推力巨大的現代火箭

尹懷勤

自從1957年10月4日世界上第一顆人造地球衛星升空以來，航天技術得到了突飛猛進的發展，鑄就了一系列的太空輝煌。舉世公認，航天是自20世紀中葉以來人類認識和改造自然進程中最活躍，最有影響的科學技術領域，也是人類文明高度發展的重要標志。

航天技術的特點是飛行器必須依靠本身具有的速度掙脫地球或太陽的強大引力而能在極高真空的宇宙空間以類似于自然天體的運動規律飛行。為此，首先要研制具有巨大推力的運載火箭。

從古代火箭到現代火箭

原始火箭是中國人發明的，并于12世紀就在戰爭中予以使用。明代茅元儀編著的《武備志》中就記載了靠火藥產生噴氣推動前進的火箭。雖然其結構簡單，但卻具備了自主飛行的特點。由于火箭不依賴空氣工作，故而可發展成為既能沖出大氣層又能在太空中飛行的動力裝置。盡管古代火箭產生的推力很小，飛行高度有限，但是它所體現的基本工作原理卻一直沿襲至今。

20世紀初期，經俄國科學家齊奧爾科夫斯基、美國科學家戈達德和德國科學家奧伯特的努力，闡明了利用火箭能夠開展航天活動的基本理論，從而奠定了現代火箭問世的基礎。他們三人因此而同被稱為現代航天學奠基人和先驅者。戈達德還于1926年3月16日成功地點燃了歷史上第一枚液體火箭，成為液體火箭的實際創始人。德國于1942年10月3日成功地進行了A-4火箭的發射試驗，隨后將其更名為V-2火箭并投入作戰使用。V-2是單級液體火箭，推進劑為液氧和酒精，推力達26.5噸，最大射程320千米。它雖未能挽救希特勒徹底覆滅的命運，但對現代大型火箭的發展起到了繼往開來的作用。德國戰敗后，美國和蘇聯分別繳獲了V-2火箭實物、部分科研人員與設備資料，為各自后來迅速發展火箭技術創造了有利條件。世界上發射航天器的運載火箭，也是這兩個國家首先研制出來的。

火箭的級數與速度

運載火箭只有使航天器達到一定的速度后才算完成發射任務。根據航天器遨游太空的區域不同，這個速度亦有大小不同的區別。科學家們將其分別稱為第一、第二、第三宇宙速度。

第一宇宙速度為7.9千米／秒，是人造航天器在太空沿地球表面作圓周運動時必須具備的速度，也叫環繞速度。第二宇宙速度為11.2千米／秒，是人造航天器能沿一條拋物線脫離地球的引力場而圍繞太陽運行必須具備的速度，亦稱逃逸速度。第三宇宙速度為16.7千米／秒，是從地面發射人造航天器，飛出太陽系到浩瀚的銀河系中漫游所需要的最小速度。地面發射的航天器在充分利用地球公轉速度情況下獲得這一速度后即可沿雙曲線軌道飛離地球，在太陽引力作用下運行。它相對太陽的軌道是一條拋物線，最后將飛離太陽系。

就現代火箭發動機的性能和結構水平來說，單級火箭所能達到的飛行速度不超過每秒6千米，還不能把航天器送上太空。為了達到和超越第一宇宙速度，需用多級火箭。

多級火箭由兩級以上的火箭組成，每級火箭可獨立工作。從結構上來說，多級火箭可采用軸向串聯、橫向捆綁并聯以及串并聯共用三種形式。由于隨著級數的增加，運載火箭變得更為復雜，致使其可靠性下降，因此常用的運載火箭多為2～4級。發射載人航天器的火箭，對其可靠性要求更高，一般為2～2.5級。所謂2.5級火箭，就是在兩級串聯火箭的第一級周圍再捆綁幾個助推器，以增加起飛推力。進行發射時，助推器雖然和第—級火箭基本上同時點火，但其先工作完畢并脫離，故稱為半級火箭。

發射航天器時，垂直豎立在發射架旁的多級運載火箭，點火后逐級工作、熄火并被拋掉，每一級都使火箭的飛行速度增加+數值，直到末級火箭脫離，將有效載荷增至所需速度并送入預定軌道運行為止。截至目前，人類研制的多種運載火箭已分別成功發射了具有不同宇宙速度的近7000個航天器。

