帶你認(rèn)識(shí)運(yùn)載火箭

甄敏

運(yùn)載火箭是人類開展航天活動(dòng)使用的一種重要的運(yùn)輸工具，具有強(qiáng)大的推力。根據(jù)任務(wù)需要采用不同組合的運(yùn)載火箭，可以帶著衛(wèi)星、載人飛船、探測(cè)器和空間站突破地心引力的束縛，進(jìn)入各自的運(yùn)行軌道。

通常，運(yùn)載火箭的起飛重量達(dá)幾百噸。讓這么重的“大家伙”飛起來，并經(jīng)受住大氣層內(nèi)各種氣流的沖擊，還要精準(zhǔn)地送航天器進(jìn)入預(yù)定軌道可不是一件容易的事情。

火箭是怎么飛起來的？

我們做一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，如果把氣球吹鼓，然后放開出氣口，大家猜猜氣球會(huì)飛向哪個(gè)方向呢？答案是氣球會(huì)飛向出氣口排出氣體相反的方向。這就是作用力與反作用力原理，也就是牛頓第三定律?；鸺w行采用的就是這個(gè)原理。

舉個(gè)例子，使用液體推進(jìn)劑的火箭在發(fā)射時(shí)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料迅速燃燒并產(chǎn)生高溫燃?xì)?。大量的高溫燃?xì)饨?jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)尾部的噴管進(jìn)行膨脹加速，再以每秒1500到5000米的高速向著地面噴出，產(chǎn)生強(qiáng)大的反推力，就會(huì)將運(yùn)載火箭反推上天。之后，在高溫燃?xì)獾耐苿?dòng)下，火箭就可以沖出地球大氣層了。可見，運(yùn)載火箭是依靠發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的高溫燃?xì)馔屏︼w行的。

火箭的故鄉(xiāng)在中國(guó)？

據(jù)古籍記載，“火箭”一詞最早出現(xiàn)在三國(guó)時(shí)期，指的是前端點(diǎn)燃易燃物的普通箭，需要靠弓弩射出。這種火箭與現(xiàn)代靠噴氣推力飛行的運(yùn)載火箭原理上并不相同。后來，火藥出現(xiàn)了！它代替易燃物用在火箭上，但這些火箭仍然由弓弩射出。

中國(guó)歷史上真正稱得上火箭先祖的火箭出現(xiàn)于南宋孝宗年間，那時(shí)，它的名字叫作炮仗、煙火。不是開玩笑哦，這種火箭可是真正靠火藥燃燒產(chǎn)生噴氣推進(jìn)的。例如“起火”，就是利用火藥緩慢燃燒產(chǎn)生反作用力向前推進(jìn)，不僅戰(zhàn)時(shí)用作信號(hào)，平時(shí)還能用于慶祝喜事。

更有意思的是，“起火”之后，我國(guó)古代不僅出現(xiàn)了運(yùn)載火箭的雛形，甚至出現(xiàn)了原始的捆綁火箭、多級(jí)火箭和可回收火箭。

在明代茅元儀編著的《武備志》中記載著這樣一種火箭：在“起火”的前端加一個(gè)箭頭，尾端裝上箭羽。別看只是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的結(jié)構(gòu)，但它可是現(xiàn)代火箭的雛形——具備戰(zhàn)斗部（箭頭）、推進(jìn)系統(tǒng)（藥筒）、穩(wěn)定系統(tǒng)（尾羽）和箭體結(jié)構(gòu)（箭桿），是不是很厲害呢？

火箭“神火飛鴉”的“烏鴉”體內(nèi)裝滿火藥，鴉體下方裝著4支“起火”，像極了現(xiàn)代火箭捆綁的助推器。

明朝時(shí)期世界上最先進(jìn)的水戰(zhàn)武器“火龍出水”利用毛竹制成龍?bào)w，龍?bào)w內(nèi)裝著數(shù)枚火箭，龍?bào)w下方裝著4支“起火”。使用時(shí)，點(diǎn)燃龍?bào)w下方的“起火”，“火龍出水”會(huì)向前騰飛?！捌鸹稹钡幕鹚幦紵旰?，火龍龍?bào)w內(nèi)的火箭會(huì)自動(dòng)點(diǎn)燃，從龍口噴出。這樣依次點(diǎn)火飛行的方式也被運(yùn)用在了近代的多級(jí)火箭中。

我國(guó)古代火箭技術(shù)的發(fā)展時(shí)間早、技藝高，在世界上遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家。13世紀(jì)之后，火藥和火箭技術(shù)逐漸傳入歐洲，對(duì)后來西方的文明與進(jìn)步產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

