宇宙神-5運載火箭

美國洛克希德·馬丁公司研製生產的宇宙神運載火箭系列是20世紀50年代由宇宙神洲際飛彈演變而來的。現在的宇宙神系列運載火箭在改進型一次性運載火箭(EELV)計畫的推動下，已完成了一系列的轉變，淘汰了宇宙神2和3而開發了宇宙神5。

2018年3月2日1點02分，宇宙神-5運載火箭從卡納維拉爾角發射場發射。

2019年8月8日，美國聯合發射聯盟公司用“宇宙神5”型運載火箭為美國空軍發射了一顆軍用通信衛星。

基本介紹

• 中文名：宇宙神-5運載火箭
• 外文名：Atlas-V rocket 
• 首次發射：2002年8月21日
• 發射場：卡納維拉爾角
• 研製公司：美國洛克希德·馬丁公司
• 系列類別：400系列和500系列

命名規則

宇宙神5系列運載火箭包括400系列和500系列，共14個型號。另外，洛克希德·馬丁公司還準備研製宇宙神SH(重型)運載火箭。每種宇宙神5運載火箭的命名規則是：

宇宙神5 abc 。 a用4或5標註，分別表示4m或5 m直徑的整流罩；b用0-5標註，表示公用芯級捆綁的固體助推器數量；c用1或2標註，表示半人馬座上面級發動機的數量。

宇宙神5運載火箭採用兩級或兩級半結構，每種型號使用的公用模組是：3.81 m直徑的宇宙神公用芯級和3.05 m直徑的半人馬座上面級。宇宙神公用芯級使用1台RD-180液氧煤油發動機，這種發動機採用分級燃燒循環、雙燃燒室，具有47%， 100%的節流能力，無節流工作時的真空推力達到422t，真空比沖為3304m/s。半人馬座上面級使用1台或2台普拉特·惠特尼公司的RL10A-4-2液氫液氧發動機，它的真空推力達到10t/台，比沖為4415 m/s。

2013年10月11日，聯合發射同盟（ULA）開始著手起豎吊裝用於執行NASA的火星大氣與揮發演化(MAVEN)探測器發射任務的“宇宙神”-5運載火箭。該火箭將於2013年11月執行發射任務，發射後，MAVEN火星探測器將歷經10個月的飛行時間進入繞火星軌道，以破譯火星這個紅色星球空氣越來越稀薄的原因。

“宇宙神"-5運載火箭第1級段由1台可提供3823kN推力的RD-180發動機提供動力，是火箭的通用芯級。它的貯箱可容納189m³液氧和94.6m³ RP-1燃料，其中，RP-1燃料由煤油高度精鍊形成，可支持RD-180發動機到達上層大氣層前的4min工作。

火星探測器需要在行星正確排列時進行發射，如果錯過了2013年的發射日期，MAVEN火星探測器最早要推遲到2016年才能發射。這個耗資6.7億美元的火星探測器將於2014年9月進入火星大氣最外層的橢圓軌道，採樣分析火星的組成，測量其對太陽活動刺激的回響。科學家們希望MAVEN火星探測器能夠探測到火星從一個溫暖的、充滿大氣並且有水的星球變成貧瘠星球的原因。

背景介紹

洛馬公司於1999年2月5日宣布其根據使用公共助推級研製的新型火箭將命名為宇宙神一5運載火箭。目前，洛馬公司和美國空軍共同出資研製一個新型、高效和低成本的火箭系列。這種新型火箭將用於商業發射和美國政府的發射任務。除了能夠滿足日益增長的地球同步軌道衛星的發射需求之外，它還能滿足近期將要發射的一系列大型商業衛星群的發射任務。

根據與美國空軍簽訂的契約，洛馬公司研製一個新型火箭系列，並在2001提供發射服氛務。美國空軍希望這種新型火箭系列能夠替代目前使用的“德爾他”、“宇宙神”和“大力神”系列運載火箭，以用於美國政府載荷的發射以及商業有效載荷的發射服務。宇宙神一5運載火箭能夠從卡納維拉爾角和范登堡空軍基地發射。洛馬公司官員稱宇宙神一5系列運載火箭能夠滿足目前衛星工業的所有要求，即能夠滿足目前衛星重量和體積不斷增長的趨勢要求。

