书城科普读物科学奥秘丛书-航空航天工程
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第3章 飞向太空的得力助手——火箭(1)

助手向何处去

我国是四大文明古国之一,火箭是我国最早发明的。在唐宋时期,火箭就在军事上得到了运用。虽然今天的火箭不可与往日的火箭同日而语,但它们的使用原理都是一样的。现代火箭的产生,从很大程度上源于人类摆脱地球的引力、实现“可上九大揽月”的梦想。

大家都知道,所有的物体都有吸引力,只不过有的物体质量太小,我们感觉不到罢了。地球是个有巨大质量的球体,所有的物体都被吸向地心。

人也不例外,这也是我们每人都有重量的原因。有人可能会纳闷儿:

如太阳与地球、地球和月亮为什么不因为吸引而跑到一起呢?这是因为这些星体都有一种速度,这种速度产生了离心力,平衡和抵消了吸引力,所以它们看起来都相对静止不动。同样,像一些人造天体,如人造卫星、宇宙飞船、航天飞机等,要绕地球轨道运行,也需要达到一定的速度,这种速度是7.8千米/秒,它叫第一宇宙速度;当然太阳的质量比地球要大,吸引力更强,人造天体要进行行星际航行,必须达到另一种速度,即11.2千米/秒,这叫第二宇宙速度。同样,要摆脱太阳的引力,到太阳系外去探索宇宙,必须达到每秒16.6千米的速度,这叫第三宇宙速度。要达到这么高的速度,火箭是目前人类唯一选择的工具。

1942年10月,德国研制的全长14米,起飞重量13吨,箭体直径1.65米,最大射程为320千米的现代火箭V-2试飞成功。火箭V-2本质上是一种弹道导弹,它是多级运载火箭的前身。此后,美国和前苏联先后在50年代末期,在V-2导弹的基础上研制成功了洲际导弹。而与此同时,第一颗人造卫星由前苏联用洲际弹道导弹发射入轨。以后的三十多年中,空间技术得到迅速发展,各种型号的洲际导弹改型的早期卫星运载火箭相继产生,如前苏联东方号、上升号、联盟号载人飞船的运载火箭、中小型人造天体的运载火箭B-Ⅰ型(凉鞋)、C-Ⅰ型(短剑)和轨道武器系统的运载火箭F-Ⅰ型(悬崖)以及专为发射大型天体的运载火箭D型(质子号);美国也相继研制了红石、先型、雷神——德尔他、宇宙神——阿金纳、宇宙神——人马座、大力神以及为阿波罗空间探险计划专门研制的土星1B、土星5号等运载火箭;我国的运载火箭有长征号系列,此外欧洲空间局有阿丽亚娜号运载火箭;日本有H-2号运载火箭、印度等国也有能独立发射卫星的运载火箭。

火箭家族的派生

火箭其实是一种无人驾驶的飞行器,也叫空间运载工具。它的任务就是把称为有效载荷的人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机、星际探测器等送入各自的空间轨道,去完成它们各自的使命。

早期的火箭是单级的,现代火箭大多是多级型。多级火箭的理论是20世纪初俄国科学家齐奥尔科夫斯基提出来的。他大胆地提出月亮、星际旅行的设想,并指出只有用液体作推进剂的多级火箭才能完成字宙航行的任务。

同时,他还推出了著名的齐奥尔科夫斯基公式,为宇宙航行的理论工作做出了重大贡献。

但是他的想法也不是完全正确的,因为火箭不光用液体燃料,固体燃料、固液混合燃料也可以用。在液体火箭技术方面,美国学者高达德取得了巨大的成就。从目前来看,现代火箭大部分使用液体燃料。像1996年6月4日失事的阿丽亚娜5号运载火箭就是这样。当然,固体燃料火箭也不少,如美国“侦察兵”型运载火箭,阿丽亚娜5号的两个助推火箭正是使用了固体燃料。液体、固体火箭都是化学推进剂运载火箭,它们用在地球范围、月球范围和太阳系内的行星际航行已游刃有余;把它用在太阳系以外的恒星际航行与漫游的探测器上,也会有很大的把握;但如果把它用在太阳系以外的实际恒星际载人航行上,则显得太慢,有一种老牛拉破车的感觉。所以新型运载火箭,如电子火箭、核火箭和光子火箭正在研制中。

