地球是人類的搖籃,我們不會永遠停留在搖籃里。為了追求光明和探索空間,開始要小心翼翼地飛出大氣層,然后再征服太陽周圍的整個空間。
——齊奧爾科夫斯基
明朝士大夫萬戶是第一個想到利用火箭飛天的人,被稱為"世界航天第一人"。15世紀末期,萬戶把47個自制的火箭綁在椅子上,自己坐在椅子上,雙手舉著2只大風箏,然后叫人點火發射。設想利用火箭的推力,加上風箏的力量飛起。不幸火箭爆炸,萬戶也為此獻出了生命。
五百年之后,萬戶的夢想成為了現實。現代火箭的發明是世界航天史上的壯舉,火箭利用反沖力裝置推進飛行,它自身攜帶全部推進劑,不依賴外界工質產生推力,是實現航天飛行的運載工具,用以發射人造衛星、人造行星、宇宙飛船等,也可裝上彈頭制成導彈。
火箭根據能源的不同分為化學火箭、核火箭、電火箭以及光子火箭等,化學火箭又分為固體火箭、液體火箭和混合推進劑火箭。按用途不同可分為衛星運載火箭、布雷火箭、氣象火箭、防雹火箭以及各類軍用火箭等。此外,火箭還可以按有無控制、級數、射程和其他原則分類。現今運載火箭大多包含了液態火箭跟固態火箭,也就是說,一個火箭可能第一節是固態的而第二節卻是液態的。火箭的分類方法雖然很多,但工作原理和組成部分基本相同。
火箭的基本組成部分有推進系統、箭體結構和有效載荷。有控火箭還裝有制導和控制系統,有時還可根據需要在火箭上裝設遙測、安全自毀和其他附加系統。
推進系統是火箭飛行的動力源。固體火箭的推進系統就是固體火箭發動機。液體火箭的推進系統包括發動機、推進劑貯箱、增壓系統和管路活門組。
箭體結構的作用是裝載火箭的所有部件,使之構成一個整體。通常固體火箭發動機的殼體和液體火箭的箱體構成箭體結構的一部分。除此之外,還包括尾段、級間段、儀器艙結構和有效載荷整流罩等部分。箭體結構應有良好的空氣動力外形。在完成相同功能的前提下,箭體結構的重量和體積越小越好。減輕箭體結構重量的途徑,除設計技巧和工藝方法外,結構型式和材料的選擇也很重要。
最早的液體火箭要追溯到20世紀初,羅伯特·戈達德是美國最早的火箭發動機發明家,被公認為現代火箭技術之父。從1909年開始,他對火箭動力學進行了廣泛的理論研究。1919年,他寫了一篇題為《達到極大高度的方法》的論文,論述了火箭運動的基本數學原理。1925年11月,由戈達德獨立開發的,一臺長0.6米、重5.5千克的小型液體燃料火箭發動機,成功地工作了27秒鐘。1926年3月16日,以這種發動機為動力、帶有兩個推進劑貯箱、高3.04米的火箭,從一個簡陋的鐵架子上發射成功。雖然火箭的飛行時間只有2.5秒,達到的高度只有12米,水平距離56米,但這次成功發射的第一枚液體燃料火箭,卻是宇宙航行事業發展史上一個重要的里程碑。
1930年12月30日,在戈達德的艱苦研究下,一枚新的液體火箭發射成功,高度達到610米,飛行距離300米,飛行速度達到800千米/小時。1931年,他在火箭發射試驗中,首先采用了現代火箭目前仍然使用的程序控制系統。1932年,他首開先河,用燃氣舵控制火箭的飛行方向。1935年,戈達德的液體火箭最大射程已達到20千米,速度超過音速。
V2火箭
二次世界大戰爆發后,戈達德到處寫信,想把自己的研究成果用于反法西斯戰爭。但軍方仍不愿把錢花在液體火箭上,而要他搞馬上能使用的固體燃料火箭。但是,納粹德國先于戈達德研制出了火箭彈。V2火箭,當時又叫“飛彈”,由物理學博士馮·布勞恩主持,是1936年后在佩內明德新建火箭研究中心的重點項目。V—2工程開始于1940年,直到1942年10月3日,V—2試驗成功,年底定型投產。從投產到德國戰敗,納粹德國共制造了6000枚V—2,其中4300枚用于襲擊英國和荷蘭,并帶來了深重的災難。
V—2是單級液體火箭,全長14米,重13噸,直徑1.65米,最大射程320千米,射高96千米,彈頭重1噸。V—2采用較先進的程序和陀螺雙重控制系統,推力方向由耐高溫石墨舵片操縱執行。V—2在工程技術上實現了宇航先驅的技術設想,對現代大型火箭的發展起了承上啟下的作用,成為航天發展史上一個重要的里程碑。
1957年10月4日,世界上第一個人造地球衛星“伴侶”由蘇聯發射成功。運送衛星的火箭使衛星獲得了每秒八千公尺左右的必要的軌道速度。據計算,這個衛星在離地面900公里的高空運行;它每轉一整周的時間是1小時35分鐘。而“衛星號”是蘇聯運載此衛星用的運載火箭,其基礎級是世界上迄今發射次數最多的一種基礎級運載火箭。
1970年4月24日,"長征一號"運載火箭將中國第一顆人造地球衛星--東方紅一號成功送入太空。火箭全長29.86米,最大直徑2.25米,起飛重量81.6噸,起飛推力112噸,能把300千克重的衛星送入440公里高的近地軌道。長征一號的研制成功,揭開了我國航天活動的序幕。
20世紀80年代初,蘇、美兩國已經分別研制出六、七個系列的運載火箭。其中,美國載人登月的火箭,直徑10米,長111米,起飛質量約2930噸,近地軌道運載能力為127噸。蘇聯的“能源”號火箭,起飛質量約2000噸,近地軌道運載能力約為100噸。
長征六號火箭
如今,運載火箭正向著高可靠性、低成本、多用途和多次使用的方向發展。2015年9月20日7時01分,中國新型運載火箭長征六號在太原衛星發射中心點火發射,成功將20顆微小衛星送入太空。長征六號為三級火箭,預計有700千米高度太陽同步軌道500千克的運載能力。該火箭成本低、高可靠、適應性強、安全性好,是中國航天史上的一大里程碑。
火箭技術的飛速發展,不僅可提供更加完善的各類導彈和推動相關科學的發展,還將使開發空間資源、建立空間產業、空間基地及星際航行等成為可能。火箭的結構日益龐大,系統越來越復雜,精度不斷提高。火箭將進一步向可靠性高、經濟性好和多次使用的方向發展。化學火箭仍將占有重要的地位,電火箭將進入實用,太陽能火箭和光子火箭也有可能取得新的進展。人類的航天偉業必將踏上一個新的征程。
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