宇宙神5的首次發射是在2002年8月21日，當時，宇宙神5401運載火箭搭載著Eutelsat Hot Bird 6衛星從卡納維拉爾角成功發射升空。至2007年10月，宇宙神5共進行了11次發射。宇宙神5火箭在美國深空探測計畫中承擔著運載任務。2006年1月，宇宙神5成功地發射了新地平線冥王星探測器，2008年還計畫發射月球坑觀測和感測衛星。

發射升空

2018年3月2日1點02分，這枚為聯合發射聯盟公司(United Launch Alliance)所有的火箭從卡納維拉爾角發射場發射。

宇宙神”-5(Atlas V)運載火箭在佛羅里達州發射升空

搭載美國新的GOES-S氣象衛星的“宇宙神”-5(Atlas V)運載火箭在佛羅里達州發射升空，美國國家航空航天局(NASA)在轉播發射。火箭第一級裝備了俄羅斯PD-180火箭發動機，並於發射3分鐘後正常分離。

結構構成

宇宙神一5運載火箭有幾種基本結構，它對該公司目前正在研製的宇宙神一3運載火箭進行了重大改進，同時它也採用了模組化的設計思想，其基本模組包括：

直徑為3.8m高27m採用RD-180發動機的結構穩定的公共助推級，它還為固體助推器提供了固定夾具，以提高其性能；

“半人馬座”上面級將使用一台或兩台RL- 10發動機；

標準化的、經過飛行驗證的“宇宙神”運載火箭的有效載荷整流罩，以及現有的或類似的有效載荷連線器和硬體；

新的大型有效載荷整流罩，其直徑為5.4 m，以便容納將來利用大型宇宙神-5和其它允中型運載火箭發射的有效載荷。

基本的宇宙神一5中型運載火箭結構使用公共助推級、為宇宙神一3B研製的“半人馬座”上面級、標準的有效載荷整流罩，以及宇宙神-2和將來宇宙神-3採用的接口。這種運載火箭的地球同步轉移軌道的運載能力5000kg。

大型宇宙神一5運載火箭的結構採用3個公共助推級，公共的“半人馬座”上面級將安裝在位於中心的公共助推級上，它將採用直徑為5.4m的複合材料整流罩大型宇宙神一5運載火箭能夠將6500kg的有效載荷直接送入地球同步軌道，其地球同步轉移軌道的運載能力為13000kg。

優勢特點

洛馬公司官員稱宇宙神一5系列運載火箭使用了先進的設計方法、材料和處理工藝，從而使得它具有較高的性能，並將大幅度地提高可靠性，同時降低成本由於使用了標準的部件，這種宇宙神一5運載火箭可以為各種大、中型有效載荷提供發射服務此外，由於宇宙神一5運載火箭與先前的“宇宙神”和“大力神”運載火箭相比具有更高操作效率，因此它能大幅度地減少每次發射所需的操作和準備時間，從而使得發射安排更具靈活性另外，宇宙神一5運載火箭將由新的硬體和即將由現有火箭進行驗證的部件組成例如，使用液氧和煤油作推進劑的RD- 180發動機將由宇宙神一3運載火箭在宇宙神一5投入使用的前兩年進行飛行驗證，RD- 180發動機將用於公共助推級中。到目前為止，共有13台RD-180發動機進行了點火試驗，試驗時間長達12500s，這個時間相當於宇宙神一5運載火箭進行55次發射時的RD- 180發動機工作時間的總和。

公共“半人馬座”上面級使用液氧和液氫作推進劑，通過使用一台或兩台RL- 10發動機可以使其具有不同的運載能九新型“半人馬座”上面級將在宇宙神一5運載火箭投入使用前一年在宇宙神一3運載火箭中進行驗證飛行。

未來發展構想

宇宙神5系列運載火箭的未來開發宗旨是：根據空問運輸的需求改進宇宙神5。

宇宙神5系列堅持的開發原則：

a)螺旋式開發降低費用和風險；

b)每一次改進都產生一系列滿足用戶需求的運載火箭；

c)基於通用模組構建宇宙神5系列；

d)增強可靠性使用戶受益。

未來發展3個階段

在原有開發原則基礎上，洛克希德·馬丁公司對未來宇宙神5系列制定了發展規劃，分3個階段：

第1階段：集中發展上面級，為適應火箭增大的直徑和長度而進行新的模組化設計，建立上面級多個發動機構型(1， 2， 4，或6個RL-10發動機)。這一階段不需要開發新的發動機，貯箱的尺寸作適當改動以適應半人馬座上面級的改進，貯箱的結構將由原來的不鏽鋼點焊改成鋁摩擦攪動焊接。第1階段形成的宇宙神5系列將具有3種構型，LEO運載能力最大能達到40 t。

