书城工业技术征服太空之路丛书:火箭与长征火箭的故事
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第3章 从古到今话火箭(3)

V-2火箭二战后,美国俘虏了以冯·布劳恩为首的德国火箭专家,缴获了100余枚V-2火箭。美国陆军在布劳恩的帮助下于1945年发射了V-2火箭,1949年开始研究“红石”弹道导弹,1954年制定人造卫星计划,1958年2月1日“丘比特”C火箭成功发射美国第一颗人造卫星,美国为发射多种航天器,先后研制成功“先锋号”、“丘诺号”、“红石号”、“侦察兵号”、“大力神号”和“土星号”等运载火箭。

1960年11月5日,中国第一枚近程火箭发射试验成功。我国有“长征”号(CZ)系列运载火箭,主要有“长征一号”、“长征二号”、“长征三号”、“长征四号”共四种基本型运载火箭和“长征一号D”、“长征二号C”、“长征二号C/SD”、“C长征二号D”、“长征二号E”、“长征二号F”、“长征三号A”、“长征三号B”、“长征四号B”等多种改进型。

1990年4月7日,中国“长征三号”运载火箭成功发射美国制造的“亚洲一号”卫星。“长征”火箭成功地进入了国际商业发射卫星的行列,至今已将27颗外国卫星发射上天。

美国“德尔它”火箭法国从上世纪50年代开始自行研制探空火箭和导弹,并在此基础上研制“钻石号”运载火箭。1965年11月至1967年2月,法国“钻石号”火箭将A-1、D-1人造卫星送入太空。法国积极推动西欧国家联合发展欧洲航天事业,它是欧洲航天局的主要成员国,并承担“阿丽亚娜”号运载火箭的大部分研制工作。

欧洲航天局正式成员国有比利时、丹麦、法国、联邦德国、爱尔兰、意大利、荷兰、西班牙、瑞典和英国;非正式成员国有奥地利和挪威;加拿大为观察员国。由欧洲航天局研制的“阿丽亚娜-1”运载火箭于1979年12月24日首次发射成功。迄今已研制有“阿丽亚娜-1”到“阿丽亚娜-5”五种基本型和多种改进型火箭。“阿丽亚娜-4”为欧洲航天局主要运载工具,已发射80余次,失败7次,成功率在世界商用卫星运载工具中名列前茅。

日本自1963年开始研制M系列固体运载火箭,共有4代。1970年日本宇宙开发事业团决定引进美国“德尔它”运载火箭技术,以发展本国的N号运载火箭。1975年9月,日本首次用N-1火箭成功地发射了“菊花-1”技术试验卫星。1994年成功试验带有氢氧燃料装置的N-2火箭。印度自行研制成功运载火箭系列SLV、ASLV、PSLV和GSLV,2001年4月,印度同步轨道卫星运载火箭GSLV发射成功。

此外,英国、意大利、加拿大、印度、巴西、以色列、韩国、朝鲜等国,均已具备利用本国制造或租用他国运载火箭来发射人造卫星的能力。

知识点欧洲航天局

欧洲航天局是在1975年由一个政府间会议设立的,总部设在法国首都巴黎,目标是专门为和平目的提供和促进欧洲各国在空间研究、空间技术和应用方面的合作。

欧洲航天局的前身,欧洲航天研究组织经过1962年6月14日签署的一项协议,于1964年3月20日建立。如今它仍旧是欧洲航天局的一部分,称为欧洲航天研究与技术中心,位于荷兰的诺德惠克。欧洲航天局共有约2200名工作人员(2011年)。发射中心是位于法属圭亚那的圭亚那发射中心。由于其相对于赤道较近,使卫星发射至地球同步轨道较为经济(同质量下所需燃料较少)。控制中心位于德国的达姆施塔特。

