlas V配備了由Aerojet Rocketdyne生產(chǎn)的固體火箭助推器——AJ-60A。一般來講,AJ-60A會在起飛后~94s燃燒完畢,但由于要考慮分離安全問題,所以AJ-60A要在燃燒完畢后10s左右才會分離,并且鼻錐部從常見的正圓錐形改為了內(nèi)傾形。

圖片右側(cè)就是AJ-60A固體火箭助推器

AJ-60A包括碳纖維外殼和碳酚醛噴管,采用高性能的端羥基聚丁二烯作為推進(jìn)劑。噴管固定且斜3°安裝 ,并采用整體式設(shè)計,錐形噴管也大大簡化了噴管的加工步驟。

AJ-60A的數(shù)據(jù)如下:

點火方式:地面點火

長度:17m(不算鼻錐)

直徑:1.58m

干重:5.74t

總重:46.697t

起飛推力:172.1t

真空比沖:279s

噴管傾斜角度:3°

燃燒時間:94s

出貨價格:~1000w$/條*


GEM-63固體助推器

NROL-101 Mission首次使用了由Northrop Grumman生產(chǎn)的GEM-63固體助推器

GEM-63固體助推器是Northrop Grumman(前Orbit ATK)研發(fā)生產(chǎn)的新一代固體助推器之一。GEM-63是一種低成本、先進(jìn)的捆綁式助推器。它利用現(xiàn)有的通用設(shè)計和材料,它集成了GEM系列、Orion系列和Castor的工藝,使其性能與性價比較為優(yōu)秀。它設(shè)計的目標(biāo)是作為中型到大型運載火箭的捆綁式助推器。該發(fā)動機已投入生產(chǎn),并于2020年11月在ULA的Atlas V上進(jìn)行了首飛驗證,測試結(jié)果十分成功。AJ-60A與GEM-63在外觀上并沒有很明顯的區(qū)別,如果要分辨兩者,只能通過尾端是直角(GEM-63)還是圓角(AJ-60A)來分辨了,而據(jù)預(yù)測,后期的Atlas V將逐漸換裝GEM-63而逐漸替換掉AJ-60A。

圖為第二批量產(chǎn)型GEM-63

相比于Aerojet Rocketdyne的AJ-60A固體助推器,GEM-63固體助推器雖然在單個性能上不敵AJ-60A,但是兩者提供的總沖量是一致的,也就是說換用GEM-63固體助推器的Atlas V并不會有性能上的下降,但GEM-63的報價遠(yuǎn)低于AJ-60A,你可以用買一條AJ-60A的錢來買兩條GEM-63。

GEM-63的數(shù)據(jù)如下:

點火方式:地面點火

長度:20.12m

直徑:1.61m

噴嘴出口直徑:1.49m

干重:4.81t

總重:49.34t

最大推力:168.21t

燃燒時平均推力:125.91t

真空比沖:279s

噴管傾斜角度:3°

燃燒時間:97.6s

出貨價格:~500w$/條*


深空“王者”——Common Centaur/Centaur III

注:Common Centaur有兩個衍生版本:Centaur III SEC(Single Engine Centaur,單引擎半人馬座上面級)和Centaur III DEC(Dual Engine Centaur,雙引擎半人馬上面級),SEC和DEC都屬于Common Centaur上面級,現(xiàn)在ULA官方將其統(tǒng)稱為Centaur III。

半人馬上面級,讓航天愛好者為之震驚、贊嘆和嫉妒的氫氧神教巔峰之作。但Common Centaur的大家族在1962年就開始了……

一個Centaur 6A被放入SPC 1測試臺,在模擬的太空環(huán)境中測試其RCS、液壓、氣動和電氣系統(tǒng)(1964年3月19日,NASA攝)。

由于Centaur是一個非常大的家族,這里就不再介紹其他版本的Centaur上面級,只介紹Atlas V使用的——Centaur III。

Centaur III內(nèi)含兩個子版本——Centaur III SEC與Centaur?III DEC,其中SEC和DEC版本還有兩個子版本——4m版本與5m版本,相關(guān)圖片如下(其中只有5m Centaur?III DEC沒有使用過)

4m Centaur?III SEC,F(xiàn)rom SBIRS GEO Flight 5 Mission
5m Centaur?III SEC,F(xiàn)rom NROL-101 Mission
4m Centaur III DEC,F(xiàn)rom OFT-1 Mission

4m Centaur III SEC基本數(shù)據(jù)如下:

長度:12.68m

直徑:3.05m

干質(zhì)量:2243kg

推進(jìn)劑質(zhì)量:20.83t

制導(dǎo)方式:慣性制導(dǎo)

儲箱結(jié)構(gòu):上凸雙壁真空隔熱共底式氣球不銹鋼儲箱

真空最大推力:99.2kN

姿態(tài)控制:四個27N聯(lián)氨RCS,八個40N聯(lián)氨RCS

4m?Centaur III?DEC基本數(shù)據(jù)如下:

