运载火箭行业分析报告.docx

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运载火箭行业分析报告

2017年运载火箭行业分析报告

2017年7月

目录

一、概述5

二、火箭的分类7

1、按用途分类：

民用以运载火箭为主，军用以弹道导弹为主7

2、按发动机分类：

大型火箭常用液体动力，小型火箭常用固体动力8

3、按规模分类：

大、中型运载火箭为主力10

4、按级数分类：

2~4级运载火箭为主，捆绑的助推器算半级11

5、按发射方式分类：

塔架发射为主流，车载发射、空中发射迅速发展12

三、火箭的组成13

1、结构系统：

运载火箭的骨骼14

2、动力系统：

运载火箭的心脏17

3、控制系统：

运载火箭的大脑18

四、运载火箭典型发射程序与飞行过程19

五、运载火箭技术发展方向21

1、重型化是民用航天的不懈追求21

2、低成本化是商业航天催生的迫切需求24

3、快速专用化主要满足军事航天的战术需求24

概述。

运载火箭是实现太空飞行的唯一交通工具。

火箭是采用火箭发动机向前推进的飞行器。

火箭发动机自身携带氧化剂和燃烧剂，不依赖外界工质，可在真空中工作。

航天活动的主要场所为太空，只能采用火箭发动机。

运载火箭的主要技术指标有运载能力、入轨精度、可靠性和发射成本。

运载能力用可运载的质量及相应的轨道高度来描述；入轨精度是指有效载荷实际运行轨道和预定轨道的偏差；可靠性一般采用百分比来衡量，是根据概率计算出来的；运载火箭的发射成本一般用发射一次的成本来衡量，衡量卫星发射成本，一般采用单位质量发射价格。

火箭的分类。

火箭的主要分类方式包括用途、发动机类型、规模、级数等。

按照用途分类，火箭可分为卫星运载火箭、军用火箭、探空火箭、防雹火箭等。

按照发动机分类，火箭可分为固体火箭、液体火箭两类，固体火箭一般为小型火箭；液体火箭一般为中型、大型火箭。

按照规模分类，火箭可分为小型运载火箭、中型运载火箭、大型运载火箭、重型运载火箭等，主要以近地轨道运载能力进行区分。

按照级数分类，火箭可分为一级火箭、二级火箭、三级火箭和四级火箭，一般运载火箭技术为2~4级。

按发射方式分类，可分为塔架发射、车载机动发射、空中发射等，塔架发射方式为主流。

火箭的组成。

火箭主要由三大系统组成：

结构系统、动力系统和控制系统，另外还包括遥测系统、安全系统、外弹道测量系统、地面测发控系统等。

液体运载火箭的箭体结构系统主要由推进剂贮箱、仪器舱、推力结构、尾段和尾翼、有效载荷整流罩等组成。

对固体运载火箭而言，其箭体结构除了没有推进剂贮箱、箱间段和发动机架外，其他与液体运载火箭的箭体结构基本相同。

液体火箭动力系统一般由推力室、推进剂供应系统、发动机控制系统组成。

固体火箭动力系统由药柱、壳体、喷管组件和点火装置等组成。

控制系统由制导和导航系统、姿态控制系统、综合线路系统三大部分组成。

运载火箭典型发射程序与飞行过程。

当运载火箭准备工作全部完成后，发射工作便可进入倒计时阶段。

倒计时阶段开始时，由指挥中心向发射场、火箭飞行过程中箭体分离后的落区、分布在各地的测控站、远洋测量舰队等统一发布口令。

一般运载火箭的倒计时从由发射窗口确定的发射时间前1个小时开始，叫做1小时准备，最后是从10开始倒数至1，运载火箭点火起飞。

火箭起飞后，在控制系统的控制下，分别完成程序转弯、助推器脱落、上面级火箭的点火与关机、级间分离和整流罩分离等；当火箭到达入轨点时，有效载荷与火箭分离，进入预定轨道运行。

运载火箭技术发展方向。

随着军事航天、民用航天与商业航天的不断推进，运载火箭呈现重型化、低成本化、快速专用化三个发展趋势。

重型化是民用航天的不懈追求，低成本化是商业航天催生的迫切需求，快速专用化则主要满足军事航天的战术需求。

一、概述

火箭是采用火箭发动机向前推进的飞行器。

火箭发动机不同于飞机、汽车上的发动机，它自身携带氧化剂和燃烧剂，不依赖外界工质，可在真空中工作，因此既可以在稠密大气层内工作，也可以在外太空飞行；而飞机、汽车上的发动机自身只携带燃烧剂，氧化剂靠吸入空气中的氧气，只能在大气层内飞行。

