火箭帶你上天去

路遙

火箭的身世

“火箭”一詞最早出現(xiàn)在公元3世紀(jì)的三國(guó)時(shí)代，距今已有1700多年的歷史了。那時(shí)的“火箭”指的是點(diǎn)燃后射向敵人的帶火之箭，與我們現(xiàn)在所稱的火箭相差甚遠(yuǎn)。在火藥出現(xiàn)之后，宋代的人們發(fā)明了一種向后噴火、利用反作用力助推的火箭，已具有現(xiàn)代火箭的雛形，可以看作是原始的固體火箭。

中國(guó)人不僅是火箭的發(fā)明者，也是首次進(jìn)行載人火箭飛行的大膽嘗試者。明朝時(shí)候，有一位名叫萬(wàn)戶的士大夫，坐在綁著47個(gè)自制火箭的椅子上，雙手舉著兩只大風(fēng)箏，然后叫人點(diǎn)火發(fā)射。他設(shè)想利用火箭的推力飛上天空，再利用風(fēng)箏在空中滑翔，平穩(wěn)著陸。不幸火箭爆炸，萬(wàn)戶也為此獻(xiàn)出了生命。為紀(jì)念這位航天先行者，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)將月球上的一座環(huán)形山命名為“萬(wàn)戶”。

火藥傳入歐洲以后，火箭技術(shù)得到迅速發(fā)展。今天廣泛用于航天領(lǐng)域的運(yùn)載火箭是第二次世界大戰(zhàn)后在導(dǎo)彈的基礎(chǔ)上改進(jìn)得來的。第一枚成功發(fā)射衛(wèi)星的運(yùn)載火箭是蘇聯(lián)用洲際導(dǎo)彈改裝的“衛(wèi)星”號(hào)運(yùn)載火箭，它將世界上第一顆衛(wèi)星“斯普特尼克1號(hào)”送上太空。目前，世界知名的運(yùn)載火箭有“東方號(hào)”“大力神”“宇宙神”“德爾塔”“土星”“長(zhǎng)征”“阿里安”“H”“極軌衛(wèi)星”等系列運(yùn)載火箭。其中，“長(zhǎng)征”系列運(yùn)載火箭是我國(guó)自行研制的航天運(yùn)載工具。自1965年開始研制，先后有過17個(gè)型號(hào)，目前還在使用的有11個(gè)型號(hào)。截至2016年10月17日，我國(guó)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭已飛行237次。

除了人造地球衛(wèi)星以外，運(yùn)載火箭還用于將載人飛船、空間站、貨運(yùn)飛船、空間探測(cè)器等航天器送入太空。

當(dāng)火箭升空時(shí)，“尾巴”上會(huì)冒出耀眼的火焰，那就是推動(dòng)火箭升空的力量之源。準(zhǔn)確地說，火箭的動(dòng)力來自于燃料劇烈燃燒所排出的高溫高速燃?xì)猓細(xì)鈬姵霎a(chǎn)生的反作用力推動(dòng)著這個(gè)重達(dá)幾百噸甚至幾千噸的龐然大物奔向天空。

火箭升空時(shí)都會(huì)攜帶大量動(dòng)力“口糧”——推進(jìn)劑。它分為兩種，一種是燃料，就像汽車使用的汽油，能夠燃燒釋放能量。另一種是氧化劑，它不能燃燒，但能提供燃燒所必需的氧——在沒有氧氣的太空中，沒有氧化劑的幫助，再多的燃料都沒有“用武之地”。

推進(jìn)劑的形態(tài)有固體的，也有液體的。多級(jí)火箭可以根據(jù)需要，選用液體推進(jìn)劑或者固體推進(jìn)劑，也可以兩種搭配使用。例如，我國(guó)的長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭是一種三級(jí)液體火箭；長(zhǎng)征一號(hào)運(yùn)載火箭則是一種固液混合型的三級(jí)火箭，其第一級(jí)、第二級(jí)是液體火箭，第三級(jí)是固體火箭。推進(jìn)劑占火箭起飛重量的80%～95%，直接影響著火箭的運(yùn)載能力和使用性能。火箭工程師們也在不斷地尋找和試驗(yàn)更優(yōu)質(zhì)的推進(jìn)劑和動(dòng)力系統(tǒng)，讓火箭重量更輕、動(dòng)力更足、性能更穩(wěn)定。

了解了火箭的歷史，你現(xiàn)在一定很想知道，火箭怎么會(huì)有那么大的力氣，把那么重的衛(wèi)星或飛船甩到太空去的呢？它們又是怎么發(fā)射升空的呢？翻開下一頁(yè)你就能找到答案。

火箭發(fā)射啦

將衛(wèi)星發(fā)射到太空中并不是一件容易的事。將任何東西發(fā)射到太空——不管是到近地軌道（高度在160千米以上）還是更遠(yuǎn)的地方，都需要許多火箭提供動(dòng)力。而且，發(fā)射到太空里的，不僅有衛(wèi)星，還有運(yùn)載衛(wèi)星的火箭，以及運(yùn)載它們所需的燃料！想一想，這是多么大的重量啊！

發(fā)動(dòng)機(jī)