第2階段：將火箭芯直徑增加到5.4 m，配置1 -2台RD-180發動機。同樣，第2階段也不需要開發新的發動機，貯箱結構採用第1階段的設計。第2階段形成的宇宙神5系列將具有3種構型，LEO運載能力最大能達到80t，可以適應未來絕大部分的月球任務。

第3階段：第3階段的發展有2種選擇。如果未來的運載需求是LEO運載能力的100 t左右，那么採取第3A階段方案：將5個第2階段使用的液體火箭助推器串聯捆綁在芯級上，上面級採用第1階段研製的上面級；如果未來運載需求要更大，則採用第3B階段方案：再次將火箭芯直徑增加到8.2m，採用5台RD-180發動機，4個液體火箭助推器，上面級仍使用第1階段研製的上面級。經過這3個階段的發展，宇宙神5系列的運載能力可以與土星系列相媲美。

可以看到，宇宙神5第1， 2階段的研製成果只需較少的改進和適當的投資就可以直接用於第3階段宇宙神5的研製。未來的月球發射任務，第2階段研製的宇宙神5系列完全可以勝任，如果要執行火星發射任務，也只需要開發大型火箭發動機。

集成低溫上面級

宇宙神5未來第1階段的開發任務是：在原有半人馬座上面級的基礎上研製新的更大直徑的上面級集成低溫上面級(ICES)。該上面級的套用前景廣闊，在未來的空問探測中，既能作上面級，也能作為在空問級，還可以充當推進劑空問補給站。

ICES的共頂與貯箱筒身部分通過摩擦攪動焊接相連，筒身部分為適應不同推進劑容量的需求可改變尺寸，通用推力結構可容納1， 2， 4或6台RL-10發動機，其中配置4台或6台發動機的最長尺寸的ICES構型可以作為LEO大規模有效載荷任務的上面級，配置1台或2台發動機的ICES構型可用於一般的GTO任務、星際任務，也可作為地球出發級(EDS）或進入飛向地球的軌道級(TEI)。 EDS和TEI都需要數天甚至數月的低溫貯存能力，ICES的設計重點就是考慮長期低溫貯存的需求。在系統級設計中，一系列被動式熱控管理特性被加入到ICES設計中，減少了貯箱傳導管路，將所有推進設備和電了設備置於主幹結構上。短尺寸的ICES構型則採用球形貯箱，達到減少貯箱表面面積增加容積率的目的。共底是ICES重要的構件 (源白半人馬座上面級的貯箱共底)，由於共底的存在，進入氧化劑的熱量可以通過氫氣的排出而消散，也就是說，氫氣可以用來冷卻氧，而不用排出氧。

其他的被動式熱控制設備可以成套地安裝在ICES上，包括推進劑管理設備、蒸汽冷卻設備、太陽遮板等。ICES的電了設備也可以為適應長期匕行而改進，安裝太陽能帆板和其他類似於衛星上使用的動力系統。

載人飛行

宇宙神5的改進還有另一個目標一一載人太空飛行。安全性是此類發射的重點要求。宇宙神5與宇宙神2相比，發射可靠性增加了2.6倍，是宇宙神系列有史以來最為可靠的構型。未來的宇宙神5系列將逐漸演變成單級構型，即以最少的級數和分離事件獲得最高的安全可靠性，圖6顯示了單級構型的宇宙神5系列的兩個發展階段構想。第2階段的單級宇宙神5上面級將採用4台或6台RL-10發動機，LEO運載能力分別達到23.9 t和29 t。上面級採用多台發動機，使改進的宇宙神5火箭在上面級的某個發動機出現故障時仍能到達軌道。

