第二節(jié)　運載火箭

地球是人類的搖籃，但是人類不會永遠(yuǎn)生活在搖籃里，開始他們將小心翼翼地穿出大氣層，然后去征服太陽系。

——齊奧爾科夫斯基（俄國）

地球是人類的搖籃，我們不會永遠(yuǎn)停留在搖籃里。為了追求光明和探索空間，開始要小心翼翼地飛出大氣層，然后再征服太陽周圍的整個空間。1957年10月4日，前蘇聯(lián)發(fā)射了人類第一顆人造衛(wèi)星“史普尼克”。幾個月后，1958年1月31日，美國也成功的發(fā)射了人造地球衛(wèi)星“探險者”1號。1961年4月12日，蘇聯(lián)成功地發(fā)射了世界上第一個載人宇宙飛船，加加林成為世界上第一名宇航員。此后，美國人格倫也乘飛船完成了繞地球軌道的飛行。這些重大的宇宙飛行都是以火箭技術(shù)的發(fā)展為前提的?；鸺侨祟愖呦蛱盏臉蛄?。

（一）實現(xiàn)空間飛行條件

7.9×10³米每秒（第一宇宙速度），是航天器成為人造地球衛(wèi)星的最起碼的速度，所以叫第一宇宙速度，又叫環(huán)繞速度。當(dāng)初速度達(dá)到11.2×10³米每秒（第二宇宙速度）時，航天器就可以飛到∞處。當(dāng)航天器離地心的距離趨向于∞時，地球?qū)教炱鞯囊珊雎?，這時航天器實際上已脫離地球的影響成為太陽系的人造衛(wèi)星了。如果航天器以16.7×10³米每秒（第三宇宙的速度）速度離開地面時，它不但可以脫離地球的束縛，而且可以逃逸太陽的束縛，成為銀河系中的一顆人造天體。航天器要具有足夠的能量（運行時的機械能E＝GMm/2r，M為地球的質(zhì)量，m為航天器的質(zhì)量，r航天器離地心的距離）才能成為人造天體，它的實際運行軌道與它和運載火箭分離后具有的速度有關(guān)。

圖11-7　齊奧爾科夫斯基

（二）航天之父——齊奧爾科夫斯基

讓火箭飛向太空探測宇宙，是“火箭之父”——俄國和前蘇聯(lián)科學(xué)家齊奧爾科夫斯基（Ziolkovsky，1857～1935年）最先提出來的。1903年齊奧爾科夫斯基提出火箭公式V＝VplnM0/M（V為終速，Vp噴氣速度，M0為原始質(zhì)量，M為所剩質(zhì)量）計算表明，用液氧、煤油等作推進(jìn)劑的單級火箭是無法達(dá)到宇宙速度的。即使用液氫液氧作推進(jìn)劑，噴氣速度也只能達(dá)到4.2千米/秒，因為考慮到空氣阻力，從地面起飛的火箭，實際上應(yīng)達(dá)到9.5千米/秒以上的速度。這樣一來，火箭的質(zhì)量比應(yīng)達(dá)到11以上才行。

也就是說，推進(jìn)劑應(yīng)占火箭總質(zhì)量的91%以上，齊奧爾科夫斯基設(shè)想用多級火箭接力的辦法來達(dá)到宇宙速度，就是在火箭垂直發(fā)射時，讓最下面一級先工作，完成任務(wù)后脫離，接著啟動上面一級，進(jìn)一步提高速度。

在經(jīng)過一系列數(shù)學(xué)運算以后，他又指出，對于使用硝酸和肼類推進(jìn)劑的火箭來說，要使最后速度達(dá)到第一宇宙速度7.9千米/秒，火箭的質(zhì)量比應(yīng)等于23.5。也就是說，總重量為100噸的火箭，要有96噸是推進(jìn)劑。若加上地球引力因素，則要求的質(zhì)量比應(yīng)更大。

由此可見，分級火箭有利于提高火箭的最終速度。

當(dāng)然，火箭的級數(shù)不可能無限制地增加，因為對下面一級火箭來說，前面的各級火箭都是它的有效載荷。理論計算和實踐經(jīng)驗表明，每增加1份有效載荷，火箭需要增加10份以上的質(zhì)量來承受，隨著火箭級數(shù)的增加，使最下面的一級和隨后的幾級變得越來越龐大，以至于無法起飛。多級火箭一般不超過4級。

（三）現(xiàn)代的火箭結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代的火箭是一種擁有極其復(fù)雜構(gòu)造的運載工具。主要由箭體結(jié)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)三大部分組成。它一般包括推進(jìn)劑及其貯箱、動力裝置、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和有效負(fù)載（衛(wèi)星或航天飛船）等部分。

（1）箭體結(jié)構(gòu)