航天活动的主要场所为太空，包括人造卫星、月球探测器、火星登陆器等等，而太空是指地球大气层以外的宇宙空间，太空飞行要进入没有大气的太空环境，只能采用火箭发动机，因此，运载火箭是实现太空飞行的唯一交通工具。

太空与大气层空间的区分以人造卫星离开地面的最低高度100km为界。

物理学家将大气分为5层：

对流层（海平面至10千米）、平流层（10～40千米）、中间层（40～80千米）、热成层（电离层，80～370千米）和外大气层（电离层，370千米以上）。

地球上空的大气约有3/4在对流层内，97%在平流层以下，平流层的外缘是航空器依靠空气支持而飞行的最高限度。

人造卫星的最低轨道在热成层内，其空气密度为地球表面的1%。

近些年来，趋向于以人造卫星离开地面的最低高度100km为外层空间的最低极限界限。

运载火箭的主要技术指标有运载能力、入轨精度、可靠性和发射成本。

运载能力是指运载火箭能够送入到预定轨道的有效载荷的质量。

它随着预定轨道的高度和倾角的增大而减小，一般运载能力用可运载的质量及相应的轨道高度来描述，如200kg/700km是指运送到700km高度轨道的运载能力为200kg。

常用的轨道名称包括LEO、MEO、GEO和SSO等。

运载火箭的入轨精度是指有效载荷实际运行轨道和预定轨道的偏差。

该偏差主要取决于控制系统的精度和采用的控制方法。

运载火箭的可靠性一般采用百分比来衡量。

例如可靠性0.97，是指100次发射有97次成功，可靠性不是试验出来的，而是考虑了各种产品可能出故障的概率计算出来的。

运载火箭的发射成本一般用发射一次的成本来衡量。

该成本包括运载火箭的研制与生产成本、运载火箭的发射成本、运载火箭的测控成本。

衡量卫星发射成本，一般采用单位质量发射价格，例如3万美元/公斤。

二、火箭的分类

火箭的主要分类方式包括用途、发动机类型、规模、级数等。

1、按用途分类：

民用以运载火箭为主，军用以弹道导弹为主

按照用途分类，火箭可分为卫星运载火箭、军用火箭、探空火箭、防雹火箭等，其中商业航天中的火箭主要是指卫星运载火箭，目前也有民营企业以商业目的在做探空火箭。

2、按发动机分类：

大型火箭常用液体动力，小型火箭常用固体动力

按照发动机分类，火箭可分为固体火箭、液体火箭两类，另外还有固液混合火箭，其中固体火箭发动机多用于军用，液体火箭发动机多为民用，但随着中国商业航天的兴起，固体火箭逐渐应用于商业航天发射，成为了军转民的典范。

固体火箭发动机使用固体推进剂，包括聚氨酯、聚丁二烯、端羟基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。