長度:12.68m

直徑:3.05m

干質(zhì)量:2458kg

推進(jìn)劑質(zhì)量:20.83t

制導(dǎo)方式:慣性制導(dǎo)

儲箱結(jié)構(gòu):上凸雙壁真空隔熱共底式氣球不銹鋼儲箱

真空最大推力:198.4kN

姿態(tài)控制:四個27N聯(lián)氨RCS,八個40N聯(lián)氨RCS

5m?Centaur?III?SEC基本數(shù)據(jù)如下:

長度:12.68m

直徑:3.05m

干質(zhì)量:2247kg

推進(jìn)劑質(zhì)量:20.83t

制導(dǎo)方式:慣性制導(dǎo)

儲箱結(jié)構(gòu):上凸雙壁真空隔熱共底式氣球不銹鋼儲箱

真空最大推力:99.2kN

姿態(tài)控制:四個27N聯(lián)氨RCS,八個40N聯(lián)氨RCS

5m?Centaur?III?DEC基本數(shù)據(jù)如下(截至發(fā)稿未使用):

長度:12.68m

直徑:3.05m

干質(zhì)量:2462kg

推進(jìn)劑質(zhì)量:20.83t

制導(dǎo)方式:慣性制導(dǎo)

儲箱結(jié)構(gòu):上凸雙壁真空隔熱共底式氣球不鋼儲箱

真空最大推力:198.4kN

姿態(tài)控制:四個27N聯(lián)氨RCS,八個40N聯(lián)氨RCS

Atlas V SOD Mission 使用的就是4m Centaur III SEC上面級


超薄不銹鋼和超高比沖的氫氧發(fā)動機帶給了Centaur III超高的深空性能,可以說是現(xiàn)役運載火箭中最優(yōu)秀的氫氧中大型上面級了。要續(xù)航有續(xù)航,直送GEO都可以;要深空有深空,極低干質(zhì)量和極高比沖;要精度有精度,它也是美國現(xiàn)役最精準(zhǔn)的中大型上面級。

Centaur III與火神的Centaur V的比較圖
一次又一次的打靶,一次又一次的十環(huán)

但它并不是完全沒有缺點,比如雖然引擎推力較小從而使載荷更加“舒服”,但是這也意味著重力損耗較大,損失了一部分近地軌道運力,不過沒有關(guān)系,誰會閑的沒事干天天用Atlas V來打近地軌道載荷呢,你說是不,軌道ATK?

Atlas V OA-6 Mission,用天價價格來打國際空間站補給任務(wù),你軌道ATK干不下去了都在意料之中

未來何去何從?

自從火神運載火箭氣勢昂揚地走進(jìn)人們的視野,宇宙神的退役話題又再次上了熱點。大家都想著火神能以更優(yōu)異的性能和更低的價格,來“推翻”宇宙神家族半個世紀(jì)的“統(tǒng)治”,但事情似乎變得沒那么簡單。

火神首飛想象圖

有消息聲稱,星際客機載人飛船根本就沒有做好和火神運載火箭的適配工作,也就是說,宇宙神要一直服役,直到星際客機做好和火神運載火箭的適配,這一項工作最晚可能要到2028年,也就是說,宇宙神可能到2028年都不會退役,替火神干活。

耗子尾汁

又因火神無法趕上預(yù)期進(jìn)度,USSF授予火神的兩個任務(wù)之一——USSF-51也交給了宇宙神來打

廉頗老矣,起飛吧,向往深空的戰(zhàn)士——Atlas V!

【全文完】


本文素材來源:

【1】https://en.wikipedia.org/wiki/Atlas_(Rocket_family)

【2】https://en.wikipedia.org/wiki/Atlas_II

【3】https://en.wikipedia.org/wiki/Centaur_(Rocket_stage)

【4】https://en.wikipedia.org/wiki/Eutelsat_8_West_C

【5】https://www.flickr.com/photos/ulalaunch

【6】https://en.wikipedia.org/wiki/Mars_Reconnaissance_Orbiter

【7】https://en.wikipedia.org/wiki/Lunar_Precursor_Robotic_Program

【8】http://www.spacelaunchreport.com/atlas5.html#components

【9】Atlas V用戶手冊

【10】https://en.wikipedia.org/wiki/New_Horizons

【11】https://spaceflightnow.com/2016/06/23/juno-right-on-target-for-july-4-rendezvous-with-jupiter

【12】http://www.b14643.de/SpaceRockets/Specials/Atlas_MA-drive-system/index.htm

【13】https://en.wikipedia.org/wiki/RD-180

【14】《世界航天運載器大全 2007版》

【15】https://www.bilibili.com/video/BV1AE411t7vS

【16】atlas-v-and-delta-iv-technical-summary PDF

【17】https://spaceflight101.com/spaceRockets/atlas-v-421

【18】GEM-Motor-Series

【19】https://twitter.com/torybruno/status/1361354715674607623

【20】Centaur Upper Stage Family (alternatewars.com)

【21】https://www.flickr.com/photos/ulalaunch/50675037063

【22】https://www.flickr.com/photos/ulalaunch/50219312327



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