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火箭知識概要
（2006年09月26日 13:25:28）
來源︰《太空探索》
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□作者: 孫欣榮
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汽車、火車、輪船和飛機是人們常見的幾種運輸工具。自二十世紀50年代以來，運載火箭也成為一種新的運輸工具，它為人類插上了強大的“翅膀”，使人類的活動範圍由地球表面擴大到宇宙空間。直到現在，火箭仍然是人類探索太空的主要運載工具。
火箭發展簡歷
在漫長的歷史進程中，火箭經歷了由古代火箭到現代火箭的發展。
我國是火藥的祖先，也是最早使用火箭的國家。據歷史記載，我國早在三國時代就開始使用火箭。不過，當時的火箭不是依靠噴氣推進的，而是在普通的箭上綁上澆上油脂的柴草和棉麻等易燃物，將其點燃後用弓箭彈射出去。唐末宋初，火藥替代了箭頭上原來的燃燒物，並開始用于戰爭。南宋時期，我國出現了用火藥制成的起火、流星、地老鼠等煙花爆竹，成為最早依靠噴氣推進的古代火箭。元朝和明朝時期，火箭技術在我國進一步發展。明朝茅元儀編著的《武備志》一書記載了30多種火箭的結構和作用，其中包括“一窩蜂”、“火龍出水”、“飛空砂筒”等。14世紀末，明朝的勇士萬戶還借助火箭進行了人類歷史上第一次飛天嘗試。古代火箭的工作原理和基本結構，為現代火箭的設計、制造提供了寶貴經驗。
二十世紀初，歐美一批科學家對現代火箭技術進行了深入研究，並取得了突破性成果。1903年，星際航行理論奠基人齊奧爾科夫斯基發表了《利用噴氣工具研究宇宙空間》的著名論文，推導出著名的齊奧爾科夫斯基火箭公式，從理論上證明，火箭的速度與火箭發動機的噴氣速度成正比。他還指出，要達到空間飛行的速度，必須使用多級火箭。1923年，德國科學家奧伯特在其論文《飛向星際空間的火箭》中，創立了火箭的數學理論，提出了關于火箭結構和高空火箭的設想。1926年，美國的羅伯特•戈達德博士成功地發射了人類的第一枚液體火箭。第二次世界大戰期間，德國利用火箭技術研制出V-2導彈並用于實戰。第二次世界大戰結束後，甦聯和美國分別在V-2導彈的基礎上發展本國的導彈技術，後來又在導彈的基礎上發展了各種類型的運載火箭。利用火箭技術，人類進入了太空時代，發射了各類人造衛星、載人飛船、空間站、航天飛機和宇宙探測器。
火箭的概念、原理和分類
火箭是一種依靠火箭發動機噴射工作介質產生的反作用力推動前進的飛行器。
火箭的飛行原理是它借助了物體的反作用力，就像一只充足氣體的氣球，當我們把它從手中放開後，氣球內的氣體便順著氣球的氣嘴噴出，同時氣球向前沖去。因自身攜帶氧化劑，用不著像飛機那樣依靠大氣中的氧氣，所以火箭可以飛出大氣層，在真空條件下飛行。
火箭可按不同的方式進行分類。按組合方式可分為單級火箭、多級火箭；按使用發動機的種類可分為液體火箭、固體火箭、固液混合式火箭、化學能火箭、電火箭、核火箭、激光火箭和太陽能火箭等；按用途可分為生物火箭、氣象火箭、地球物理火箭和運載火箭等。目前使用最多的是多級火箭、化學能火箭和運載火箭。
單級火箭只有一級發動機，結構簡單，飛行時間短，飛行高度低，是航天技術發展早期使用較多的一種類型，如美國發射第一種載人飛船水星號的紅石火箭。
多級火箭是目前使用最多的一種類型。多級火箭發射時，最下面的第一級先點火啟動，工作結束後即被拋掉，同時第二級點火，工作完成後再拋掉，依此類推，直到將有效載荷送到預定軌道為止。飛行過程中，隨著推進劑的消耗，火箭質量不斷減小，速度不斷增大。不過，火箭的級數並非越多越好，級數過多會增加系統的復雜程度，最理想的級數是2級至4級。比如，我國的長征二號C和長征二號D就是典型的兩級火箭，長征三號、長征四號A、長征三號A為三級火箭。美國用于發射本國第一顆衛星的丘比特C為四級火箭。多級火箭各級采用的發動機既可以全部是液體，也可以全部是固體，還可以既有液體也有固體，如我國發射東方紅一號衛星的長征一號火箭就是第一、二級采用的是液體發動機，第三級采用的是固體發動機。