宇宙神運載火箭載人發射的歷史可以回溯到水星號載人飛船的首次發射。目前的宇宙神5系列採用了一種稱作“火箭健康監測系統”(以前用於水星號)，該系統可以密切觀測運載火箭的各項參數，例如：發動機的渦輪轉速、火箭速度和加速度以及系統的壓力等，如果監測到異常狀況，系統將啟動終止任務程式。未來構想的用宇宙神火箭發射CEV包括一個完整的終止逃逸系統，CEV可以從運載火箭上分離並成功返回地球。

評價

布希總統宣布的太空探索構想為美國未來空問項目的開展制定了目標。達到這一目標主要依靠經濟可靠的空問運輸系統。宇宙神系列運載火箭經過15年的商業發射的歷練，在美國本土運載火箭市場已占有重要地位。宇宙神5系列的升級換代可以使火箭的性能達到甚至超過土星系列火箭，並且具有長時問在軌低溫上面級和載人發射系統。宇宙神5系列的演變只需要更改貯箱的結構，適當地改進地面發射裝置(正在興建的SLC-3E)，而無需研發新的發動機和任何有風險的新技術。因此，宇宙神5系列將成為未來的空問運輸系統的一個解決方案。

發射記錄

序號	運載火箭	發射日期	起飛時間	有效載荷	軌道	發射場	結果
1	Atlas 5 401	2016.2.5	21:38	GPS 2F-12 導航衛星	MEO	卡納維拉爾角空軍基地SLC-41	成功
2	Atlas 5 401	2016.3.23	11:05	Cygnus OA-6 空間貨運飛船/Flock-2e × 20 /Diwata-1 地球觀測衛星	LEO	卡納維拉爾角空軍基地SLC-41	成功
3	Atlas 5 551	2016.6.24	22:30	MUOS a5 通訊衛星	GTO	卡納維拉爾角空軍基地SLC-41	成功
4	Atlas 5 421	2016.7.28	20:37	NROL-61 通訊衛星	GTO	卡納維拉爾角空軍基地SLC-41	成功
5	Atlas 5 411	2016.9.9	7:05	OSIRIS-REx小行星採樣返回任務	HCO	卡納維拉爾角空軍基地SLC-41	成功
6	Atlas 5 401	2016.11.12	2:30	WorldView 4地球觀測衛星+7個立方星	SSO	范登堡空軍基地SLC-3E	成功
7	Atlas 5 541	2016.11.20	6:42	GOES-R 氣象衛星	GTO	卡納維拉爾角空軍基地SLC-41	成功
8	Atlas 5 431	2016.12.19	2:27	EchoStar 19 通訊衛星	GTO	卡納維拉爾角空軍基地SLC-41	成功
9	Atlas 5 401	2017.1.21	8:45	SBIRS GEO 3 紅外飛彈預警衛星	GTO	卡納維拉爾角空軍基地SLC-41	成功
10	Atlas 5 401	2017.3.2	1:50	NROL-79 偵查衛星	LEO	范登堡空軍基地SLC-3E	成功
11	Atias 5 401	2017.4.18	23:11	Cygnus OA-7 空間站貨運飛船	LEO	卡納維拉爾角空軍基地SLC-41	成功
12	Atlas 5 401	2017.8.18	20:29	TDRS-M 中繼衛星	GEO	卡納維拉爾角空軍基地SLC-41	成功
13	Atlas 5 541	2017.9.24	13:49	NROL-42/Trumpet 間諜衛星	Molniya Oirbt（閃電軌道）	范登堡空軍基地SLC-3E	成功
14	Atlas 5 421	2017.10.15	15:28	NROL-52/Quasar 21 間諜衛星	GTO	卡納維拉爾角空軍基地SLC-41	成功
15	Atlas 5 411	2018.1.20	8:48	SBIRS GEO Flight 4 紅外飛彈預警衛星	GTO	卡納維拉爾角空軍基地SLC-41	成功
16	Atlas 5 541	2018.3.2	6:02	GOES-S 同步軌道氣象衛星（GOES-17）	GTO	卡納維拉爾角空軍基地SLC-41	成功
17	Atlas 5 551	2018.4.15	7:13	CBAS衛星,EAGLE試驗項目	GEO	卡納維拉爾角空軍基地SLC-41	成功
18	Atlas 5 401	2018.5.5	19:05	InSight(洞察號火星探測器）,MarCO A/B CubeSat	日心軌道	范登堡空軍基地SLC-3E	成功