運載火箭沖破蒼穹之道

趙家樂

當黎明劃過拂曉，一場緊張的“戰(zhàn)斗”已然開始。高大的發(fā)射塔架，環(huán)抱著乳白色的巨型運載火箭，聳立在發(fā)射場上。各個專業(yè)的工作人員認真完成著最后的發(fā)射準備工作，滿懷激情地等待發(fā)射時刻。在地下的控制中心，指揮員緊緊盯著電子時鐘，準備著發(fā)射命令的下達?！叭?、二、一，點火?！卑殡S著引擎連綿不絕的咆哮聲，火箭如離弦之箭，拔地而起，直擊蒼穹。

合抱之木，生于毫末;九層之臺，起于壘土;千里之行，始于足下。作為航天事業(yè)的主力軍——運載火箭，是如何練就沖破蒼穹的這一身本領的？或許我們可以從火箭設計制造的思路上找到答案。

為何設計成多級火箭

火箭，作為航天運載器的動力所在，是航天器沖破云霄的核心結構?；厮葸\載火箭的發(fā)展歷史，其鼻祖正是二戰(zhàn)時期大名鼎鼎的V2火箭，可見與彈道導彈師出同門。但是為何經(jīng)過多年的發(fā)展，不論是航天事業(yè)的運載火箭還是軍事領域的彈道導彈，都會不約而同棄單級火箭而向多級火箭發(fā)展？其實，這個問題的答案十分簡單，因為單級火箭已經(jīng)無法滿足航天事業(yè)或者軍事任務的需要。根據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示，目前最先進的單級火箭也只能到達6千米/秒的最大速度，而人類突破地球的束縛卻需要突破7.91千米/秒的第一宇宙速度。那么，何為第一宇宙速度？它是指航天器的最小發(fā)射速度，同時也是航天器的最大環(huán)繞速度，即當火箭發(fā)射的速度到達第一宇宙速度時，火箭將不會再落回地面，而將環(huán)繞地球作圓周飛行。顯而易見，無論是太空領域，還是軍事領域，目前的技術水平，單級火箭均無法滿足其任務需求。于是乎，人類航天事業(yè)不得不另辟蹊徑。

如同遼闊的海洋無法阻擋人類探索的步伐一樣，如今的太空也阻攔不了人類飛天的夢想。為了征服蒼穹，多級火箭應運而生。多級火箭是在單級火箭的基礎上，通過串聯(lián)、并聯(lián)或者串并聯(lián)的方式拼接而成的，也就是憑借火箭接力的方式實現(xiàn)突破。那么，多級火箭與單級火箭相比都有哪些優(yōu)勢呢？

首先，多級火箭可以對每層級工作結束后的多余質量進行拋棄。俄國科學家齊奧爾科夫斯基提出了一個單級火箭的理想速度公式，即火箭推進劑質量和火箭結構質量之和與火箭結構質量之比的數(shù)值呈非線性增加。簡而言之，就是當火箭推進劑越多時，火箭的質量也會隨之增大，火箭的速度也會隨之提高。但當火箭燃料無限增多時，火箭質量也會無限增大，但是它對火箭速度的變化卻毫無影響。所以，要想在目前的技術條件下克服火箭提速的極限，只能通過多級火箭接替進行點火的方式，并不斷對燃燒完畢的多余火箭進行拋棄，來獲得火箭速度的不斷提升。

其次，多級火箭的每一層級火箭均可處在最佳的工作狀態(tài)。單級火箭發(fā)射時，其推力遠大于自重，導致結構中的每一個部件都處在極限工作狀態(tài)，并且所有的部件功能處于串聯(lián)相關。一旦諸多結構中出現(xiàn)任何一個微小問題，都會導致整個火箭發(fā)射失敗。而多級火箭則成功規(guī)避了此類問題，因為其每一層級結構均為獨立工作，并且可以根據(jù)不同層級的火箭所處外界條件的不同進行特殊設計，使其工作在最佳狀態(tài)。

最后，多級火箭的工作狀態(tài)更為靈活。由于單級火箭只有一級推進裝置，所以其發(fā)動機推進時間和動力大小的調節(jié)范圍十分有限。而多級火箭卻因為裝備多具推進器，可以通過對不同推進器進行“個性”調節(jié)，使其適應不同發(fā)射任務的不同軌道和過載要求。

為何航天青睞液體燃料

燃料作為發(fā)動機的生命源泉，既是運載火箭的動力所依，又是穩(wěn)定飛行的根本保證。目前運載火箭發(fā)動機的推進劑主要采用液體和固體兩種燃料。然而，相較于液體燃料的諸多問題，固體燃料顯現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。例如，固體燃料的結構穩(wěn)定、儲存方便，并且推進劑密度較大。在燃料的選擇上面，作為運載火箭的“同門師兄”彈道導彈，就十分鐘情于固體燃料。

