(3)引爆裝置:無論是連接解鎖裝置還是分離衝量裝置,大都采用火工裝置,即采用電爆管之類的火工品來引爆,這就是引爆裝置。
8.動力係統
動力係統是為火箭飛行提供動力和姿態控製力的係統。換句話說,火箭能夠克服地球引力和飛行時的大氣阻力把火箭送入太空,完全依靠動力係統提供的能量來實現的,同時在飛行過程中不斷對火箭的姿態進行調整所需要的力也是由動力係統提供的。
根據使用的推進劑來劃分,動力係統可以分為固體、液體和固液混合型三類。使用固體推進劑的動力係統就是我們常說的的固體火箭發動機。它的結構比較簡單,主要由燃燒室(包括推進劑)、噴管、安全點火裝置和推力終止機構等部分組成;采用液態推進劑的動力係統由發動機係統和增壓係統組成;固液混合型動力係統則介於上述二者之間。下麵我們再介紹一下使用液態推進劑的動力係統。
(1)發動機係統
發動機係統根據其功能,可分為助推發動機和姿控發動機兩大類。
為火箭提供推動力的發動機就是助推發動機,又稱主發動機。這種發動機的推力一般都比較大,一台小的發動機推力也有十餘噸,大的推力能達到幾百噸,比如“土星Ⅴ”火箭一級發動機的單台推力就達到七百多噸。助推發動機由主係統、副係統和啟動係統組成。主係統包括燃燒室(又稱推力室)、噴管等,副係統包括渦輪泵組和活門自動器等。啟動係統包括啟動器(火藥啟動,電、氣啟動)和啟動活門等。
按其工作高度劃分,助推發動機可分為低空發動機和高空發動機。火箭的第一級采用低空發動機,第二級和第三級多用高空發動機。
按其啟動方式,可分為一次性啟動和多次啟動型發動機。有些發動機是固定的,隻能提供軸向推力;有些發動機是可以擺動的,除了提供軸向動力之外,還可以通過它的擺動提供與火箭縱軸垂直的姿態控製力。
凡是為調整火箭姿態提供動力,為精確修正末級關機點速度提供衝量和在真空滑行段為推進劑管理提供能量的發動機,統稱為姿控發動機。在前麵我們已經提到,當助推發動機工作時,可以通過它的搖擺提供姿態控製動力。但是對於上麵采用二次啟動的發動機來說,當第一次發動機已關閉,而第二次發動機還沒有啟動時,在這一間隔時間內,火箭處於滑行階段,換言之,火箭是在沒有動力助推的情況下依靠慣性來飛行的。這時,主發動機無法再提供控製力了,可是火箭不能無控製的“自由”飛行,因此需要專用的姿控發動機提供控製動力,以保證火箭穩定的按預定軌道飛行。
為了保證航天器的入軌精確度,必須嚴格控製末級火箭關機點的速度。但是助推發動機的推力一般都比較大,當大推力發動機突然關閉時,關機的後效衝量偏差勢必會引起控製關機點的速度偏差,因此,為了修正這一偏差,當助推發動機關閉後,改用小推力的姿控發動機逐漸進行修正,當速度達到精確要求之後,接著關閉姿控發動機,這樣就可以保證航天器的入軌精度。
在前麵我們已經講過,當火箭在高空滑行段飛行時是無動力慣性飛行,箭上設備處於失重或微重力狀態,這時候貯箱內的液體推進劑因失重而漂浮不定,而且極易與貯箱中的增壓氣體混合在一起,如果這時再次啟動發動機,推進劑就不能按要求進入發動機燃燒室進行燃燒,當然發動機也就不能正常工作。不過,這是絕對不允許的。為此,在滑行段無動力慣性飛行時,用姿控發動機產生一定的軸向推力來消除其失重環境,使液體始終沉於貯箱底部,從而保證助推發動機再次啟動時能正常工作。
由於其工作性質,姿控發動機具有以下特點:推力小,一般幾十牛頓至幾百牛頓;可多次啟動;可在失重狀態下啟動工作;啟動和關閉多為電磁閥控製;推進劑貯箱為特製貯箱,如囊式貯箱或表麵張力式貯箱等。
姿控發動機一般由貯箱、推力室、電磁閥、增壓係統和管路活門等組成。
(2)增壓係統
為了保證發動機的渦輪泵組正常工作,輸送到渦輪泵入口的推進劑必須有一定的壓力,然而僅僅依靠推進劑流動的自重壓力是遠遠不夠的。正由於此,特意在火箭上設計了一套增壓係統,在火箭起飛前就要給推進劑貯箱充氣增壓,在火箭飛行過程中還要持續不斷地增壓,以保證渦輪泵組能持續的正常工作。
增壓係統的增壓方式一般有:氣體增壓、自生增壓、化學增壓等。
氣體增壓就是用自身攜帶的高壓氣體,通過限流、減壓給貯箱增壓;自生增壓就是用少量的推進劑通過換熱器使之蒸發成氣體後,引入到貯箱中給貯箱增壓,或者利用渦輪泵組工作產生的廢氣經冷卻後,引入貯箱給貯箱增壓;化學增壓就是指當火箭采用自燃推進劑(指氧化劑和燃燒劑一接觸就自行燃燒)時,把少量的一種推進劑引入另一種推進劑貯箱內,通過自燃產生氣體,達到給貯箱增壓的目的。
以上三種增壓方式,第一種技術使用起來最簡單,但需要自帶大量氣體和貯氣瓶,從而增大火箭的結構質量;第二種與使用的推進劑有關,不需要大量的氣體和貯氣瓶,結構質量較輕,目前在大型運載火箭上使用的比較多;從理論上講第三種結構質量最輕,但要求的技術比較複雜,而且安全性不容易保證,為此,目前在大型火箭上應用的仍然比較少。
(3)控製係統
用來控製運載火箭沿預定的軌道正常飛行的箭體設備。具體地講,其功能是:通過控製係統中的慣性測量裝置、計算機、執行機構、時序裝置和供配電係統以及飛行軟件等來測算運載火箭飛行中的運動狀態參數,根據測算出的、確定的飛行狀態參數發出製導信號,來控製火箭沿預定軌道飛行;在飛行過程中根據飛行狀態和預定的飛行程序控製要求,發出控製信號並對火箭姿態進行控製;根據預定的時間程序發出時序指令,然後將指令傳輸給執行機構,通過此種方式控製火箭。
控製係統按其製導體製,可分為自主式製導和複合式製導兩類。
這裏所說的自主式製導,也就是純慣性製導。它是利用箭上的慣性測量裝置和與之相配套的其他設備,完成導航、製導和姿態控製任務。也就是說,火箭離開發射台升空後,不需要任何外來信息,僅僅依靠自身測得的信息和預先裝定的信息就能夠完成對火箭的製導與控製。
複合式製導是在慣性製導的基礎上,與其他製導方式相結合,比如無線電製導或星光製導等從而實現火箭的製導和控製。
控製係統主要由以下分係統組成:
①製導係統:製導係統的作用是測量和計算火箭在飛行中的位置、速度、加速度、航程等參數並與預先裝定的參數進行比較,按預定規律形成製導指令,通過導引信號控製火箭,使之沿著一定的軌道飛行;當火箭飛行達到預定的關機條件(速度、位置、彈道傾角等)時,發出關機指令,從而使航天器準確入軌。