航天之夢與現(xiàn)代火箭

讓我們做一個小實驗：將一只吸管插入氣球口，用細線把其扎緊，用氣筒通過吸管給氣球打足氣。用手堵住吸管，讓吸管口朝下，然后放手，會發(fā)現(xiàn)氣球“哧”的一聲，沿直線迅速豎直上升。這個實驗能夠很好地說明什么呢?反沖運動!注意，實驗時選用的氣球要稍大一些，吸管要稍長一些，有利于氣球沿直線上升。

中國是火箭的故鄉(xiāng)

你認真觀察一下，就知道反沖運動是一種常見的現(xiàn)象，也是非常重要的一種運動，比如炮彈從炮筒飛出，節(jié)日放煙花“鉆天猴”，它們的共同特點是，當一個物體向某一方向射出(或拋出)它的一部分時，這個物體的剩余部分將向相反方向運動，這就是反沖運動。在拋射的短暫時間內(nèi)，物體在沒有外力作用時，反沖運動中總動量是守恒的。這種知識比較復雜，我們到了高中就會學到。

反沖運動對于我們非常重要，火箭工作就運用了反沖運動。

中國是火箭的故鄉(xiāng)?！盎鸺边@個詞在三國時代就出現(xiàn)了。那時火箭的含義比較廣泛，比如在影視劇中經(jīng)常可以看到箭頭點燃?？抗蟀l(fā)射的竹箭也稱為火箭。真正的火箭是在火藥出現(xiàn)后才發(fā)明的。從唐末到宋初火藥武器開始使用，隨著火藥配方和制造技術的進步，人們開始制造火器。這種火器作為武器使用具有相當?shù)臍?，所以在?zhàn)爭中頻繁使用，火箭一詞即由此而來。火箭技術在13世紀傳人阿拉伯國家后，又逐漸傳人歐洲，由此他們先后掌握了火箭技術。

現(xiàn)代火箭的基本結構

現(xiàn)代火箭的基本組成部分有推進系統(tǒng)、箭體結構和有效載荷，有控火箭還裝有制導和控制系統(tǒng)。推進系統(tǒng)是火箭飛行的動力源。固體火箭的推進系統(tǒng)就是固體火箭發(fā)動機。液體火箭的推進系統(tǒng)包括發(fā)動機、推進劑貯箱和增壓系統(tǒng)。

你看。火箭噴出的高速氣體給予火箭本體一個反作用力，這就是推力，火箭的速度與發(fā)動機的噴氣速度成正比。在飛行過程中，隨著推進劑的消耗，火箭的質(zhì)量不斷減小，速度不斷增大。這里有一個問題：即使使用性能最好的液氫液氧推進劑，發(fā)動機的噴氣速度也只能達到4.4km/s，而航天器進入太空至少需要達到第一宇宙速度——7.9km/s。因此，單級火箭是不可能把物體送入太空軌道的，怎么辦呢?必須采用多級火箭。現(xiàn)在一般是采取三級火箭，以接力的方式將航天器送入太空軌道。

20世紀40年代以來，火箭得到了飛速發(fā)展和廣泛應用。火箭的結構日益龐大，系統(tǒng)越來越復雜，精度不斷提高?，F(xiàn)代火箭將進一步向可靠性高、經(jīng)濟性好和多次使用的方向發(fā)展。

圓航天之夢必須使用火箭

航空與航天的概念不同，不論飛機、氣球、風箏還是飛艇都需要依靠空氣。而航天之夢的實現(xiàn)必須依靠現(xiàn)代火箭?，F(xiàn)代火箭不但能在空氣中飛行，還可以在真空中飛行，而且由于沒有了空氣阻力，飛行性能更好。人們逐漸認識到要想進入太空，只有借助于“噴風吐火”推進的火箭。

火箭是目前唯一能使物體達到宇宙速度、克服地球引力進入宇宙空間的運載工具?；鸺乃俣仁怯苫鸺l(fā)動機工作獲得的?；鸺倪\動服從牛頓運動定律。火箭噴出的高速氣體給予火箭本體一個反作用力，即推力。在飛行過程中，隨著推進劑的消耗，火箭的質(zhì)量不斷減小，速度不斷增大。

航天運載火箭的質(zhì)量，已由早期的幾噸提高到近3000t。世界上威力最強太的火箭，是美國用來運載阿波羅登月飛船的“土星5號”，直徑有10m，總高將近100m，豎在地面上竟有上海的國際飯店那么高!起飛時的總質(zhì)量超過3000t，相當于一列滿載的火車。它上面的部件多達200多萬個。

航天飛機的誕生，則是人類在空間探索中取得的歷史性勝利，是現(xiàn)代科學技術的結晶!它同時具有運載火箭、宇宙飛船和普通飛機三種飛行器的性能。因為它主體部分的樣子像飛機，被稱為航天飛機。第一架航天飛機是“哥倫比亞”號，它長約56m，高23m，自重就有70t，機身有駕駛艙和大貨艙，裝有30t貨物，機身下掛有巨型燃料箱，里面裝有700t液態(tài)氫氧燃料，還有兩個助推火箭，起飛時的總重量達2000t。由于航天飛機成本實在太高，又發(fā)生過幾次事故，因此將于2010年退役?？茖W家正在研制新型航天運載火箭。

2009年10月28日，美國“戰(zhàn)神1-X”火箭(如右圖)點火升空。這是美國首次對下一代運載火箭進行飛行測試，主要任務是收集飛行數(shù)據(jù)，是為代替航天飛機而開發(fā)的新一代載人火箭?！皯?zhàn)神1”火箭將為成美國重返月球的航天器之一。

我國先進的火箭技術

我國的現(xiàn)代火箭技術發(fā)展很快，已先后研制成功12種“長征”系列和1種“風暴一號”運載火箭。這些火箭分別從酒泉、西昌、太原三個發(fā)射中心起飛，“長征”系列運載火箭從1970年4月24日成功發(fā)射我國第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號”后，迄今共執(zhí)行了100多次發(fā)射任務，多次將“神舟”號宇宙飛船送入太空軌道運行。2007年10月24日“長征三號甲”火箭還把“嫦娥一號”探月衛(wèi)星送上了預定軌道。成為我國航天事業(yè)發(fā)展史上又一個里程碑，也使我國成為繼美、俄、歐之后，世界上第四個主力品牌火箭航天發(fā)射超過百次的國家。

我國運載火箭的發(fā)展突飛猛進，“長征三號甲”運載火箭被譽為“長征”系列家族中的“常勝將軍”?！伴L征三號乙”火箭既可一箭一星發(fā)射，也可一星雙星或一箭多星發(fā)射?！伴L征三號乙”全箭長54.838m。助推器直徑2.25m，一、二級直徑3.35m，三級直徑3m。起飛質(zhì)量約為426t，是真正的“龐然大物”。

2007年10月30日，中國新一代運載火箭產(chǎn)業(yè)化基地在天津開工建設。新一代運載火箭也稱新型大推力運載火箭，其型號命名為“長征五號”系列。它具有三個明顯的特點：一是推力大，能滿足發(fā)射不同用途的大型衛(wèi)星、宇宙飛船和空間站的需要。能夠承擔國內(nèi)外新型航天器的發(fā)射任務；二是無污染，新一代運載火箭是“綠色”產(chǎn)品；三是成本低，在高可靠性的基礎上，努力降低制造成本。

當新一代運載火箭實施點火騰空時，那將標志著我國和平開發(fā)利用空間資源的能力邁上了一個新的臺階。

責任編輯 程 哲