液體火箭結構

究其原因，彈道導彈作為國家級戰(zhàn)略武器，擔負著威懾與反擊的重要使命，所以必須具備靈活機動、快速反應的作戰(zhàn)能力。而固體燃料的諸多特點正好滿足了彈道導彈的作戰(zhàn)需要：穩(wěn)定的結構可以大幅降低安全事故發(fā)生的概率，使其可以長期肩負戰(zhàn)備任務;方便的儲存方式避免了臨時裝料的忙亂，使其具備快速反應的能力。同時，又大幅減少了日常維護費用;高密度的推進劑提供了強勁的加速度，讓其可以高速突防，不易攔截。然而，具備諸多優(yōu)點的固體燃料，卻并不適用于航天飛行。

不同于彈道導彈鐘情于固體燃料，運載火箭更加青睞于液體燃料。其原因在于：

首先，在和平時期執(zhí)行發(fā)射任務的運載火箭無需縮短裝料時間。固體燃料的快捷在于其可以提前裝填，但是裝填過后會直接導致整體結構無法改變，不能進行二次裝料。這就使燃料數(shù)量難以更改，致使發(fā)動機工作時間相對固定，無法滿足航天任務多樣化的需求。

其次，液體燃料更易于運載器進行飛行姿態(tài)的修正。雖然固體燃料具有可機動發(fā)射、操作簡單、發(fā)射速度快的特點，但是固體燃料火箭一旦點火，將無法改變其發(fā)動機的輸出功率。而液體燃料火箭卻可以根據(jù)不同發(fā)射任務的需要，在發(fā)射前進行燃料的添加，飛行過程中又可以進行多次關機與點火，這就十分有利于運載器進行飛行姿態(tài)的修正。

最后，液體燃料的推進力遠大于固體燃料。為了將更大、更重的有效載荷送上太空，自然需要擁有更大推力的火箭。從實驗情況看，當前固體燃料推進劑的海平面比沖為2600米/秒，但是液體燃料的海平面比沖卻高達2800米/秒。

為何航天材料要求更高

航空航天材料包括飛行器及其動力裝置、附件、儀表所用的各類材料，它們宛如組成人體的成千上萬的基本細胞，其技術水準與航空航天技術的發(fā)展密切相關。同時，航空航天材料也是材料學中一個富有挑戰(zhàn)性的重要分支。作為要飛上云霄的航空航天技術，其材料應具備優(yōu)良的耐高（低）溫性、耐老化性和耐腐蝕性，并且能夠極好地適應空間環(huán)境的變化。但在相同的性能特點上，航天材料卻更勝一籌。根據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示，目前飛機蒙皮需要承受的溫度高達1000℃，其發(fā)動機工作溫度更是高達2000℃。但是與火箭發(fā)動機所承受的3000℃～4000℃的高溫相比，只能算小巫見大巫了。那么，為何航天材料的性能要求更為嚴苛？這是因為航空材料與航天材料雖然同為特種材料，但是航天材料的工作環(huán)境卻遠遠劣于前者。

首先，運載火箭的飛行高度對其材料提出了嚴格要求。目前，世界上航空飛機的最高升限紀錄是北美航空公司研制的X-15A試驗機創(chuàng)造的10.8萬千米。但是相較于完成航天運載器最低任務標準的20千米亞軌道飛行來說，航空飛機的最高升限真的不值一提。

其次，高超音速的飛行使得航天材料必須更加耐受磨損和腐蝕。據(jù)航天工作人員稱：“發(fā)射高度為500千米的太陽同步衛(wèi)星，火箭入軌速度需要達到7.6千米/秒;發(fā)射地球同步衛(wèi)星，火箭入軌速度需要到達10.1千米/秒;而將火箭發(fā)射至地月轉移軌道，則需要達到10.8千米/秒。”與火箭的入軌速度相比，航空飛機的飛行速度就如與獵豹進行賽跑的烏龜。一般來說，普通民航客機的飛行速度為55.5米/秒到83.3米/秒，戰(zhàn)斗機的飛行速度通常為277.7米/秒左右。即便是世界上速度最快的SR-71“黑鳥”高空偵察機，其飛行速度也只能達到1020.9米/秒到1361.2米/秒。因此，不得不對航天材料提出更高的性能要求。

最后，空間環(huán)境的特殊性也對其提出了更高的性能要求。相較于航空飛機在大氣內的飛行，航天器在太空環(huán)境中會受到高真空和宇宙射線輻照的影響。金屬材料在高真空環(huán)境下相互接觸，其表面被高真空環(huán)境所凈化，會導致分子擴散過程加速，出現(xiàn)“冷焊”現(xiàn)象;而非金屬材料在高真空與宇宙射線輻照的共同作用下會加速揮發(fā)和老化;甚至在光學鏡頭上也會因揮發(fā)物堆積而被污染;航天器的密封結構也會因為材料加速老化而失效。所以，航天材料作為一種處于特殊環(huán)境中的特種材料，通常要經(jīng)過嚴格的地面模擬試驗來選擇和優(yōu)化，以求能夠更好地適應空間環(huán)境對航天器的影響。

名詞卡片：

比沖：或稱比沖量，是用于衡量火箭或飛機發(fā)動機效率的重要物理參數(shù)。其定義為單位推進劑的量所產生的沖量。

液體火箭發(fā)動機工作原理圖