文/杜駿豪 圖/劉澤鑫
俗話說“內(nèi)行看門道”,當我們評價一款火箭厲不厲害時,主要看哪些指標呢?除了一眼能看到的外形與大小,我們更應該關注它的運載能力。
◎多級火箭示意圖
火箭的工作就是要把有效載荷發(fā)射到太空中去,所以它的運載能力越強,它的舞臺就越廣闊。提升火箭運載能力的辦法有很多,比如使用推力更大的發(fā)動機,可這對發(fā)動機技術的要求非常高,且實現(xiàn)難度大,成本高。與此相比,還有個更省時省力的辦法,那便是給一枚光桿火箭“綁”上幾枚小火箭——火箭的助推器。
1903 年,現(xiàn)代航天和火箭理論的奠基人齊奧爾科夫斯基發(fā)表了一篇開創(chuàng)性的論文《利用火箭探索外層空間》,而54 年后,人類的首顆衛(wèi)星才發(fā)射上天。齊奧爾科夫斯基預見性地提出了多級火箭、助推器等概念。
多級火箭就是把一級級火箭串聯(lián)起來,第一級燃燒殆盡后立即與其他火箭分離、墜落,而后由第二級接力燃燒,以此類推,最終將有效載荷送入軌道。而助推器則是把多枚火箭并聯(lián)起來,同時燃燒,提高同一時間內(nèi)火箭的推力。一般來說助推器會先燃燒完畢,分離、墜落,而后由中間的芯級火箭繼續(xù)推進。
考考你
“人類的首顆衛(wèi)星”是1957 年發(fā)射的哪顆衛(wèi)星呢?
現(xiàn)代火箭的雛形是德國的V-2 導彈。它只有一級火箭。在二戰(zhàn)后,V-2 導彈的技術分別被美國、蘇聯(lián)繼承。為了提高運載能力,美國先走了多級火箭的發(fā)展路線,為V-2導彈串聯(lián)上第二級火箭,而蘇聯(lián)同時發(fā)展了多級火箭與助推器。
◎美國早期的RTV-G-4火箭,相比V-2導彈,它串聯(lián)了第二級火箭
助推器發(fā)展了幾十年,歷史上都有些什么特別的帶助推器的火箭呢?讓我們一起來看看吧。
美國的德爾塔-Ⅱ型和德爾塔-Ⅲ型運載火箭最多可以捆綁9 枚固體助推器,是世界上可捆綁助推器最多的火箭。當然,根據(jù)任務的不同,它也可以選擇捆綁3 枚或4 枚助推器。這款火箭總共發(fā)射了155次,其中成功153次,目前已經(jīng)退役。它曾把勇氣號與機遇號火星車、開普勒太空望遠鏡等著名航天器發(fā)射升空。
◎分別捆綁4枚助推器與9枚助推器的德爾塔-Ⅱ型火箭
知識鏈接
根據(jù)燃料性質的不同,火箭的助推器可分為液體助推器和固體助推器。液體助推器可以在必要時切斷推進劑供應來緊急停止。固體助推器設計簡單,生產(chǎn)和測試也更容易,推力更大,不需要制冷隔熱設備,但是整體造價相對較高,而且因點燃后很難在燃料耗盡前停下,對于航天器發(fā)射來說存在風險。
美國的宇宙神-Ⅴ運載火箭可攜帶1~5 枚固體助推器,覆蓋8.2~18.8 噸的近地軌道運力、4.75~8.9 噸的地球同步轉移軌道運力。
這款火箭是“令強迫癥患者發(fā)狂的杰作”:其他火箭的助推器幾乎都在芯級火箭周圍平均分布,而宇宙神-Ⅴ火箭不論攜帶幾枚助推器,總是不對稱的。最令人叫絕的是只攜帶1 枚助推器的構型,它可以通過調(diào)控芯級火箭和助推器的矢量方向來平衡推力。
中國長征三號系列火箭是中國目前唯一一款可調(diào)節(jié)助推器數(shù)量的運載火箭?;鸺焕壷破鲿r,被稱作長征三號甲(CZ-3A),捆綁2 枚、4 枚助推器時分別被稱作長征三號丙(CZ-3C)、長征三號乙(CZ-3B)。為什么2、4 對應的是丙、乙而不是乙、丙呢?是因為長征三號的乙型比丙型研制時間更早。
◎沒有助推器、有4枚助推器、有2枚助推器的長征三號甲、乙、丙
為了進一步降低火箭設計的復雜度,提高零件的通用性,有些火箭的助推器與芯級火箭是通用的,這被稱作通用助推器核心(Common Booster Core,簡稱CBC)型火箭。
美國德爾塔-Ⅳ重型運載火箭是世界上第一款采取CBC型的火箭,助推器與芯級的設計是一致的,每枚助推器只需要使用一臺RS-68 液氫液氧發(fā)動機,就可以達到28 噸的近地軌道運力。
美國商業(yè)航天公司SpaceX 的重型獵鷹運載火箭是由3 枚獵鷹9 號運載火箭組裝而來。每一枚獵鷹9 號使用了多達9 臺梅林-1D 液氧煤油發(fā)動機。這樣設計的好處是即使有某臺發(fā)動機在發(fā)射時失效,火箭整體的推力也不會受太大影響。值得一提的是,重型獵鷹的3 枚火箭都具有重復使用能力。
俄羅斯最新一代運載火箭安加拉-A5 是另一款很有特點的CBC 型火箭。除了芯級外,捆綁了4 枚與芯級一致的助推器,每臺助推器都由單個RD-191 液氧煤油發(fā)動機推進,力量感十足。未來,我們還有機會看到帶有6 枚通用助推器的安加拉-A7 火箭。
中國的新一代載人運載火箭也采取了CBC 型的設計,每枚助推器都有7 部YF-100K液氧煤油發(fā)動機,近地軌道運力將達到70 噸。未來幾年我們將看到這一大國重器飛上云霄,實現(xiàn)中國人載人登月的夢想,讓我們拭目以待!
◎俄羅斯安加拉-A5運載火箭