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火箭知识概要

(2006年09月26日 13:25:28)
来源:《太空探索》

□作者: 孙欣荣

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  汽车、火车、轮船和飞机是人们常见的几种运输工具。自二十世纪50年代以来,运载火箭也成为一种新的运输工具,它为人类插上了强大的“翅膀”,使人类的活动范围由地球表面扩大到宇宙空间。直到现在,火箭仍然是人类探索太空的主要运载工具。
  
  火箭发展简历
  
  在漫长的历史进程中,火箭经历了由古代火箭到现代火箭的发展。
  我国是火药的祖先,也是最早使用火箭的国家。据历史记载,我国早在三国时代就开始使用火箭。不过,当时的火箭不是依靠喷气推进的,而是在普通的箭上绑上浇上油脂的柴草和棉麻等易燃物,将其点燃后用弓箭弹射出去。唐末宋初,火药替代了箭头上原来的燃烧物,并开始用于战争。南宋时期,我国出现了用火药制成的起火、流星、地老鼠等烟花爆竹,成为最早依靠喷气推进的古代火箭。元朝和明朝时期,火箭技术在我国进一步发展。明朝茅元仪编著的《武备志》一书记载了30多种火箭的结构和作用,其中包括“一窝蜂”、“火龙出水”、“飞空砂筒”等。14世纪末,明朝的勇士万户还借助火箭进行了人类历史上第一次飞天尝试。古代火箭的工作原理和基本结构,为现代火箭的设计、制造提供了宝贵经验。
  二十世纪初,欧美一批科学家对现代火箭技术进行了深入研究,并取得了突破性成果。1903年,星际航行理论奠基人齐奥尔科夫斯基发表了《利用喷气工具研究宇宙空间》的著名论文,推导出著名的齐奥尔科夫斯基火箭公式,从理论上证明,火箭的速度与火箭发动机的喷气速度成正比。他还指出,要达到空间飞行的速度,必须使用多级火箭。1923年,德国科学家奥伯特在其论文《飞向星际空间的火箭》中,创立了火箭的数学理论,提出了关于火箭结构和高空火箭的设想。1926年,美国的罗伯特·戈达德博士成功地发射了人类的第一枚液体火箭。第二次世界大战期间,德国利用火箭技术研制出V-2导弹并用于实战。第二次世界大战结束后,苏联和美国分别在V-2导弹的基础上发展本国的导弹技术,后来又在导弹的基础上发展了各种类型的运载火箭。利用火箭技术,人类进入了太空时代,发射了各类人造卫星、载人飞船、空间站、航天飞机和宇宙探测器。
  
  火箭的概念、原理和分类
  
  火箭是一种依靠火箭发动机喷射工作介质产生的反作用力推动前进的飞行器。
  火箭的飞行原理是它借助了物体的反作用力,就像一只充足气体的气球,当我们把它从手中放开后,气球内的气体便顺着气球的气嘴喷出,同时气球向前冲去。因自身携带氧化剂,用不着像飞机那样依靠大气中的氧气,所以火箭可以飞出大气层,在真空条件下飞行。
  火箭可按不同的方式进行分类。按组合方式可分为单级火箭、多级火箭;按使用发动机的种类可分为液体火箭、固体火箭、固液混合式火箭、化学能火箭、电火箭、核火箭、激光火箭和太阳能火箭等;按用途可分为生物火箭、气象火箭、地球物理火箭和运载火箭等。目前使用最多的是多级火箭、化学能火箭和运载火箭。
  单级火箭只有一级发动机,结构简单,飞行时间短,飞行高度低,是航天技术发展早期使用较多的一种类型,如美国发射第一种载人飞船水星号的红石火箭。
  
