中国长征一号运载火箭

第二节　运载火箭

地球是人类的摇篮，但是人类不会永远生活在摇篮里，开始他们将小心翼翼地穿出大气层，然后去征服太阳系。

——齐奥尔科夫斯基（俄国）

地球是人类的摇篮，我们不会永远停留在摇篮里。为了追求光明和探索空间，开始要小心翼翼地飞出大气层，然后再征服太阳周围的整个空间。1957年10月4日，前苏联发射了人类第一颗人造卫星“史普尼克”。几个月后，1958年1月31日，美国也成功的发射了人造地球卫星“探险者”1号。1961年4月12日，苏联成功地发射了世界上第一个载人宇宙飞船，加加林成为世界上第一名宇航员。此后，美国人格伦也乘飞船完成了绕地球轨道的飞行。这些重大的宇宙飞行都是以火箭技术的发展为前提的。火箭是人类走向太空的桥梁。

（一）实现空间飞行条件

7.9×10³米每秒（第一宇宙速度），是航天器成为人造地球卫星的最起码的速度，所以叫第一宇宙速度，又叫环绕速度。当初速度达到11.2×10³米每秒（第二宇宙速度）时，航天器就可以飞到∞处。当航天器离地心的距离趋向于∞时，地球对航天器的引力可忽略，这时航天器实际上已脱离地球的影响成为太阳系的人造卫星了。如果航天器以16.7×10³米每秒（第三宇宙的速度）速度离开地面时，它不但可以脱离地球的束缚，而且可以逃逸太阳的束缚，成为银河系中的一颗人造天体。航天器要具有足够的能量（运行时的机械能E＝GMm/2r，M为地球的质量，m为航天器的质量，r航天器离地心的距离）才能成为人造天体，它的实际运行轨道与它和运载火箭分离后具有的速度有关。

图11-7　齐奥尔科夫斯基

（二）航天之父——齐奥尔科夫斯基

让火箭飞向太空探测宇宙，是“火箭之父”——俄国和前苏联科学家齐奥尔科夫斯基（Ziolkovsky，1857～1935年）最先提出来的。1903年齐奥尔科夫斯基提出火箭公式V＝VplnM0/M（V为终速，Vp喷气速度，M0为原始质量，M为所剩质量）计算表明，用液氧、煤油等作推进剂的单级火箭是无法达到宇宙速度的。即使用液氢液氧作推进剂，喷气速度也只能达到4.2千米/秒，因为考虑到空气阻力，从地面起飞的火箭，实际上应达到9.5千米/秒以上的速度。这样一来，火箭的质量比应达到11以上才行。

也就是说，推进剂应占火箭总质量的91%以上，齐奥尔科夫斯基设想用多级火箭接力的办法来达到宇宙速度，就是在火箭垂直发射时，让最下面一级先工作，完成任务后脱离，接着启动上面一级，进一步提高速度。

在经过一系列数学运算以后，他又指出，对于使用硝酸和肼类推进剂的火箭来说，要使最后速度达到第一宇宙速度7.9千米/秒，火箭的质量比应等于23.5。也就是说，总重量为100吨的火箭，要有96吨是推进剂。若加上地球引力因素，则要求的质量比应更大。

由此可见，分级火箭有利于提高火箭的最终速度。

当然，火箭的级数不可能无限制地增加，因为对下面一级火箭来说，前面的各级火箭都是它的有效载荷。理论计算和实践经验表明，每增加1份有效载荷，火箭需要增加10份以上的质量来承受，随着火箭级数的增加，使最下面的一级和随后的几级变得越来越庞大，以至于无法起飞。多级火箭一般不超过4级。

（三）现代的火箭结构

现代的火箭是一种拥有极其复杂构造的运载工具。主要由箭体结构、推进系统、制导系统三大部分组成。它一般包括推进剂及其贮箱、动力装置、制导与控制系统、分离系统、电源系统和有效负载（卫星或航天飞船）等部分。