火箭外型看起来像个长长的细管,头部尖尖的,这样设计是为了克服大气的阻力。不过,这个细管并不是笔直的,常常有微微凹进和凸出的部分,我们知道它是一节一节的,这叫多级火箭。多级火箭有两种首尾相接的方式,一是单纯的串联式,是一节一节地联起来的,像阿丽亚娜1号、2号火箭就是这样;再有就是串并混合式。它往往是上面一级串联,下面一级并联,是捆起来的,像阿丽亚娜3号、4号、5号,我国的长征号捆绑式运载火箭,从意思上说都是串并联合式。当然不管是采取哪种形式,都力求使用多级火箭,增加运载能力,多带些东西上天。

整个运载火箭由箭体结构、动力装置、控制系统、分离系统等几部分组成。

箭体结构就是运载火箭的骨骼架子,它有仪器舱、推进剂箱和尾段,头部的帽子——整流罩也可以包括在里面。大型的运载火箭还有尾巴——尾翼。箭体结构就像人的结构一样,它的主要功用是装置各种器官和实用物;不同的是,这些器官和实用物是各种仪器设备、发动机和推动剂等。

火箭的动力装置,就是帮助火箭使劲的东西,包括发动机和液体推进剂输送系统。它能解决火箭的能量和动力问题。运载火箭都使用火箭发动机,它的特点是无需外来氧气,自己带足氧化剂和燃烧剂,准备在真空中燃烧。如前面所说,固体火箭和液体火箭是不同的,其燃烧过程也有差别。液体火箭发动机装的是像水一样的液体。需要如水泵一样的输送系统抽取燃料。液氢液氧是一种常见的低温高能推进剂,极容易燃烧,不容易储存,但用在运载火箭上却很方便。火箭发动机不能出故障,否则整个发射会功篑一瞬。1995年3月28日,俄罗斯用“起飞号”运载火箭发射一颗以色列卫星、两颗本国卫星以及墨西哥的试验仪器时,由于发动机失灵,10分钟后火箭爆炸。

固液体火箭的燃料一定要密封好,稍有泄漏,就会酿成大祸。1986年1月28日,美国卡纳维拉尔角宇航中心,火箭发射一分钟后,由于右侧固体助推火箭圆筒焊接处的密封圈出了问题,使火箭燃烧的火焰窜出来,烧坏了机外燃烧舱的液氢容器,最后造成助推火箭和机外燃烧舱分离,进而猛烈爆炸,致使搭载飞船的七名机组人员遇难。

控制系统,就像人的神经系统一样,能指挥火箭进行各种行动,包括制导系统、发射系统、姿态控制系统等。控制系统的任务是使运载火箭保持正常的运行姿态,该偏就偏,该正就正。运载火箭的制导系统有惯性制导和无线电制导。惯性制导是依靠运载火箭的设备来指导自己运行;无线电制导要通过他人来帮助,地面雷达将测出的运载火箭方位与速度进行比较,对运载火箭的偏差进行修正,同时按时发布火箭发动机熄火、关闭的信号。

控制系统是很重要的。统计资料显示,相当一部分航天发射事故均出于此。以1995年为例,八起航天发射事故,四起就是控制系统出了问题:1月15日,日本用M-36-2固体火箭发射德日联合研制的“快车号”返回式卫星,火箭起飞后103秒开始摇摆,地面站只好发出指令让其星箭俱毁;6月22日,美国用“飞马座”-XL空射小型火箭发射空军一个小型试验卫星时,第二次点火后的火箭失去控制而偏离预定轨道,发射场官员只好发出自毁指令;8月15日,美国用新研制的LLV-Ⅰ小型火箭进行首次发射时,由于第二级火箭姿态失控,在发射后106秒时,发射场官员只好向星箭发出自毁指令;10月23日,美国私人投资的“大篷车”小型固体火箭从美国弗吉尼亚洲瓦洛普斯发射45秒后箭体倾斜,爆炸后坠入大西洋。

运载火箭的分离系统,就是自动分开的系统,它包括人造天体与末级火箭的分离、卫星整流罩的分离等。分离系统也不可忽视,这就像生孩子一样,如果不能分离或者分离不准,很可能会造成发射失败。这里有两个典型的例子:

1995年8月5日,美国用“德尔它”火箭发射韩国第一颗国内通信卫星时,由于捆绑在第一级火箭周围九个固体助推器中的一个没有分离,致使火箭把卫星送入偏低轨道。后来经过地面17次操纵指令,该卫星最终被推上地球同步轨道,但卫星燃料消耗过多,卫星寿命减半。

又如1995年8月31日,在俄罗斯用“旋风”号火箭发射乌克兰的海洋观测卫星和智利的50千克重的小卫星时,由于分离机构的故障,使智利卫星未能与主卫星分离,这样,乌克兰卫星也无法进行通信试验和对地观测。

运载火箭规格不等,这常常由它所搭载的人造天体和飞行轨道来决定。