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航天科普(十五)【第聂伯(Dnepr)运载火箭】

2020-07-22 21:21 作者:ASPT-航天科普小组  | 我要投稿

第聂伯运载火箭(俄语:ДеПр)是一种以第聂伯河命名的运载火箭。这是一种改装的洲际弹道导弹,用于将人造卫星送入轨道,由ISC Kosmotras运营。第一次发射于1999年4月21日,成功地将重达350公斤的小型演示卫星UoSAT-12送入650km,65°的近地轨道,最后一次发射在2015年3月进行,并圆满结束了它的服役生涯。在总共22次发射中,仅有第七次撒土豆任务失败(内有日本、白俄罗斯、意大利、美国、俄罗斯、韩国、挪威的载荷)

第聂伯是乌克兰和俄罗斯在削减战略武器条约签订之后,为利用因削减而退役的PC-20B洲际弹道导弹(SS-18M2)所研发的运载火箭。以最大限度地利用PC-20B导弹的系统与组件;采用经过验证的技术;利用已有的飞行路线,使各子级和整流罩坠落在原定落区。1997年,乌克兰与俄罗斯合作成立了国际航天运输公司,专门负责将PC-20B导弹改造成第聂伯运载火箭,提供卫星商业发射服务。考虑到火箭要从拜科努尔航天中心发射,第聂伯火箭的发射也要得到哈萨克斯坦政府的同意。

为使成本最小化,第聂伯火箭大量采用了PC-20B导弹的系统和部件,包括一子级、二子级、整流罩、运输发射容器、地下发射井,甚至飞行路线。主要改变是把导弹弹头部分改成装多个卫星的有效载荷部分,并相应地对三子级的控制系统作了改动,以适应卫星的入轨需要。三子级仍旧基本上采用了导弹的三子级,且全箭均使用偏二甲肼+四氧化二氮的燃料配置,且一、二级均为四氧化二氮在上、偏二甲肼在下的设计。

第聂伯运载火箭一、二级也全部使用了长方形格栅来加强罐体。

第聂伯运载火箭的基础结构,至于气动护罩起什么作用我们到后面聊整流罩的时候再说


第聂伯整箭

高度:34.3m

直径:3m

起飞质量:208.9t

起飞推重比:~2.2

LEO运力(50.5°,300km):3.7t

SSO运力(98°,500km):1.8t




第聂伯一级

级长:22.34 m

直径:3m

子级质量:161.5t

推进剂质量:147.9t

发动机:RD-264 (RD-263*4)

推进剂:偏二甲肼/四氧化二氮

海平面推力:424.72t

海平面比冲:292.9s

工作时间:102 s

储箱设计:下凹共底储箱


一级推进系统采用高压补燃(富然分级燃烧循环)的RD-264发动机,由俄罗斯动力机械科研生产联合公司于1969年~1973年研制。RD-264发动机由装在同一发动机机架上的4台RD-263发动机构成,通每台燃烧室均可摆动,从而进行推力矢量控制.

RD-264

引擎数据:

干重:3.6t

直径:3m

高度:2.15m

混合比:2.67

平均海平面推力:424.72t

真空推力:460.55t

海平面比冲:292.9s

真空比冲:317.7s

燃烧室压力:206bar




第聂伯二级

级长:5.71 m

直径:3m

子级质量:41.11 t

推进剂质量:36.74 t

发动机:RD-0255

推进剂:偏二甲肼/四氧化二氮

真空推力:77.5t

真空比冲:339.9s

工作时间:161 s


二子级推进系统采用RD-0255发动机。该发动机是在质子号运载火箭三子级RD-0212发动机的基础上研制的,用作PC-20A导弹二子级发动机时代号为RD-0228。RD-0255是RD-0228的改进型,改进后推力增加11%,而且在结构上将发动机的主要部分放在燃料箱中,节省了空间,减短了级间段的长度。RD-0255由俄罗斯柯兹贝克设计局(现化工自动设计局)研制,由1台RD-0256主发动机和4台独立的RD-0257游动发动机组成。