火箭是如何飞上太空的

现代火箭是指一种靠发动机喷射气体产生反作用力向前推进的飞行器,是实现卫星上天和航天飞行的运载工具,故又称为“运载火箭”。

人们在射击时会感觉到,子弹射出枪口时枪身会向后坐,也就是说枪身向后移动。这个力量很大,有时会把人推一个跟头。这就是我们经常说的牛顿第三定律的体现,即“两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在一条直线上”。火箭的发射就是利用这个原理。

火箭的工作原理就是动量守恒定律,当火箭推进剂燃烧时,从尾部喷出的气体具有很大的动量,根据动量守恒定律,火箭就获得等值反向的动量,因而发生连续的反冲现象,随着推进剂的消耗,火箭质量不断减小,加速度不断增大,当推进剂燃尽时,火箭即以获得的速度沿着预定的空间轨道飞行。

提高火箭速度有两个办法,一是提高气体的喷射速度,二是提高质量比(火箭开始飞行时的质量与燃料燃尽时的质量之比)。而提高喷射速度的办法比提高质量比的办法更有效,但喷射速度的提高也有一定的限度。因为要提高喷射速度,必须有高效能的燃料,才能产生高温高压的气体,并高速地从喷口喷出;同时还要求制作燃烧室和喷口的材料能经受得住高温、高压和高速。

现代液体燃料的火箭喷射速度为2500米/秒,气体的压强为4个大气压,温度已高达3000℃左右。把喷气速度提高到4~4.5千米/秒就是很高的技术水平了,要想把质量比提高到10也是很难办到的。火箭除了外壳、存贮燃料设备和燃烧室外还要有发动机、仪器、控制设备和要运送的人造卫星、爆炸弹头等,燃料燃尽后,剩余的总质量还是相当大。如果质量比是6,气体的喷射速度为2500米/秒,火箭的最大速度也不到4.5千米/秒,远小于第一宇宙速度(7.9千米/秒),更不用说脱离地球引力了。可见,单级火箭的最终速度是有一定限制的,因此只有利用多级火箭才能获得较大的最终速度。

它是怎么飞行的呢?先来做一个小试验:把气球吹满气,猛一松手,它肯定会向前“飞”出一定距离后才落到地面。原来气球之所以能“飞”是因为受到它“肚子”里排放出来的空气的反作用力的推动。

运载火箭飞行的原理和气球“飞”的原理一样,都是利用了物体的反作用力。运载火箭的“肚子”里装有燃料,燃料点着后产生大量热量,变成急剧膨胀的气体,气体从火箭尾部猛烈喷出,火箭便在气体喷发产生的反作用力下向前飞行了。

火箭为什么能飞得那么快呢?我们知道,燃料产生的热量越多,喷射气体的速度越快,产生的推力就越大。科学家计算过,一般火箭燃气的喷射速度约为每秒2千米,当燃料的重量是火箭净重的1.72倍时,火箭的最终速度等于气体的喷射速度;如果要使火箭的最终速度达到气体喷射速度的2~3倍,那么就要相应地增加燃料。可是燃料增加,火箭的体积、重量也就随之增加,而用同样的力推动轻、重不同的物体时,其速度是不一样的。怎么解决增加燃料又不过多地增加火箭重量的矛盾呢?科学家们想了一个绝妙的办法,就是把火箭做成一级一级的,每一级都有燃料,烧完一级就扔掉一级,这样火箭就越飞越轻,速度也越来越快。再加上离地球越来越远,地心引力和空气阻力都随之减小等其他因素,火箭便可以具有超过其他任何交通工具的速度。

随着科技的不断发展,科学家们已经发明、制造了各种型号的火箭,这些火箭内部构造互不相同,而且都相当复杂。如1970年中国发射的“长征一号丁”火箭,它是一枚装有二度轨级的三级小型运载火箭。但是不管这些火箭内部构造有多复杂,其主要部分都可以归纳为壳体和燃料。壳体是圆筒形的,前端是封闭的尖端,后端有尾喷管,燃料燃烧产生的高温压燃气从尾喷管迅速喷出,火箭就向前飞去。