它是安裝與連接有效載荷（衛(wèi)星、宇宙飛船）、儀器設(shè)備和動力裝置等。有效載荷裝在儀器有效載荷艙上面，外面有整流罩，在火箭飛出大氣層后，整流罩即拋掉。分離系統(tǒng)是用來分離火箭的整流罩及已失去效用的部分裝置?；鸺\載的衛(wèi)星或宇宙飛船都安置在火箭的頭部。當(dāng)火箭在穿越稠密大氣層時，由于迎面氣流的猛烈沖擊和摩擦，不但阻力很大，而且使火箭頭部溫度很快升高。為了減少阻力，保護(hù)衛(wèi)生等設(shè)備，就要為火箭頭部安上一個流線型、耐高溫的罩子，稱為整流罩。到了約120千米的高空，空氣已很稀薄，整流罩失去意義，為了減輕火箭的負(fù)擔(dān)，就需要將它們分離、拋棄。還有，火箭常常分幾級，那些燃料用完的部分也需要逐級分離、拋棄。為了增大運載能力，大部分運載火箭的第一級捆綁有助推火箭，數(shù)量根據(jù)需要而定。美國的“德爾塔”、法國的“阿里亞娜”和中國的“長征-2E”，都是捆綁式火箭。

圖11-8　CZ-3A運載火箭結(jié)構(gòu)

（2）推進(jìn)系統(tǒng)

推進(jìn)系統(tǒng)由發(fā)動機和推動劑輸送系統(tǒng)組成。在整個火箭中，推進(jìn)劑及其貯箱常常占據(jù)了火箭整體的很大一部分。正是由于推進(jìn)劑燃燒后產(chǎn)生的高溫高速氣流從尾部噴出，火箭才能前進(jìn)。常用的火箭推進(jìn)劑有固體與液體兩種。固體推進(jìn)劑起源較早，動力裝置比較簡單，能瞬時發(fā)射，常用于軍事導(dǎo)彈中，液體推進(jìn)劑燃燒的能量較高，且易于調(diào)節(jié)與控制，多用在航天火箭上。最理想的推進(jìn)劑由液氫和液氧組成。因液氫相對密度小，占據(jù)的體積比同樣質(zhì)量的水大14倍，故它的貯箱容積較大。另外，液氫和液氧的溫度都很低，液氧在-183℃以下，液氫在-253℃以下。這樣低的溫度會使許多材料發(fā)生脆化。還有，混雜在液氫中的其他液體或氣體雜質(zhì)幾乎都會結(jié)冰，堵塞管道。這些缺點給貯箱與管道的制造與使用提出了十分苛刻的技術(shù)難題。推進(jìn)劑輸送系統(tǒng)的作用猶如人的血管，使液體推進(jìn)劑在發(fā)動機的渦輪泵入口處具有一定壓力，渦輪泵能保持較高的效率工作。運載火箭一般采用液體推進(jìn)劑，第一、二級多用液氧、煤油、四氧化二氮或偏二甲肼；末級用液氧、液氫高能推進(jìn)，這種低溫液體火箭技術(shù)比較復(fù)雜，目前只有美國、俄羅斯、法國、中國和日本等少數(shù)國家掌握。助推火箭多采用固體推進(jìn)劑，也有用液體推進(jìn)劑的。火箭的另一重要部件，便是裝在火箭末端的火箭發(fā)動機，推進(jìn)劑就是在這里燃燒，并通過它那像鐘形的噴口向外噴射高速氣流的。一枚火箭帶有幾個發(fā)動機協(xié)同工作。如運送“阿波羅”飛船登月的“土星5”號火箭，就有5個發(fā)動機，每個發(fā)動機能產(chǎn)生692.8噸力的推力，其總推力為3464噸力。發(fā)動機高為5.4米，其連續(xù)貯箱的燃料供應(yīng)管，可容一人在里面爬行。

（3）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由慣性器件、中間交換裝置、執(zhí)行機構(gòu)及電源配電系統(tǒng)組成。慣性器件有陀螺儀、加速度表等，用于測量火箭的加速度，并把數(shù)據(jù)傳輸給由數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置?；鸺臻g的飛行的特點是速度快、路途遠(yuǎn)。發(fā)射時差之毫厘，就會失之千里，所以必須要有精確的制導(dǎo)系統(tǒng)。制導(dǎo)系統(tǒng)主要由電子計算機、慣性測量器件及相應(yīng)的執(zhí)行部件等組成。電子計算機好像是火箭的大腦，而慣性元件則是火箭的感覺器官。在飛行中，慣性元件不斷提供火箭在各個運動方向的加速度等狀態(tài)數(shù)據(jù)，計算機便根據(jù)這些數(shù)據(jù)算出火箭在某一時間的位置與速度，并與預(yù)設(shè)的要求進(jìn)行比較，得出差值，然后據(jù)此發(fā)出一系列指令，由執(zhí)行部件依照指令進(jìn)行修正，以保持正確的飛行狀態(tài)。

電源設(shè)備用來對火箭供電。目前大多用化學(xué)電池，也有用太陽能電池或核電源。

火箭上還要裝備通信設(shè)施，以便與地面聯(lián)絡(luò)。

按不同飛行任務(wù)，運載火箭分三類：①攜帶儀器射向高空進(jìn)行大氣測量的運載火箭，稱為探空火箭；②攜帶各種彈頭打擊敵方目標(biāo)的運載火箭，稱為彈道式導(dǎo)彈；③把衛(wèi)星或飛船送上軌道的運載火箭，稱為衛(wèi)星（飛船）運載器。

進(jìn)一步了解火箭的有關(guān)知識，請登陸：

http://www.bjkp.gov.cn/gkjqy/smkx/index.htm

【思考題】

1.實現(xiàn)空間飛行的條件是什么？

2.簡述現(xiàn)代火箭的基本結(jié)構(gòu)。