伊朗“凤凰”运载火箭概述

云脑智库 2022-07-22 00:00







前言
2021年12月30日,伊朗官方媒体援引伊朗国防部的消息报道称,伊朗向太空发射了一枚载有3个研究用装置的“凤凰”运载火箭。31日,伊朗国防部发言人艾哈迈德·侯赛尼在电视台播出的讲话中说,在30日的太空发射行动中,由于火箭无法达到规定的速度,因此它未能将携带的三个有效载荷送入太空轨道。但指出,这次发射是一次试验,今后会尝试将卫星送入轨道。





“凤凰”运载火箭发射画面


基本情况

“凤凰”(Simorgh)运载火箭(也被称为“使者-2”)是伊朗正在研发的消耗性运载火箭,它是伊朗首个太空运载火箭“使者”的“继任者”。该项目由伊朗总统马哈茂德-艾哈迈迪-内贾德于2010年2月3日,伊朗第一颗自主发射的希望号(Omid)卫星发射一周年庆祝活动上公布,并于2016年4月19日进行了首次发射。


“凤凰”运载火箭长26.5米,发射质量为87吨,到达500-530公里轨道的总飞行时间为480至495秒。第一级分离在90公里的高度和2300米/秒的速度下进行。同时第二级发动机点火,整流罩被弹出,卫星被加速到7400米/秒,注入指定轨道。


组成结构

“凤凰”运载火箭采用三级构型,一、二子级采用液体火箭发动机,上面级采用固体火箭发动机,总长约27m,直径2.4m,起飞质量约为87t,LEO有效载荷约为150kg。


火箭一子级

“凤凰”运载火箭一子级长17.5m,直径2.4m,采用了四台“使者-1B”火箭第一级发动机组提供动力,这些发动机有四个独立的涡轮泵,每个发动机产生高达37000公斤力(360千牛;82000磅)的推力。为实现火箭的飞行控制,一子级还配有四台LRE-15小型摇摆液体发动机,布局如下图所示。LRE-15小型摇摆液体发动机源于苏联R-27潜射导弹的游动发动机,通过单独的涡轮泵进行推进剂供给。伊朗并未公开LRE-15发动机的性能参数,但可以猜测LRE-15发动机喷管收敛段直径约为30cm(从实物图中看,该发动机喷管无扩张段),单台海平面推力约为35kN。


“凤凰”火箭一子级发动机并联布局图

“凤凰”火箭一子级发动机实物图(左)和LRE-15发动机涡轮泵管路图


火箭二子级


“凤凰”运载火箭的二子级长5m,直径1.5m,使用两台并联的LRE-4小推力液体燃料发动机,产生7000公斤的推力(69千牛;15000磅)。这种发动机也源于苏联R-27导弹,可能经过改进和放大,实际就是一级使用的LRE-15的放大型号。

“凤凰”运载火箭的二子级LRE-4发动机与一子级LRE-15摇摆发动机对比


伊朗官方或媒体未曾流出LRE-4具体照片,但以色列论坛上疑似出现相关的谍照,尺寸如下图所示。可以看出,LRE-4采用较为传统的波纹结构的喷嘴,燃烧室上装有用于发动机旋转的装置。每个喷管上都有一个供燃料流入和流出的环形管路,由于流出环路直接位于喷管的边缘,并与喷油器直接相连,所以看起来并没有采用再生冷却喷管。


疑似LRE-4的相关照片(左)和LRE-4燃烧室冷却系统示意图(右)


火箭上面级

2017年,伊朗曾展示过一款名为Saman-1的上面级,作为“凤凰”火箭的上面级,其内部的固体火箭发动机名为Arash-24,可以产生1300公斤力(13千牛;2900磅的推力),可以使“凤凰”将一个350公斤的有效载荷或一个主要有效载荷和几个次要立方体卫星放入500公里(310英里)的低地球轨道。2019年12月,伊朗对Saman-1上面级进行了真空推力试验,试验结果显示,Saman-1上面级真空推力约为13kN,比冲286.5s,燃烧时间40s。可以猜测,“信使”(Qased)三级运载火箭的三子级或许也采用了该上面级。