多級火箭的組合方式分為串聯、並聯和串並聯。其中，串聯式最為常見，它是將幾個單級火箭沿火箭軸線聯接起來，如我國的長征二號C、長征二號D、長征三號、長征四號A、長征三號A均為串聯式火箭。並聯式是將一枚較大的火箭做芯級，在它的周圍並排聯接多枚稱為助推火箭或助推器的小火箭，俗稱捆綁式火箭。助推器因早于第一級火箭脫落，所以被稱為半級。我國古代歷史上發明的神火飛鴉，就是一種原始並聯式火箭。現代並聯式火箭有美國的航天飛機、歐洲的阿里安5號等。串並聯式指芯級火箭不是單級火箭，而是串聯的多級火箭。如我國的長征二號E、長征三號B，歐洲的阿里安4號和俄羅斯的聯盟號等。
火箭的三大系統
運載火箭是將人造衛星、宇宙飛船、空間站和宇宙探測器等航天器送入太空的運載工具，是人類一切航天活動的基礎。它主要包括三大系統︰動力系統、結構系統和控制系統。
動力系統即火箭發動機系統，是火箭的動力裝置，堪稱火箭的心髒。它依靠推進劑在燃燒室內燃燒，形成高溫高壓燃氣，通過噴管高速排出後產生反作用力推動火箭前進。火箭發動機按使用推進劑的類別分為液體火箭發動機、固體火箭發動機、固液混合式火箭發動機三種。
結構系統通常稱為箭體結構，它是火箭的軀體，用于連接火箭所有結構部段，使之成為一個整體，具有良好的空氣動力外形和飛行性能。
控制系統是火箭的大腦和神經中樞。火箭發射後的級間分離、俯仰偏航、發動機關機與啟動、軌道修正和星箭分離等一系列動作，都依靠控制系統完成。
推進劑——發動機的“食糧”
火箭發動機使用的燃料稱為推進劑，堪稱火箭發動機的“食糧”。
目前，各國研制的運載火箭多使用化學燃料推進劑。化學燃料推進劑可根據物理形態分為液體推進劑和固體推進劑兩類，根據性質可分為可貯存推進劑和低溫推進劑。可貯存推進劑指在常溫下可以長期在火箭推進劑貯箱中貯存的推進劑，如硝酸和煤油等。低溫推進劑指在常溫下沸點低的推進劑，如液氧、液氫等。
液體推進劑按組成可分為雙組元和單組元兩種。其中雙組元推進劑可分為自燃雙組元推進劑和非自燃雙組元推進劑。自燃雙組元推進劑指像偏二甲 和四氧化二氮這種相互接觸就能自動燃燒的推進劑。
雙組元推進劑是現代液體燃料火箭最常用的推進劑，包括燃燒劑和氧化劑。常用的燃燒劑有液氫、煤油、酒精、偏二甲 、一甲基 等，常用的氧化劑有液氧、硝酸、過氧化氫和四氧化二氮等。
單組元推進劑是一種單一物質，其中既含有燃燒劑成分，又含有氧化劑成分。它在常溫下處于穩定狀態，加壓、加熱後能劇烈分解，產生大量高溫氣體。由于單組元液體推進劑的性能較低，一般只用作小推力的火箭姿態控制發動機和大推力火箭發動機渦輪泵的輔助動力源。
隨著航天技術的發展以及環保和人體健康要求的日益提高，火箭主發動機目前正朝著采用無毒、無污染的液氫、液氧和液氧、煤油推進劑的方向發展。
固體推進劑是固體火箭使用的能源和工質，由燃燒劑、氧化劑、粘合劑、增塑劑、催化劑、降速劑、穩定劑和防老化劑等組成。固體推進劑可按組成分為雙基推進劑、復合推進劑和改性雙基推進劑等。按質地可分為均質推進劑和異質推進劑。目前，使用較多的復合推進劑，有聚硫橡膠推進劑、聚氨酯推進劑、聚丁二烯推進劑等。
液體火箭發動機
液體火箭發動機是使用液體推進劑的火箭發動機，具有推力大、工作時間長、推力易于調節和控制、易于啟動和關機、可多次啟動等優點。缺點是，需要推進劑增壓輸送系統、燃燒室和噴管冷卻系統，因而結構復雜；推進劑不能在火箭中長期貯存，發射前操作較為復雜。
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文章作者:孫欣榮
責任編輯:skylook
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