火箭為什么都是細(xì)長(zhǎng)的？

古代火箭的樣子五花八門，但是現(xiàn)代火箭好像長(zhǎng)得差不多，都是細(xì)細(xì)長(zhǎng)長(zhǎng)的。為什么火箭的外形是這樣的呢？

火箭發(fā)射后，首先是在地球的大氣層內(nèi)飛行。在這個(gè)過程中，火箭的箭體會(huì)受到空氣氣流的一系列影響，比如會(huì)和空氣摩擦生熱等。這些影響左右著火箭的外形設(shè)計(jì)、飛行軌道設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。因此，為了保證飛行安全，滿足任務(wù)的需要，火箭對(duì)外形的設(shè)計(jì)要求很高。

早期，我國(guó)運(yùn)載火箭的外形是簡(jiǎn)單的椎柱段設(shè)計(jì)，后來由于要發(fā)射的衛(wèi)星、飛船、探測(cè)器等航天器的尺寸越來越大，對(duì)火箭的運(yùn)載能力的要求也越來越高，發(fā)展出了外形和特性都比較復(fù)雜的大鈍錐頭設(shè)計(jì)和捆綁助推外形。為了進(jìn)一步減輕飛行的阻力，我國(guó)新一代運(yùn)載火箭長(zhǎng)征五號(hào)、長(zhǎng)征七號(hào)等的整流罩還采用了馮·卡門曲線外形，形狀像水滴，流線型更好。

我國(guó)有哪些運(yùn)載火箭？

1970年4月24日，我國(guó)第一個(gè)運(yùn)載火箭長(zhǎng)征一號(hào)成功托舉東方紅一號(hào)衛(wèi)星發(fā)射升空并順利進(jìn)入預(yù)定軌道，從此，中國(guó)成為世界上第五個(gè)用自制火箭成功發(fā)射本國(guó)衛(wèi)星的國(guó)家。之后經(jīng)過五十多年的發(fā)展，形成了包括約20個(gè)火箭型號(hào)的長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭。

長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭具備了發(fā)射低、中、高不同地球軌道、不同類型衛(wèi)星及載人飛船的能力，具備發(fā)射無人深空探測(cè)器的能力。目前，長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭能夠向距離地面2000千米以內(nèi)的低地球軌道發(fā)射25噸的航天器，向太陽同步軌道發(fā)射5噸的航天器，向地球同步轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射14噸的航天器，入軌精度處于國(guó)際先進(jìn)水平，能夠滿足不同任務(wù)的多種需求。截至2021年9月20日，長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭已發(fā)射389次。

在所有長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭中，想必大家最熟悉的就是長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭了。畢竟，天問一號(hào)火星探測(cè)器、嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器都是由它送入太空的，是發(fā)射火星探測(cè)器和月球探測(cè)器的一把好手！

長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭身高57米，相當(dāng)于20層樓的高度。芯級(jí)直徑5米，比長(zhǎng)征系列火箭的其他型號(hào)大了將近一半，因此外形上“胖得可愛”，被大家親切地稱為“胖五”。

不僅外形可愛，長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力還十分強(qiáng)大，能夠向近地軌道發(fā)射25噸的航天器，向地球同步轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射14噸的航天器，使長(zhǎng)征系列火箭家族的運(yùn)載能力有了大幅提升。它的成功研制是中國(guó)航天由航天大國(guó)邁向航天強(qiáng)國(guó)的關(guān)鍵一步。

作為我國(guó)的新一代運(yùn)載火箭，長(zhǎng)征五號(hào)芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是液氫液氧燃料，助推器采用的是液氧煤油燃料，全箭無毒無污染，滿足綠色、環(huán)保的需要。由于燃料中液氫和液氧的溫度都在零下兩百度左右，因此，長(zhǎng)征五號(hào)還被稱為“冰箭”。

去年，“胖五”家族又添新成員，它就是長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭，主要用于發(fā)射近地軌道的大型衛(wèi)星和飛船，今年升空的空間站天和核心艙就是由長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭發(fā)射的。它擁有我國(guó)目前最大的火箭整流罩，長(zhǎng)度達(dá)到了20.5米，比長(zhǎng)征五號(hào)12.5米的整流罩還大不少。

明年，“胖五”家族還將發(fā)射中國(guó)空間站工程的問天、夢(mèng)天兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙。期待它們能夠穩(wěn)定發(fā)揮，發(fā)射成功，助力我們邁向星辰大海的腳步！

運(yùn)載火箭就像蠟燭一樣，燃燒自己把探測(cè)器送到更高更遠(yuǎn)的太空中。我們千千萬萬的航天科研工作者也是以這樣的犧牲精神、奉獻(xiàn)精神從事航天工作的，讓我們向運(yùn)載火箭和航天工作者致敬！

（責(zé)任編輯 高博）