推力巨大的現(xiàn)代火箭

尹懷勤

自從1957年10月4日世界上第一顆人造地球衛(wèi)星升空以來(lái)，航天技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，鑄就了一系列的太空輝煌。舉世公認(rèn)，航天是自20世紀(jì)中葉以來(lái)人類認(rèn)識(shí)和改造自然進(jìn)程中最活躍，最有影響的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，也是人類文明高度發(fā)展的重要標(biāo)志。

航天技術(shù)的特點(diǎn)是飛行器必須依靠本身具有的速度掙脫地球或太陽(yáng)的強(qiáng)大引力而能在極高真空的宇宙空間以類似于自然天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律飛行。為此，首先要研制具有巨大推力的運(yùn)載火箭。

從古代火箭到現(xiàn)代火箭

原始火箭是中國(guó)人發(fā)明的，并于12世紀(jì)就在戰(zhàn)爭(zhēng)中予以使用。明代茅元儀編著的《武備志》中就記載了靠火藥產(chǎn)生噴氣推動(dòng)前進(jìn)的火箭。雖然其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但卻具備了自主飛行的特點(diǎn)。由于火箭不依賴空氣工作，故而可發(fā)展成為既能沖出大氣層又能在太空中飛行的動(dòng)力裝置。盡管古代火箭產(chǎn)生的推力很小，飛行高度有限，但是它所體現(xiàn)的基本工作原理卻一直沿襲至今。

20世紀(jì)初期，經(jīng)俄國(guó)科學(xué)家齊奧爾科夫斯基、美國(guó)科學(xué)家戈達(dá)德和德國(guó)科學(xué)家奧伯特的努力，闡明了利用火箭能夠開展航天活動(dòng)的基本理論，從而奠定了現(xiàn)代火箭問(wèn)世的基礎(chǔ)。他們?nèi)艘虼硕环Q為現(xiàn)代航天學(xué)奠基人和先驅(qū)者。戈達(dá)德還于1926年3月16日成功地點(diǎn)燃了歷史上第一枚液體火箭，成為液體火箭的實(shí)際創(chuàng)始人。德國(guó)于1942年10月3日成功地進(jìn)行了A-4火箭的發(fā)射試驗(yàn)，隨后將其更名為V-2火箭并投入作戰(zhàn)使用。V-2是單級(jí)液體火箭，推進(jìn)劑為液氧和酒精，推力達(dá)26.5噸，最大射程320千米。它雖未能挽救希特勒徹底覆滅的命運(yùn)，但對(duì)現(xiàn)代大型火箭的發(fā)展起到了繼往開來(lái)的作用。德國(guó)戰(zhàn)敗后，美國(guó)和蘇聯(lián)分別繳獲了V-2火箭實(shí)物、部分科研人員與設(shè)備資料，為各自后來(lái)迅速發(fā)展火箭技術(shù)創(chuàng)造了有利條件。世界上發(fā)射航天器的運(yùn)載火箭，也是這兩個(gè)國(guó)家首先研制出來(lái)的。

火箭的級(jí)數(shù)與速度

運(yùn)載火箭只有使航天器達(dá)到一定的速度后才算完成發(fā)射任務(wù)。根據(jù)航天器遨游太空的區(qū)域不同，這個(gè)速度亦有大小不同的區(qū)別?？茖W(xué)家們將其分別稱為第一、第二、第三宇宙速度。

第一宇宙速度為7.9千米／秒，是人造航天器在太空沿地球表面作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)必須具備的速度，也叫環(huán)繞速度。第二宇宙速度為11.2千米／秒，是人造航天器能沿一條拋物線脫離地球的引力場(chǎng)而圍繞太陽(yáng)運(yùn)行必須具備的速度，亦稱逃逸速度。第三宇宙速度為16.7千米／秒，是從地面發(fā)射人造航天器，飛出太陽(yáng)系到浩瀚的銀河系中漫游所需要的最小速度。地面發(fā)射的航天器在充分利用地球公轉(zhuǎn)速度情況下獲得這一速度后即可沿雙曲線軌道飛離地球，在太陽(yáng)引力作用下運(yùn)行。它相對(duì)太陽(yáng)的軌道是一條拋物線，最后將飛離太陽(yáng)系。