  多级火箭是目前使用最多的一种类型。多级火箭发射时,最下面的第一级先点火启动,工作结束后即被抛掉,同时第二级点火,工作完成后再抛掉,依此类推,直到将有效载荷送到预定轨道为止。飞行过程中,随着推进剂的消耗,火箭质量不断减小,速度不断增大。不过,火箭的级数并非越多越好,级数过多会增加系统的复杂程度,最理想的级数是2级至4级。比如,我国的长征二号C和长征二号D就是典型的两级火箭,长征三号、长征四号A、长征三号A为三级火箭。美国用于发射本国第一颗卫星的丘比特C为四级火箭。多级火箭各级采用的发动机既可以全部是液体,也可以全部是固体,还可以既有液体也有固体,如我国发射东方红一号卫星的长征一号火箭就是第一、二级采用的是液体发动机,第三级采用的是固体发动机。
  多级火箭的组合方式分为串联、并联和串并联。其中,串联式最为常见,它是将几个单级火箭沿火箭轴线联接起来,如我国的长征二号C、长征二号D、长征三号、长征四号A、长征三号A均为串联式火箭。并联式是将一枚较大的火箭做芯级,在它的周围并排联接多枚称为助推火箭或助推器的小火箭,俗称捆绑式火箭。助推器因早于第一级火箭脱落,所以被称为半级。我国古代历史上发明的神火飞鸦,就是一种原始并联式火箭。现代并联式火箭有美国的航天飞机、欧洲的阿里安5号等。串并联式指芯级火箭不是单级火箭,而是串联的多级火箭。如我国的长征二号E、长征三号B,欧洲的阿里安4号和俄罗斯的联盟号等。
  
  火箭的三大系统
  
  运载火箭是将人造卫星、宇宙飞船、空间站和宇宙探测器等航天器送入太空的运载工具,是人类一切航天活动的基础。它主要包括三大系统:动力系统、结构系统和控制系统。
  动力系统即火箭发动机系统,是火箭的动力装置,堪称火箭的心脏。它依靠推进剂在燃烧室内燃烧,形成高温高压燃气,通过喷管高速排出后产生反作用力推动火箭前进。火箭发动机按使用推进剂的类别分为液体火箭发动机、固体火箭发动机、固液混合式火箭发动机三种。
  结构系统通常称为箭体结构,它是火箭的躯体,用于连接火箭所有结构部段,使之成为一个整体,具有良好的空气动力外形和飞行性能。
  控制系统是火箭的大脑和神经中枢。火箭发射后的级间分离、俯仰偏航、发动机关机与启动、轨道修正和星箭分离等一系列动作,都依靠控制系统完成。
  
  推进剂——发动机的“食粮”
  
  
  火箭发动机使用的燃料称为推进剂,堪称火箭发动机的“食粮”。
  目前,各国研制的运载火箭多使用化学燃料推进剂。化学燃料推进剂可根据物理形态分为液体推进剂和固体推进剂两类,根据性质可分为可贮存推进剂和低温推进剂。可贮存推进剂指在常温下可以长期在火箭推进剂贮箱中贮存的推进剂,如硝酸和煤油等。低温推进剂指在常温下沸点低的推进剂,如液氧、液氢等。
  液体推进剂按组成可分为双组元和单组元两种。其中双组元推进剂可分为自燃双组元推进剂和非自燃双组元推进剂。自燃双组元推进剂指像偏二甲肼和四氧化二氮这种相互接触就能自动燃烧的推进剂。
  双组元推进剂是现代液体燃料火箭最常用的推进剂,包括燃烧剂和氧化剂。常用的燃烧剂有液氢、煤油、酒精、偏二甲肼、一甲基肼等,常用的氧化剂有液氧、硝酸、过氧化氢和四氧化二氮等。
  单组元推进剂是一种单一物质,其中既含有燃烧剂成分,又含有氧化剂成分。它在常温下处于稳定状态,加压、加热后能剧烈分解,产生大量高温气体。由于单组元液体推进剂的性能较低,一般只用作小推力的火箭姿态控制发动机和大推力火箭发动机涡轮泵的辅助动力源。
  随着航天技术的发展以及环保和人体健康要求的日益提高,火箭主发动机目前正朝着采用无毒、无污染的液氢、液氧和液氧、煤油推进剂的方向发展。
  固体推进剂是固体火箭使用的能源和工质,由燃烧剂、氧化剂、粘合剂、增塑剂、催化剂、降速剂、稳定剂和防老化剂等组成。固体推进剂可按组成分为双基推进剂、复合推进剂和改性双基推进剂等。按质地可分为均质推进剂和异质推进剂。目前,使用较多的复合推进剂,有聚硫橡胶推进剂、聚氨酯推进剂、聚丁二烯推进剂等。
  
  液体火箭发动机
  
  液体火箭发动机是使用液体推进剂的火箭发动机,具有推力大、工作时间长、推力易于调节和控制、易于启动和关机、可多次启动等优点。缺点是,需要推进剂增压输送系统、燃烧室和喷管冷却系统,因而结构复杂;推进剂不能在火箭中长期贮存,发射前操作较为复杂。
  

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