火箭家族托起人類飛天夢想

張潔 陸艷

火箭的起源于開發

在古代，火箭是指用引火物附在弓箭頭上，然后射到敵人身上引起焚燒的一種箭矢。而在現代，火箭主要是指用以發射人造衛星、人造行星、宇宙飛船等的飛行器，也可裝上彈頭制成導彈。

最初提出“人類乘坐火箭進入太空”的人是蘇聯科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基。他是現代宇宙航行學的奠基人，也被稱為“航天之父”。那時他就指出，多級式火箭是實現太空飛行的“最有效工具”。1897年，為了計算出火箭的推進力，他首次發表了“齊奧爾科夫斯基公式”，直到現代仍作為火箭理論的基本公式而被使用。

不過，將這美妙的公式變成現實的是美國人羅伯特·戈達德，他于1926年3月16日成功發射了人類歷史上第一枚液體燃料火箭。發射當日，發射升空的火箭的飛行時間為25秒，到達高度大約為12米。雖然僅僅只有12米的高度，但對于人類來說，代表了人類探索宇宙跨出了巨大的一步。火箭開發從這一刻起，才是真正意義上的開始。

1942年，德國科學家馮·布勞恩成功發射了“V2火箭”。“V2火箭”是第一枚大型火箭導彈，也是世界上最早投入實戰使用的彈道導彈，為現代航天運載火箭和遠程導彈的先驅。它具有與現在區別無二的引導控制系統，并為火箭正確飛行到目的地奠定了基礎。

1969年，人類邁出了登陸月球的第一步。為了實現“阿波羅”登月計劃而被制造出來的“土星5號”，被稱為火箭大型化發展時代的終極點。在1967-1973年間，美國共發射13枚“土星5號“運載火箭，共有9枚“土星5號”運載火箭將教人的“阿波羅”號宇宙飛船送上月球軌道。

說起我國的火箭，同學們自然會聯想起長征系列運載火箭。從1965年開始研制，1970年4月24日“長征一號”載火箭首次發射“東方紅一號”衛星成功。經過半個世紀的發展，我國長聯到并聯，從一箭箭單星到一箭多星、從載物到載人的技術跨越，逐步發展成為由多種型號組成的大家族。2019年3月10日0時28分，我國在西昌衛星發射中心用“長征三號乙”運載火箭，成功將“中星6C”衛星發射升空。至此，長征系列運載火箭已進行300次發射，發射成功率達96%。

以往，火箭開發基本上是以國家為主導的開發項目。但現在，不僅僅以國家為單位，像私人企業和大學等這些由民間主導的可以進行火箭開發的時代也已經逐步到來，象征性代表有美國的SpaceX，也有日本的Interstellar Technologies。

美國實業家伊隆·馬斯克于2002創立美國太空探索技術公司SpaceX，開始進軍可回收火箭發射。2018年2月和5月，SpaceX研制的目前全世界運載能力最大的“獵鷹”重型火箭成功進行兩次發射，引起全球關注。

日本初創企業Interstellar Technologies也在開發可抵達距地面100千米的宇宙空間的觀測火箭“MOMO”。2017年7月，MOM01號火箭發射時飛至距地面20千米高度，該試驗取得部分成功。2018年6月30日，MOM02號火箭發射再次遭遇失敗，以向上飛行的姿態墜落地面。所以，實現火箭穩定發射并非易事。

火箭是如何是升起來的？

同學們應該都玩過氣球，當你松開手里吹滿氣的氣球，氣球便會上升，而火箭飛行的原理也是如此。火箭在逐漸升起的過程中，會產生大量高溫、高壓的燃料氣體，并從噴射管向下噴射出，通過反作用力從而推動火箭向上前進。

發射火箭的目的是什么？

根據目的的不同，火箭分為兩種：一種是探測火箭，前往只有火箭可以到達的地方，并且進行一些科學觀察和返回數據;另一種是用于發射衛星和探測器的火箭，將人造衛星放置在圍繞地球運行的軌道上，或將宇宙飛船發射到另—顆行星的軌道上。

火箭的種類有哪幾種？

為了在沒有空氣的太空中飛行，火箭除了裝載燃料之外，還裝有燃燒燃料的氧化劑，例如氧氣。燃料和氧化劑統稱為“推進劑”。

目前，根據推進劑的形態不同，火箭主要分為固體火箭和液體火箭。固體火箭的推進劑主要由鋁粉末和聚丁二烯的合成橡膠混合而成。液體火箭的推進劑由液氫、煤油（燈油）、液氧等物質組成。固體火箭和液體火箭各有各的優缺點。固體火箭的結構比液體火箭更簡單，由于推進劑的化學性是穩定的，可以長期保存。與相同尺寸的液體火箭相比，可以產生很大的推力。但是，推力過大會制約火箭發射，甚至會導致其滅火，很難重新點火。而液體火箭可以調節被燃燒的推進劑，方便控制其推動力，即使滅火，也可以重新點火。不過，為了不使推進劑在極低溫的情況下產生化學式不安定反應，操作起來會很困難。