就現(xiàn)代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和結(jié)構(gòu)水平來(lái)說(shuō)，單級(jí)火箭所能達(dá)到的飛行速度不超過(guò)每秒6千米，還不能把航天器送上太空。為了達(dá)到和超越第一宇宙速度，需用多級(jí)火箭。

多級(jí)火箭由兩級(jí)以上的火箭組成，每級(jí)火箭可獨(dú)立工作。從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，多級(jí)火箭可采用軸向串聯(lián)、橫向捆綁并聯(lián)以及串并聯(lián)共用三種形式。由于隨著級(jí)數(shù)的增加，運(yùn)載火箭變得更為復(fù)雜，致使其可靠性下降，因此常用的運(yùn)載火箭多為2～4級(jí)。發(fā)射載人航天器的火箭，對(duì)其可靠性要求更高，一般為2～2.5級(jí)。所謂2.5級(jí)火箭，就是在兩級(jí)串聯(lián)火箭的第一級(jí)周圍再捆綁幾個(gè)助推器，以增加起飛推力。進(jìn)行發(fā)射時(shí)，助推器雖然和第—級(jí)火箭基本上同時(shí)點(diǎn)火，但其先工作完畢并脫離，故稱為半級(jí)火箭。

發(fā)射航天器時(shí)，垂直豎立在發(fā)射架旁的多級(jí)運(yùn)載火箭，點(diǎn)火后逐級(jí)工作、熄火并被拋掉，每一級(jí)都使火箭的飛行速度增加+數(shù)值，直到末級(jí)火箭脫離，將有效載荷增至所需速度并送入預(yù)定軌道運(yùn)行為止。截至目前，人類研制的多種運(yùn)載火箭已分別成功發(fā)射了具有不同宇宙速度的近7000個(gè)航天器。

名目繁多的現(xiàn)代火箭

現(xiàn)代火箭的優(yōu)勢(shì)在于它具有多種用途，可以裝載不同的有效載荷。當(dāng)火箭頂端裝載航天器時(shí)，就被稱為運(yùn)載火箭；當(dāng)火箭頂端裝載戰(zhàn)斗部時(shí)，就成為了導(dǎo)彈；當(dāng)火箭頂端儀器艙內(nèi)裝載探空裝置，用來(lái)探測(cè)大氣層有關(guān)參數(shù)時(shí)，就一并稱為探空火箭。

鑒于現(xiàn)代火箭名目繁多，通常根據(jù)級(jí)數(shù)多少、有無(wú)控制、能源種類、用途不同來(lái)進(jìn)行分類。按照有無(wú)控制，可分為無(wú)控火箭和有控火箭。航天活動(dòng)和導(dǎo)彈都使用有控火箭；按照能源種類，可分為化學(xué)能火箭、電火箭、核火箭、太陽(yáng)能火箭和光子火箭?；瘜W(xué)能火箭就是依靠自身攜帶的燃料即燃燒劑和氧化劑的化學(xué)反應(yīng)釋放熱能工作的火箭。它又可分為固體、液體、固液混合三種火箭，是目前使用最多的航天動(dòng)力裝置。電火箭、核火箭和太陽(yáng)能火箭又統(tǒng)稱為非化學(xué)能火箭。個(gè)別的電火箭和核火箭已在航天器上使用。太陽(yáng)能火箭尚處于研制階段。至于光子火箭，也屬于非化學(xué)能火箭，目前仍處于探索階段。

用于航天發(fā)射的運(yùn)載火箭，都是由箭體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置、飛行控制系統(tǒng)、有效載荷艙和電源構(gòu)成的。迄今，各國(guó)已經(jīng)和正在使用的運(yùn)載火箭主要有：俄羅斯的東方號(hào)、上升號(hào)、聯(lián)盟號(hào)、質(zhì)子號(hào)、宇宙號(hào)、天頂號(hào)和能源號(hào)；美國(guó)的雷神系列、宇宙神系列、德爾塔系列、大力神系列、土星號(hào)系列；中國(guó)的長(zhǎng)征號(hào)系列；歐洲空間局的歐里安系列；日本的H-1系列、H-2系列等。

