按火箭发动机类型分类,运载火箭分为液体运载火箭和固体运载火箭;按火箭级数多少来分类,运载火箭又分为单级运载火箭、两级运载火箭和多级运载火箭。
这里以由两级液体发动机推动的运载火箭为例,来说明该类火箭的飞行过程及其飞行弹道。运载火箭的飞行过程一般由垂直起飞、程序转弯、发动机关机、级间分离、头体分离、自由段飞行、入轨几部分组成。当垂直竖立在发射台上的火箭各子系统完成测试、飞行控制参数装订、瞄准,接到点火命令后,按下点火按钮,一级发动机点火工作,推力逐渐增加。当推力达到火箭起飞重量时,火箭离开发射台缓慢垂直起飞,此时记作火箭飞行的零秒,箭上各种控制仪器同时进入正常工作状态。当火箭飞行1秒左右时,发动机推力达到额定值。而当垂直上升累计时间约几秒时,火箭在控制系统作用下逐渐向目标方向转动,弹道也开始向目标方向弯曲,开始程序段飞行。随着时间的增长,火箭的飞行速度、飞行高度及飞行距离逐渐增大,而速度方向与发射点处地平面的夹角 θ 却逐渐减小。当火箭的飞行速度及其质心空间位置等参数达到一级预令关机的要求时,控制系统就实时地发出一级发动机关机指令,此时燃料输送系统中的启动活门逐渐关闭,推进剂秒流量急速减少,推力迅速下降。预令后的不长时间内,控制系统提出关机主令,此时启动活门完全关闭,推进剂秒流量递减为零。一级关机预令后零点几秒时,二级主发动机启动;而关机预令后不久,一、二级解锁,并依靠二级主发动机喷出的高速燃气流所具有的动能实现一、二级的热分离。分离后的一级箭体惯性飞行一段时间后陨落,二级则在其发动机推力和控制系统的作用下沿着预定的弹道继续飞行。随着时间的增长,火箭飞行速度、飞行高度及飞行距离逐渐增加。当火箭的飞行速度及其质心位置等参数满足二级预令关机要求时,控制系统发出二级主发动机关机指令,推进剂秒流量迅速减少,推力下降。二级预令后约十几秒,当火箭满足给定的入轨精度要求时,控制系统发出二级发动机关机主令,游动发动机关机,而主发动机已在其预令关机后的几秒内自动关闭。在主发功机关机后的一段时间内,因游动发动机仍处于正常工作状态,所以推进剂秒流量和发动机推力基本保持不变。二级关机主令后,再经过几秒,头体解锁,并借助安装在二级箭体上的固体反推火箭实现头体的冷分离。分离后的二级箭体在飞行一段时间后陨落,而分离后的载荷,如无任何控制,则将依靠分离时所获得的能量按预定的自由段弹道惯性飞向目标;若有姿态控制,则在其飞行过程中的初始时间内,将以一定的角速度绕其质心作翻转运动,并按姿态控制程序规定的动作和飞行姿态稳定地飞向预定轨道。
在弹道学中,常将火箭星箭分离点称为主动段关机点,而其所对应的弹道参数(速度、速度倾角、位置)则称为关机点弹道参数。实践证明,关机点弹道参数对火箭的被动段飞行至关重要。从后面的讨论中将会看到,在理想的情况下,火箭载荷能否达到预定轨道,完全取决于关机点的弹道参数。
火箭质心在空间的运动轨迹称为弹道。根据火箭飞行概况中所描述的飞行特点,整个弹道不尽相同,需要进行分段研究。因此,弹道分段的目的就在于应用不同的数学模型描述各段弹道的特点,以便求得火箭运动规律的全貌。根据运载火箭从发射点到目标点的运动过程的受力情况,可将其弹道分为几段。
根据火箭在飞行中发动机和控制系统工作与否,可将其弹道分为动力飞行段(简称主动段)和无动力飞行段(简称被动段)两部分。
下面分别叙述火箭在各段弹道上的飞行特点。
这是从火箭离开发射台到星箭分离为止的一段弹道。在这段弹道上,由于发动机和控制系统的工作,因而称之为主动段。在该段的飞行特点是,作用在箭上的力和力矩有地球引力、空气动力、发动机推力、控制力及它们相对火箭质心所产生的相应力矩。推力主要用来克服地球引力和空气阻力并使火箭作加速运动;而控制力则主要产生控制力矩,以便在控制系统作用下使火箭按给定的飞行程序飞行,确保火箭按预定的弹道稳定地飞向预定轨道。通常,火箭在主动段的飞行时间并不长,一般约在几十至几百秒的范围内。
从头体分离到载荷入轨的一段弹道称为被动段弹道。在无控制的情况下,载荷依靠在主动段终点所获得的能量作惯性飞行。虽然在此段不对载荷进行控制,但作用在它上面的力是可以相当精确地计量的,因而基本上可较准确地掌握载荷的运动,以保证其在一定的入轨精度要求下进入轨道。