Saman-1上面级(左)和其尺寸图(右)


从图中可以看出saman-1上面级上半部分像由两段铝合金截锥体拼成的“水缸”,外部可见喷管和管道,顶部较平,可连接卫星。底部为圆柱体,外挂大约4个黑色球体,球体似乎是采用纤维缠绕技术制成,球体与上面的管道相连。上面级内部应该还带有制导控制设备,用于精确调整卫星的入轨姿态。


与其前身“使者”不同,“凤凰”是在发射台上垂直整合和组装的,每一级都是水平制造的,随后被带到发射台上,在定制设计的服务塔的帮助下完成各级的最后组装。


发射情况

“凤凰”运载火箭的第一次发射是在2016年,至今进行了6次发射,其中只有2016年的第一次发射任务成功,其余任务都以失败告终。


图表:“凤凰”运载火箭发射情况


时间有效载荷结果备注
1
2016年4月19日无负载成功亚轨道试飞
2
2017年7月27日无负载失败轨道试飞;第二级失败
3
2019年1月15日Payam(以前称为“AUT-SAT”)失败第三级失败
4
2020年2月9日Zafar-1失败卫星未能到达轨道
52021年6月12日未知有争议

美国官员称 "知道伊朗火箭发射失败"。卫星图像 "看起来像是一次发射"。

伊朗电信部长否认了任何发射。
6
2021年12月30日3个研究用装置失败

伊朗首次在同一次发射中发射多个有效载荷。“凤凰”运载火箭行了大约 600 秒(第二级为 500 秒)。设备没有进入轨道,运送到了 470 km 的高度并达到了 7350 m/s 的速度。

没有物体进入轨道,因此发射不成功。

由于发动机和涡轮泵过于复杂,“凤凰”的发展遇到了困难,某些子系统不可靠。在该系统的前四次发射(两次轨道发射和两次亚轨道发射)中,有3次失败,使该火箭的可靠性等级成为25%。然而,有迹象表明,随着每次连续的发射,系统的设计和可靠性逐渐改善;2017年的发射在失败前运行了120秒,2019年的发射在失败前运行了450秒,而2020年的发射,在成功任务所需的490秒运行时间中正确运行了475秒,使任务的成功率分别达到25%、92%和97%,表明设计的可靠性呈上升趋势。

“凤凰”运载火箭

小结

在历次“凤凰”运载火箭发射后,美国等国家多次指责伊朗借“凤凰”运载火箭暗中发展弹道导弹技术。美国国务院一位发言人表示:“运载火箭发射所采用的技术,与用于发射弹道导弹的技术相同且可互换,美方不清楚伊朗是否会推进发展弹道导弹。”根据2015年联合国安理会的决议,曾要求伊朗不要进行任何涉及运载核武器的弹道导弹活动,包括使用弹道导弹技术进行的火箭发射。而伊朗目前的“凤凰”火箭恰恰和液体弹道导弹技术密不可分。实际上,不能否认伊朗积极研制运载火箭,尤其是“凤凰”大型火箭很大程度上有军事方面的考量。


参考文献
[1] Simorgh (rocket)
[2] Safir-2 (Simorgh) IRILV
[3] Iran’s Simorgh rocket falls short of orbit with three payloads aboard
[4] What we know about the Saman-1 kick-stage for the Simorgh IRILVH
[5] How can be interpreted pictures of an unknown rocket engine combustor in Iran presented as Simorgh future second stage engine and used as Unha second stage main engine?
[6] What are the dimensions of the new Iranian Salman TVC solid-fuel rocket motor
[7]董露.伊朗“凤凰”运载火箭及导弹技术发展浅析[J].兵器知识,2021(01):21-25.
[8]伊朗运载火箭技术发展状况[OL]2021.3
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评论
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