大部分的發(fā)動(dòng)機(jī)都會(huì)旋轉(zhuǎn)，但火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)，因?yàn)樗菄姎馐桨l(fā)動(dòng)機(jī)。試想一下你正站在滑板上，手中拿著消防員的消防水帶，水帶噴出強(qiáng)烈的水柱，會(huì)推動(dòng)滑板往相反的方向移動(dòng)（這就是反作用力）。我們能看見好幾個(gè)消防員一起控制一根消防水帶，就是因?yàn)榉醋饔昧?shí)在太大了！火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理也是如此。只不過，他們用的是燃料，而不是水。

發(fā)射火箭

大部分火箭都是在發(fā)射臺(tái)發(fā)射的。這種巨大的發(fā)射臺(tái)有兩個(gè)作用。第一，工程師和技術(shù)人員可以在這里給火箭添加燃料，檢查火箭的外部問題。第二，發(fā)射升空之前，發(fā)射臺(tái)可以對(duì)火箭起支撐作用。工作人員會(huì)用裝有少量炸藥的螺栓，將火箭固定在發(fā)射臺(tái)上。發(fā)射火箭時(shí)，點(diǎn)燃炸藥，炸掉螺栓，火箭才能升空。

固體火箭助推器

固體火箭助推器可以給火箭提供發(fā)射時(shí)必需的額外能量。這種助推器使用的是固體燃料，有點(diǎn)兒類似火藥。這種燃料會(huì)燃燒，但不會(huì)爆炸。固體燃料較安全，費(fèi)用比液體燃料更低廉。不過它的燃燒速度是固定的（不會(huì)變快，也不會(huì)變慢），一旦開始燃燒，就無法停下來了。

液體燃料

大部分火箭的主體部分都塞滿了液體燃料，這些燃料分別被儲(chǔ)存在兩個(gè)不同的貯存箱里。通常情況下，一個(gè)用來裝液態(tài)氧，一個(gè)用來裝煤油或者液態(tài)氫。它們會(huì)被輸送到燃燒室內(nèi)，混合在一起進(jìn)行燃燒。燃燒會(huì)產(chǎn)生氣體，這些氣體會(huì)以每小時(shí)8000到16 000千米的速度從火箭的巨大噴頭中噴出。

載荷

載荷指的是為完成任務(wù)，而被火箭運(yùn)載上空的設(shè)備。它可以是將電視節(jié)目發(fā)射到全球任何地方的衛(wèi)星，也可以是進(jìn)行太空實(shí)驗(yàn)的特殊設(shè)備。有時(shí)候它甚至?xí)\(yùn)載宇航員上空。這類火箭可以運(yùn)載重達(dá)68000千克的衛(wèi)星。

二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)

如果火箭在發(fā)射和穿越大氣層時(shí)用完了主體貯存的所有燃料，那會(huì)發(fā)生什么呢？火箭最大的部分會(huì)脫落，而頂端較小的那部分（也有發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料）會(huì)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，將火箭繼續(xù)向前推進(jìn)。有時(shí)候，火箭的碎片會(huì)掉落在地球上。這些碎片進(jìn)行復(fù)原后可以重新使用。

離地升空

從1957年開始，阿特拉斯火箭就成了太空探索的一匹悍馬。它們運(yùn)載了數(shù)百顆衛(wèi)星升空，將商業(yè)和軍事設(shè)備送上軌道，還曾運(yùn)載先驅(qū)者號(hào)宇宙飛船飛過土星和木星，去探索未知的宇宙。

火箭回收不是夢(mèng)

火箭這列特快專列，完成運(yùn)載使命后就會(huì)因?yàn)閾p毀或無法回收而結(jié)束航天生涯，相當(dāng)于“一次性”產(chǎn)品。但火箭的制造與發(fā)射一直是個(gè)極其昂貴的過程，一次發(fā)射的費(fèi)用高達(dá)數(shù)億乃至數(shù)十億元。為了改變這種既浪費(fèi)又不環(huán)保的行為，工程師們絞盡腦汁：能不能在發(fā)射后將火箭回收，下次繼續(xù)用呢？

2015年11月23日，美國(guó)的一家私營(yíng)航天企業(yè)“藍(lán)色起源”首次成功實(shí)現(xiàn)了火箭回收。這枚叫“New Shepard”的火箭攜帶飛船升空，到達(dá)一定高度后，火箭與飛船分離，飛船繼續(xù)升高，而火箭在下落到1500米高空時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)重新點(diǎn)火減速。在降落的最后時(shí)刻，噴著煙霧的火箭搖擺著找到垂直于地面的姿態(tài)，四條“腿”同時(shí)著地，穩(wěn)穩(wěn)站到發(fā)射場(chǎng)上。這是人類首次實(shí)現(xiàn)返回高度100千米以上的火箭回收。

此后不到一個(gè)月，美國(guó)的另一家私營(yíng)航天公司“SpaceX”就獲得了更加令人矚目的成績(jī)。這一次，他們發(fā)射的獵鷹9號(hào)火箭在運(yùn)送11顆通信衛(wèi)星進(jìn)入軌道后，地面成功回收了返回的一級(jí)火箭，返回高度超過200千米，創(chuàng)造了人類太空史上當(dāng)之無愧的第一。

這兩次成功的火箭回收試驗(yàn)，使火箭回收從理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。未來，人類還有望在此基礎(chǔ)上研制出可重復(fù)使用的火箭，打造出安全便捷的太空交通。