（1）箭体结构

它是安装与连接有效载荷（卫星、宇宙飞船）、仪器设备和动力装置等。有效载荷装在仪器有效载荷舱上面，外面有整流罩，在火箭飞出大气层后，整流罩即抛掉。分离系统是用来分离火箭的整流罩及已失去效用的部分装置。火箭运载的卫星或宇宙飞船都安置在火箭的头部。当火箭在穿越稠密大气层时，由于迎面气流的猛烈冲击和摩擦，不但阻力很大，而且使火箭头部温度很快升高。为了减少阻力，保护卫生等设备，就要为火箭头部安上一个流线型、耐高温的罩子，称为整流罩。到了约120千米的高空，空气已很稀薄，整流罩失去意义，为了减轻火箭的负担，就需要将它们分离、抛弃。还有，火箭常常分几级，那些燃料用完的部分也需要逐级分离、抛弃。为了增大运载能力，大部分运载火箭的第一级捆绑有助推火箭，数量根据需要而定。美国的“德尔塔”、法国的“阿里亚娜”和中国的“长征-2E”，都是捆绑式火箭。

图11-8　CZ-3A运载火箭结构

（2）推进系统

推进系统由发动机和推动剂输送系统组成。在整个火箭中，推进剂及其贮箱常常占据了火箭整体的很大一部分。正是由于推进剂燃烧后产生的高温高速气流从尾部喷出，火箭才能前进。常用的火箭推进剂有固体与液体两种。固体推进剂起源较早，动力装置比较简单，能瞬时发射，常用于军事导弹中，液体推进剂燃烧的能量较高，且易于调节与控制，多用在航天火箭上。最理想的推进剂由液氢和液氧组成。因液氢相对密度小，占据的体积比同样质量的水大14倍，故它的贮箱容积较大。另外，液氢和液氧的温度都很低，液氧在-183℃以下，液氢在-253℃以下。这样低的温度会使许多材料发生脆化。还有，混杂在液氢中的其他液体或气体杂质几乎都会结冰，堵塞管道。这些缺点给贮箱与管道的制造与使用提出了十分苛刻的技术难题。推进剂输送系统的作用犹如人的血管，使液体推进剂在发动机的涡轮泵入口处具有一定压力，涡轮泵能保持较高的效率工作。运载火箭一般采用液体推进剂，第一、二级多用液氧、煤油、四氧化二氮或偏二甲肼；末级用液氧、液氢高能推进，这种低温液体火箭技术比较复杂，目前只有美国、俄罗斯、法国、中国和日本等少数国家掌握。助推火箭多采用固体推进剂，也有用液体推进剂的。火箭的另一重要部件，便是装在火箭末端的火箭发动机，推进剂就是在这里燃烧，并通过它那像钟形的喷口向外喷射高速气流的。一枚火箭带有几个发动机协同工作。如运送“阿波罗”飞船登月的“土星5”号火箭，就有5个发动机，每个发动机能产生692.8吨力的推力，其总推力为3464吨力。发动机高为5.4米，其连续贮箱的燃料供应管，可容一人在里面爬行。

（3）控制系统

控制系统由惯性器件、中间交换装置、执行机构及电源配电系统组成。惯性器件有陀螺仪、加速度表等，用于测量火箭的加速度，并把数据传输给由数/模、模/数转换装置。火箭空间的飞行的特点是速度快、路途远。发射时差之毫厘，就会失之千里，所以必须要有精确的制导系统。制导系统主要由电子计算机、惯性测量器件及相应的执行部件等组成。电子计算机好像是火箭的大脑，而惯性元件则是火箭的感觉器官。在飞行中，惯性元件不断提供火箭在各个运动方向的加速度等状态数据，计算机便根据这些数据算出火箭在某一时间的位置与速度，并与预设的要求进行比较，得出差值，然后据此发出一系列指令，由执行部件依照指令进行修正，以保持正确的飞行状态。

电源设备用来对火箭供电。目前大多用化学电池，也有用太阳能电池或核电源。

火箭上还要装备通信设施，以便与地面联络。

按不同飞行任务，运载火箭分三类：①携带仪器射向高空进行大气测量的运载火箭，称为探空火箭；②携带各种弹头打击敌方目标的运载火箭，称为弹道式导弹；③把卫星或飞船送上轨道的运载火箭，称为卫星（飞船）运载器。

进一步了解火箭的有关知识，请登陆：

http://www.bjkp.gov.cn/gkjqy/smkx/index.htm

【思考题】

1.实现空间飞行的条件是什么？

2.简述现代火箭的基本结构。