固体火箭发动机由药柱、壳体、喷管组件和点火装置等组成。

药柱是由推进剂与少量添加剂制成的中空圆柱体，中空部分为燃烧面，形状有圆形、星形等，置于发动机壳体中。

在推进剂燃烧时，壳体须承受2500~3500度的高温和极高压力，所以须用高强度合金钢、钛合金或复合材料制造，并在药柱与燃烧内壁间装备隔热衬。

点火装置用于点燃药柱，通常由电发火管和火药盒组成，通电后由电热丝点燃黑火药，再由黑火药点燃药柱。

固体火箭发动机与液体火箭发动机相比较，具有结构简单，推进剂密度大，推进剂可以储存在燃烧到中常备待用和操纵方便可靠等优点。

缺点是“比冲”小（比冲指发动机推力与每秒消耗推进剂重量的比值）。

固体火箭发动机工作时间短，加速度大导致推力不易控制，重复起动困难，从而不利于载人飞行。

固体火箭发动机主要用作火箭弹、导弹和探空火箭的发动机，以及航天器发射和飞机起飞的助推发动机。

液体火箭发动机使用液体推进剂，分为氧化剂和燃烧剂。

常用的液体氧化剂有液态氧、四氧化二氮等，常用的燃烧剂有液氢、偏二甲肼、煤油等，其中偏二甲肼有剧毒。

氧化剂和燃烧剂必须储存在不同的储箱中。

液体火箭发动机一般由推力室、推进剂供应系统、发动机控制系统组成。

液体火箭发动机的优点是比冲高，推力可调节范围大（单台推力在1克力~700吨力）、能反复起动、能控制推力大小、工作时间较长等。

液体火箭发动机主要用作航天器发射、姿态修正与控制、轨道转移等。

固液混合火箭发动机分为固液混合式和液固混合式两种。

液固混合式发动机是燃烧剂为液体，氧化剂为固体，而固液混合式发动机正好与它相反。

从性能上说，固液混合火箭发动机的比推力高于固体火箭发动机，低于高能液体发动机。

从系统和结构来说，这种火箭发动机的优点是简单紧凑，缺点是燃烧效率低，推进剂混合比不易控制，调节推力时能量损失较大。

固液混合火箭发动机的技术发展远比前两类发动机缓慢。

3、按规模分类：

大、中型运载火箭为主力

按照规模分类，火箭可分为小型运载火箭、中型运载火箭、大型运载火箭、重型运载火箭等，主要区分标准采用了近地轨道（LEO）运载能力。

4、按级数分类：

2~4级运载火箭为主，捆绑的助推器算半级

按照级数分类，火箭可分为一级火箭、二级火箭、三级火箭和四级火箭。

理论上火箭技术可以更多，但由于可靠性会大大降低，所以更多级的火箭并不常用。

仅采用一级火箭很难达到第一宇宙速度，由于受到火箭发动机比冲和火箭结构水平的限制，用单级火箭通常难以达到第一宇宙速度，因此卫星运载火箭一般为2~4级。

多级火箭有三种组合形式：

串联、并联和混合式。

串联式火箭沿轴向连接成一个整体，结构紧凑，气动阻力小，发射设备简单。

并联式火箭又称捆绑式火箭，各级沿横向连接，长度短，发射时所有的发动机可同时点火。

并联式火箭的缺点是箭体横向尺寸大，发射设备复杂，费用高。

在相同起飞重量的前提下，并联式火箭的运载能力稍低于串联式火箭。

串联和并联同时使用的组合方式称混合式，它兼有上述两种方式的优点和缺点。

混合式多级火箭中，一般采用多个助推器与一级发动机并联，助推器因在第一级火箭飞行的半路上关机，所以只能算它是半级火箭，因此混合式多级火箭往往叫一级半火箭、两级半火箭等。

5、按发射方式分类：

塔架发射为主流，车载发射、空中发射迅速发展

火箭的发射方式有多种，目前最为常见的火箭发射均为塔架发射，车载机动发射、空中发射将成为新的发展方向。

三、火箭的组成

火箭主要由三大系统组成：

结构系统、动力系统和控制系统，另外还包括遥测系统、安全系统、外弹道测量系统、地面测发控系统等。

1、结构系统：

运载火箭的骨骼

运载火箭的箭体结构是运载火箭的基体，它把运载火箭各系统组合在一起形成一个完整的整体，其主要功能如下：

1、使运载火箭具有良好的气动外形，保证运载火箭的飞行性能；2、在满足运载火箭所需的强度和刚度基础上，质量要尽可能轻，结构要尽可能简单；3、提供安装运载火箭上所有仪器、设备的空间，并满足它们正常工作所需的环境条件，如压力、温度和振动等要求。

液体运载火箭的箭体主要由推进剂贮箱、仪器舱、推力结构、尾段和尾翼、有效载荷整流罩等组成。

对固体运载火箭而言，其箭体结构除了没有推进剂贮箱、箱间段和发动机架外，其他与液体运载火箭的箭体结构基本相同。

推进剂贮箱占了箭体很大一部分空间，它用来存贮推进剂，一般有两个贮箱，一个装氧化剂，一个装燃烧剂。

目前大多数运载火箭的推进剂贮箱，不但用来存贮推进剂，而且是箭体承力结构的一部分。

推进剂贮箱要求密封，装上推进剂后不允许有泄漏。

目前常用的材料为可焊的铝合金。

贮箱一般为圆筒形，前后有两个箱底，中间为圆柱形的壳段，用焊接方法把两个箱底与壳段焊成一个圆筒形容器。

在两个独立的圆筒形贮箱之间有一个连接段，叫做箱间段。

利用箱间段的空间可安装一些仪器或设备，安全自毁系统的爆炸装置通常放在这里。

仪器舱是集中安装控制系统和其他系统的仪器、设备的舱段。

目前运载火箭的仪器舱常安排在箭体靠前端部位，这里离发动机较远，振动小，对仪器设备有利。

推力结构是用来安装发动机并把推力传给箭体的承力组件，常见的推力结构有构架式结构与半硬壳式结构两种型式。

构架式推力结构又叫发动机架。

尾段在箭体的最后部位，所以称尾段。