小型化

大型火箭發射升空的實驗，發射一次就要花費巨大的造價。而且如果失敗，它就不可能再返回來，因此很難獲得關于實驗失敗的反饋。然而，小型火箭可以用很少的預算，并且降低了失敗的可能性，因此備受多國青睞。

2018年2月，日本宇宙航空研究開發機構成功發射了“SS-520”5號機火箭，將重3千克的微型衛星成功送入軌道。“SS-520”5號機火箭從外形到造價都很“迷你”：全長約9.5米，直徑約52厘米，重2.6噸，是有史以來最小、最輕的運載火箭。形象點說，“SS-520”5號機火箭的大小跟一般電線桿差不多。造價方面，“SS-520”5號機的發射及相關費用共計約2860萬元人民幣，而“獵鷹9號”的造價則高達3 500萬美元。

我國也早有輕型火箭的相關案例，由中國航天科工集團公司研制的快舟系列運載火箭，是中國首個具有快速集成、快速入軌能力的小型固體運載火箭，創造了中國航天發射的最快紀錄。2013年9月25日，中國首次采用快舟固體小型運載火箭，以—車—箭車載機動發射方式，成功將“快舟—號”衛星發射升空。

天地運輸的巨大成本是人類航天事業上的第一塊絆腳石。因此，自1950年第一艘火箭發射以來，可回收載具一直是人類夢寐以求的技術。但時至今日，也只有SpaceX公司實現了真正意義上的回收再利用。2018年5月12日，美國SpaceX公司的“獵鷹9號”Block5型火箭在肯尼迪航天中心發射升空，搭載“孟加拉國—號”衛星順利入軌。火箭—級助推器降落在海上平臺，成功實現回收。這是“獵鷹”系列火箭自2010年以來第52次發射，也是第21次成功回收。

火箭回收的難度遠大于發射的難度，真可謂“難于上青天”。為什么這么難呢？一是因為姿態控制難。以“獵鷹”系列火箭為例，它采用反推垂直下降的回收方式，必須要確保火箭能夠垂直地落在足球場大小的場地上，一旦著陸角度不對，火箭就會傾覆，引發燃料外泄，導致爆炸。想象一下我們平時玩的丟筷子進瓶子的游戲，成功的概率有多少？何況這是一支巨型“筷子”。二是發動機輸出功率控制難。在火箭下降途中，隨著燃料的消耗和速度的變化，需要輸出不同大小的推力使火箭平穩減速，以確保其順利軟著陸。這就要求火箭發動機必須能精確地調節推力，并且具備多次啟動功能。三是著陸緩沖難。即使做到了在著陸前有效減速，也要考慮到重達幾十噸的火箭所帶來的巨大慣性，但火箭里有大量的精密電子元器件，要確保這些“寶貝”能夠再次使用，必須具有良好的緩沖功能，減少對火箭結構的過載沖擊。

載入飛行

裝載著推進劑的火箭，本質上也是很容易爆炸的。一旦爆炸，推進劑會在瞬間燃燒，生成巨大的火球并產生強烈的熱輻射，直到燃燒成灰燼。

載人飛行，確保人身安全比什么都更為重要。為了達到這個條件，首先，無論如何都不能發生爆炸事故;其次，如何在緊急事態發生時快速脫離危險也是必須要考慮的事。

由此，比過去的液體火箭和固體火箭安全性能更高、更全面的混合型火箭全新亮相。日本正在研究的混合型火箭的燃料是合成樹脂。與液體和固體的推進相比，它燃燒緩慢，因此不會產生大推力。萬一出現容器破裂的情況，混合型火箭仍不會瞬間發生爆炸。因為燃料和氧化劑是完全兩種不同的組合，所以不會在瞬間混合。爆炸引起的二次災害也盡可能減少，對磁場的安全性很高。

混合型火箭的開發在各地開始進行研究。不過，實際使用的大型化的例子很少。如果要發展到實用化，可能會進行到下一個時代的火箭系統吧！

3D打印

在制造業中，3D打印技術的使用越來越多。平時我們會用3D打印技術打印—些小玩意，不過科學家們卻用3D打印技術打印火箭。早在2015年，新西蘭Rocket Lab私人骯天公司開發出了世界上第—個3D打印的電池動力火箭“EIectron”。2018年，NASA成功完成對第一個3D打印雙金屬火箭零部件的測試。

科學家表示，使用3D打印技術來制造火箭，不僅能夠加快生產過程，而且能顯著減少火箭發動機的生產成本。

這是一個未來由人們開拓發展的新世界，根據我們的想象力，充分利用大腦描繪出任何一種想法，火箭也不例外，而這樣的時代即將來臨，讓我們一起翹首期盼吧！