RD-0255




第聂伯三级

级长:1m

直径:3m

子级质量:4.27t

推进剂质量:1.91t

发动机:RD-869*4

推进剂:偏二甲肼/四氧化二氮

真空推力:

全推力模式:2.06t

节流模式:0.85t

真空比冲:

全推力模式:319.5s

节流模式:312.5s

工作时间

全推力模式:305s

节流模式:740s


三子级推进系统是PC-20B导弹的末助推推进系统,采用4台RD-869液体火箭发动机,通过燃气发生器的燃气来驱动涡轮泵,将贮箱中的推进剂输送给发动机。4台发动机的燃烧室均可单摆来控制火箭的俯仰、偏航和滚转。三子级是倒置的,发动机喷口面向前方。卫星入轨前要使三子级翻转180°,使喷口面向后方。

RD-869发动机采用非冷却喷管裙部,喷管内表面用液膜冷却。4台发动机均可以两种模式工作,即全推力工作模式和节流工作模式。.两种模式之间可以按照需要多次进行转换。

(什么你有点懵?来我们根据一组图看一下)

首先,整流罩上半部分分离,露出气动护罩,然后二三级分离,三级点火后倒置,然后继续推进。

气动护罩再分离,反向部署载荷。

这波操作是不是有点不理解?也有人会问:这种部署方式似乎没有什么优点,那为什么要设计成这样呢?

首先在文章的开头我们就已经介绍:“为使成本最小化,第聂伯火箭大量采用了PC-20B导弹的系统和部件,包括一子级、二子级、整流罩、运输发射容器、地下发射井,甚至飞行路线。”这也就说明,其部署方式和核弹的投掷方式是一样的,那这种部署方式究竟有什么好处呢?

首先,SS-18(撒旦)是可以多弹头投放的,那么多目标打击必定是重要的指标之一。怎样实现快速的分散部署呢?那便是倒置推进。

首先,我们假设正在部署核弹,那我们假设按照常规方法部署核弹,那就会出现以下的情况

首先第一次熄火部署第一枚核弹,然后再点火再熄火部署第二枚核弹,然后……

这种方法十分考验发动机的重复点火性能,且不方便,那有什么比较好的解决方法吗?有!第聂伯就是其中一种。

不熄火,到部署的速度就部署,快速可靠!当然,这只是其中一种多目标部署方式,还有其他的就不再讨论了。




第聂伯4种整流罩

整流罩安装方式




未实现的规划

【1】小身板,大能量,GEO还能有0.5t!

在第聂伯的用户手册中,50.5°的运力表到900km便已成了极限,但后续计划会比这高很多。

首先,他们希望在第聂伯上搭载锡奧科尔公司(现属诺斯罗普·格鲁曼)的STAR-48AS和STAR-27固体火箭上面级。

STAR-48AS
STAR-27

首先,第聂伯将三者(STAR-48AS,STAR-27,载荷)送入LEO,STAR-48A发动机把卫星送往月球,通过引力弹弓使转移轨道倾角从50.5°降到0°,并使轨道近地点提升到同步高度。当卫星到达新转移轨道的近地点时,STAR-27发动机点火,将卫星送入地球静止轨道。用这种方法可以将0.5t的卫星送入GEO。

示意草图


【2】ST上面级

之前进行的空间拖船(ST)研制,将使第聂伯火箭具备对大型有效载荷进行多轨道发射的能力。ST共有3种类型,安装在头舱内。采用不同的ST,第聂伯火箭可以执行近地赤道轨道、月球逃逸轨道、火星逃逸轨道、高椭圆轨道、中地球轨道以及天平动点等多种发射任务(详见下表)。





END

部分资料鸣谢:世界运载器大全,维基百科

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