推力巨大的现代火箭

尹怀勤

自从1957年10月4日世界上第一颗人造地球卫星升空以来，航天技术得到了突飞猛进的发展，铸就了一系列的太空辉煌。举世公认，航天是自20世纪中叶以来人类认识和改造自然进程中最活跃，最有影响的科学技术领域，也是人类文明高度发展的重要标志。

航天技术的特点是飞行器必须依靠本身具有的速度挣脱地球或太阳的强大引力而能在极高真空的宇宙空间以类似于自然天体的运动规律飞行。为此，首先要研制具有巨大推力的运载火箭。

从古代火箭到现代火箭

原始火箭是中国人发明的，并于12世纪就在战争中予以使用。明代茅元仪编著的《武备志》中就记载了靠火药产生喷气推动前进的火箭。虽然其结构简单，但却具备了自主飞行的特点。由于火箭不依赖空气工作，故而可发展成为既能冲出大气层又能在太空中飞行的动力装置。尽管古代火箭产生的推力很小，飞行高度有限，但是它所体现的基本工作原理却一直沿袭至今。

20世纪初期，经俄国科学家齐奥尔科夫斯基、美国科学家戈达德和德国科学家奥伯特的努力，阐明了利用火箭能够开展航天活动的基本理论，从而奠定了现代火箭问世的基础。他们三人因此而同被称为现代航天学奠基人和先驱者。戈达德还于1926年3月16日成功地点燃了历史上第一枚液体火箭，成为液体火箭的实际创始人。德国于1942年10月3日成功地进行了A-4火箭的发射试验，随后将其更名为V-2火箭并投入作战使用。V-2是单级液体火箭，推进剂为液氧和酒精，推力达26.5吨，最大射程320千米。它虽未能挽救希特勒彻底覆灭的命运，但对现代大型火箭的发展起到了继往开来的作用。德国战败后，美国和苏联分别缴获了V-2火箭实物、部分科研人员与设备资料，为各自后来迅速发展火箭技术创造了有利条件。世界上发射航天器的运载火箭，也是这两个国家首先研制出来的。

火箭的级数与速度

运载火箭只有使航天器达到一定的速度后才算完成发射任务。根据航天器遨游太空的区域不同，这个速度亦有大小不同的区别。科学家们将其分别称为第一、第二、第三宇宙速度。

第一宇宙速度为7.9千米／秒，是人造航天器在太空沿地球表面作圆周运动时必须具备的速度，也叫环绕速度。第二宇宙速度为11.2千米／秒，是人造航天器能沿一条抛物线脱离地球的引力场而围绕太阳运行必须具备的速度，亦称逃逸速度。第三宇宙速度为16.7千米／秒，是从地面发射人造航天器，飞出太阳系到浩瀚的银河系中漫游所需要的最小速度。地面发射的航天器在充分利用地球公转速度情况下获得这一速度后即可沿双曲线轨道飞离地球，在太阳引力作用下运行。它相对太阳的轨道是一条抛物线，最后将飞离太阳系。

就现代火箭发动机的性能和结构水平来说，单级火箭所能达到的飞行速度不超过每秒6千米，还不能把航天器送上太空。为了达到和超越第一宇宙速度，需用多级火箭。

多级火箭由两级以上的火箭组成，每级火箭可独立工作。从结构上来说，多级火箭可采用轴向串联、横向捆绑并联以及串并联共用三种形式。由于随着级数的增加，运载火箭变得更为复杂，致使其可靠性下降，因此常用的运载火箭多为2～4级。发射载人航天器的火箭，对其可靠性要求更高，一般为2～2.5级。所谓2.5级火箭，就是在两级串联火箭的第一级周围再捆绑几个助推器，以增加起飞推力。进行发射时，助推器虽然和第—级火箭基本上同时点火，但其先工作完毕并脱离，故称为半级火箭。

发射航天器时，垂直竖立在发射架旁的多级运载火箭，点火后逐级工作、熄火并被抛掉，每一级都使火箭的飞行速度增加+数值，直到末级火箭脱离，将有效载荷增至所需速度并送入预定轨道运行为止。截至目前，人类研制的多种运载火箭已分别成功发射了具有不同宇宙速度的近7000个航天器。