火箭推力的比拼

在已經(jīng)問(wèn)世的所有火箭中，以美國(guó)土星號(hào)系列火箭中發(fā)射阿波羅號(hào)載人登月飛船的土星5號(hào)推力最大。土星5號(hào)為三級(jí)液體火箭，第一級(jí)總推力達(dá)3400噸，第二級(jí)真空總推力達(dá)521噸，第三級(jí)真空推力高達(dá)102噸，全箭長(zhǎng)110.6米，最大直徑10.1米，起飛重量2930噸，低軌道運(yùn)載能力為127噸，逃逸軌道運(yùn)載能力為48．8噸。從1967年9月到1972年7月，土星5號(hào)進(jìn)行了多次發(fā)射試驗(yàn)，其中有7次是載人登月飛行，先后將12名航天員送上月球。1973年5月14日，美國(guó)用土星5號(hào)火箭成功發(fā)射了試驗(yàn)性空間站——天空實(shí)驗(yàn)室，讓其在435千米的近圓軌道上運(yùn)行。同年又用土星5號(hào)火箭發(fā)射了3艘阿波羅號(hào)載人飛船先后與之對(duì)接。

自2001年8月以來(lái)，日本、美國(guó)、歐空局已陸續(xù)試驗(yàn)成功或?qū)嵱冒l(fā)射了H-2A、德爾塔4型、歐里安5改進(jìn)型火箭，并還要在此基礎(chǔ)上分別發(fā)展成為多種型號(hào)的系列型運(yùn)載火箭 ，其地球同步轉(zhuǎn)移軌道最高運(yùn)載能力將依次達(dá)到9.5噸、13.3噸、12噸。與此同時(shí)，我國(guó)也在研制新一代的名為長(zhǎng)征五號(hào)、長(zhǎng)征六號(hào)和長(zhǎng)征七號(hào)的運(yùn)載火箭，將形成高、低軌道火箭系列。其中，長(zhǎng)征五號(hào)火箭地球同步轉(zhuǎn)移軌道最高運(yùn)載能力將達(dá)到14噸，近地軌道最高運(yùn)載能力將達(dá)到25噸。這3種運(yùn)載火箭有望在未來(lái)5年實(shí)現(xiàn)首飛。

優(yōu)點(diǎn)突出的“冷火箭”

包括我國(guó)在內(nèi)的各國(guó)新一代大推力運(yùn)載火箭都是以液氫、液氧和煤油、液氧等液體為推進(jìn)劑的。由于液氫沸點(diǎn)為零下253℃，液氧沸點(diǎn)為零下183℃，其極低的溫度給生產(chǎn)、貯存、運(yùn)輸和使用帶來(lái)眾多技術(shù)難題，但因其單位質(zhì)量所產(chǎn)生的推力值即比沖較高，燃燒后的生成物是無(wú)毒無(wú)污染的水蒸氣，故被世界各國(guó)視為一種重要的推進(jìn)劑而采用，并將這種火箭稱為低溫高能運(yùn)載火箭，簡(jiǎn)稱為冷火箭。

“十二五”期間，我國(guó)還要開展重型運(yùn)載火箭的論證，其最大運(yùn)載能力要略高于土星5號(hào)火箭，將達(dá)130噸，以滿足后續(xù)載人登月、深空探測(cè)等發(fā)射任務(wù)的需求。研制重型火箭需要攻克大量先進(jìn)技術(shù)，例如大推力發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、大直徑箭體設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、高精度制導(dǎo)、低溫推進(jìn)劑在軌管理等技術(shù)。中、美、俄重型運(yùn)載火箭問(wèn)世之后，將成為世界上空前的推力最大的航天運(yùn)載工具，并形成三足鼎立的局面。

在1981年召開的國(guó)際宇宙航行聯(lián)合會(huì)第32屆大會(huì)上，陸地、海洋、大氣層和宇宙空間被分別定義為人類的第一、第二、第三和第四環(huán)境。顯而易見，人類的第四環(huán)境是地球稠密大氣層以外的廣袤無(wú)垠的區(qū)域，它是沒(méi)有上限的。展望未來(lái)，航天技術(shù)將隨著運(yùn)載火箭推力的提升而在第四環(huán)境中沖向更遠(yuǎn)、更遠(yuǎn)的太空。

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