名目繁多的現代火箭

現代火箭的優勢在于它具有多種用途，可以裝載不同的有效載荷。當火箭頂端裝載航天器時，就被稱為運載火箭；當火箭頂端裝載戰斗部時，就成為了導彈；當火箭頂端儀器艙內裝載探空裝置，用來探測大氣層有關參數時，就一并稱為探空火箭。

鑒于現代火箭名目繁多，通常根據級數多少、有無控制、能源種類、用途不同來進行分類。按照有無控制，可分為無控火箭和有控火箭。航天活動和導彈都使用有控火箭；按照能源種類，可分為化學能火箭、電火箭、核火箭、太陽能火箭和光子火箭。化學能火箭就是依靠自身攜帶的燃料即燃燒劑和氧化劑的化學反應釋放熱能工作的火箭。它又可分為固體、液體、固液混合三種火箭，是目前使用最多的航天動力裝置。電火箭、核火箭和太陽能火箭又統稱為非化學能火箭。個別的電火箭和核火箭已在航天器上使用。太陽能火箭尚處于研制階段。至于光子火箭，也屬于非化學能火箭，目前仍處于探索階段。

用于航天發射的運載火箭，都是由箭體結構、動力裝置、飛行控制系統、有效載荷艙和電源構成的。迄今，各國已經和正在使用的運載火箭主要有：俄羅斯的東方號、上升號、聯盟號、質子號、宇宙號、天頂號和能源號；美國的雷神系列、宇宙神系列、德爾塔系列、大力神系列、土星號系列；中國的長征號系列；歐洲空間局的歐里安系列；日本的H-1系列、H-2系列等。

火箭推力的比拼

在已經問世的所有火箭中，以美國土星號系列火箭中發射阿波羅號載人登月飛船的土星5號推力最大。土星5號為三級液體火箭，第一級總推力達3400噸，第二級真空總推力達521噸，第三級真空推力高達102噸，全箭長110.6米，最大直徑10.1米，起飛重量2930噸，低軌道運載能力為127噸，逃逸軌道運載能力為48．8噸。從1967年9月到1972年7月，土星5號進行了多次發射試驗，其中有7次是載人登月飛行，先后將12名航天員送上月球。1973年5月14日，美國用土星5號火箭成功發射了試驗性空間站——天空實驗室，讓其在435千米的近圓軌道上運行。同年又用土星5號火箭發射了3艘阿波羅號載人飛船先后與之對接。

自2001年8月以來，日本、美國、歐空局已陸續試驗成功或實用發射了H-2A、德爾塔4型、歐里安5改進型火箭，并還要在此基礎上分別發展成為多種型號的系列型運載火箭 ，其地球同步轉移軌道最高運載能力將依次達到9.5噸、13.3噸、12噸。與此同時，我國也在研制新一代的名為長征五號、長征六號和長征七號的運載火箭，將形成高、低軌道火箭系列。其中，長征五號火箭地球同步轉移軌道最高運載能力將達到14噸，近地軌道最高運載能力將達到25噸。這3種運載火箭有望在未來5年實現首飛。

優點突出的“冷火箭”

包括我國在內的各國新一代大推力運載火箭都是以液氫、液氧和煤油、液氧等液體為推進劑的。由于液氫沸點為零下253℃，液氧沸點為零下183℃，其極低的溫度給生產、貯存、運輸和使用帶來眾多技術難題，但因其單位質量所產生的推力值即比沖較高，燃燒后的生成物是無毒無污染的水蒸氣，故被世界各國視為一種重要的推進劑而采用，并將這種火箭稱為低溫高能運載火箭，簡稱為冷火箭。

“十二五”期間，我國還要開展重型運載火箭的論證，其最大運載能力要略高于土星5號火箭，將達130噸，以滿足后續載人登月、深空探測等發射任務的需求。研制重型火箭需要攻克大量先進技術，例如大推力發動機技術、大直徑箭體設計與制造技術、高精度制導、低溫推進劑在軌管理等技術。中、美、俄重型運載火箭問世之后，將成為世界上空前的推力最大的航天運載工具，并形成三足鼎立的局面。

在1981年召開的國際宇宙航行聯合會第32屆大會上，陸地、海洋、大氣層和宇宙空間被分別定義為人類的第一、第二、第三和第四環境。顯而易見，人類的第四環境是地球稠密大氣層以外的廣袤無垠的區域，它是沒有上限的。展望未來，航天技術將隨著運載火箭推力的提升而在第四環境中沖向更遠、更遠的太空。

【責任編輯】龐云