名目繁多的现代火箭

现代火箭的优势在于它具有多种用途，可以装载不同的有效载荷。当火箭顶端装载航天器时，就被称为运载火箭；当火箭顶端装载战斗部时，就成为了导弹；当火箭顶端仪器舱内装载探空装置，用来探测大气层有关参数时，就一并称为探空火箭。

鉴于现代火箭名目繁多，通常根据级数多少、有无控制、能源种类、用途不同来进行分类。按照有无控制，可分为无控火箭和有控火箭。航天活动和导弹都使用有控火箭；按照能源种类，可分为化学能火箭、电火箭、核火箭、太阳能火箭和光子火箭。化学能火箭就是依靠自身携带的燃料即燃烧剂和氧化剂的化学反应释放热能工作的火箭。它又可分为固体、液体、固液混合三种火箭，是目前使用最多的航天动力装置。电火箭、核火箭和太阳能火箭又统称为非化学能火箭。个别的电火箭和核火箭已在航天器上使用。太阳能火箭尚处于研制阶段。至于光子火箭，也属于非化学能火箭，目前仍处于探索阶段。

用于航天发射的运载火箭，都是由箭体结构、动力装置、飞行控制系统、有效载荷舱和电源构成的。迄今，各国已经和正在使用的运载火箭主要有：俄罗斯的东方号、上升号、联盟号、质子号、宇宙号、天顶号和能源号；美国的雷神系列、宇宙神系列、德尔塔系列、大力神系列、土星号系列；中国的长征号系列；欧洲空间局的欧里安系列；日本的H-1系列、H-2系列等。

火箭推力的比拼

在已经问世的所有火箭中，以美国土星号系列火箭中发射阿波罗号载人登月飞船的土星5号推力最大。土星5号为三级液体火箭，第一级总推力达3400吨，第二级真空总推力达521吨，第三级真空推力高达102吨，全箭长110.6米，最大直径10.1米，起飞重量2930吨，低轨道运载能力为127吨，逃逸轨道运载能力为48．8吨。从1967年9月到1972年7月，土星5号进行了多次发射试验，其中有7次是载人登月飞行，先后将12名航天员送上月球。1973年5月14日，美国用土星5号火箭成功发射了试验性空间站——天空实验室，让其在435千米的近圆轨道上运行。同年又用土星5号火箭发射了3艘阿波罗号载人飞船先后与之对接。

自2001年8月以来，日本、美国、欧空局已陆续试验成功或实用发射了H-2A、德尔塔4型、欧里安5改进型火箭，并还要在此基础上分别发展成为多种型号的系列型运载火箭 ，其地球同步转移轨道最高运载能力将依次达到9.5吨、13.3吨、12吨。与此同时，我国也在研制新一代的名为长征五号、长征六号和长征七号的运载火箭，将形成高、低轨道火箭系列。其中，长征五号火箭地球同步转移轨道最高运载能力将达到14吨，近地轨道最高运载能力将达到25吨。这3种运载火箭有望在未来5年实现首飞。

优点突出的“冷火箭”

包括我国在内的各国新一代大推力运载火箭都是以液氢、液氧和煤油、液氧等液体为推进剂的。由于液氢沸点为零下253℃，液氧沸点为零下183℃，其极低的温度给生产、贮存、运输和使用带来众多技术难题，但因其单位质量所产生的推力值即比冲较高，燃烧后的生成物是无毒无污染的水蒸气，故被世界各国视为一种重要的推进剂而采用，并将这种火箭称为低温高能运载火箭，简称为冷火箭。

“十二五”期间，我国还要开展重型运载火箭的论证，其最大运载能力要略高于土星5号火箭，将达130吨，以满足后续载人登月、深空探测等发射任务的需求。研制重型火箭需要攻克大量先进技术，例如大推力发动机技术、大直径箭体设计与制造技术、高精度制导、低温推进剂在轨管理等技术。中、美、俄重型运载火箭问世之后，将成为世界上空前的推力最大的航天运载工具，并形成三足鼎立的局面。

在1981年召开的国际宇宙航行联合会第32届大会上，陆地、海洋、大气层和宇宙空间被分别定义为人类的第一、第二、第三和第四环境。显而易见，人类的第四环境是地球稠密大气层以外的广袤无垠的区域，它是没有上限的。展望未来，航天技术将随着运载火箭推力的提升而在第四环境中冲向更远、更远的太空。

【责任编辑】庞云