航天兵器运载火箭,用来发射太空武器系统、海洋监视卫星和拦截卫星;
重型运载火箭,用来发射环绕地球飞行的空间站和载人绕月飞行器。
1990年,前苏联还推出了世界上推力最大的运载火箭“能源”号,将航天飞机送上太空。
我国依靠自己的力量,大力发展航天事业,形成了我国自己的“长征”系列火箭,成功地将21颗卫星送入了太空。
可达到宇宙速度的多级火箭
运载火箭一般是要将卫星或者飞船等飞行器送上环绕地球飞行的轨道。而洲际导弹要飞行半个地球的距离,因而一般来说必须具有很高的速度。如果将卫星送入环绕地球的轨道飞行,就必须加速到每秒7.9千米以上的速度,而将飞船送上月球的速度要求就更大了。
人类在1969年所乘坐的“阿波罗11”号登月飞船的速度就达到每秒钟10.8千米,即使是这样快的飞行速度,也飞行了99个小时才到达月球。
因此,运载火箭和洲际导弹很强调它们最终能达到的速度。人们最早曾想用速度非常快的大炮,但无论如何努力,最大、最1929年齐奥尔科夫斯基提出多级火箭理论好的大炮也只能打出每秒飞行2千米的炮弹。如果用一级火箭,利用目前世界上最好的燃料、最好的火箭发动机、最好的火箭材料也无法达到每秒7.9千米的环绕地球速度,最多不过4~5千米/秒。
于是,人们聪明地想到了设计多级火箭,达到第一宇宙速度对它来说是轻而易举的事情。多级火箭无需像单级火箭那样,把整个火箭的壳体也加速到很大的速度而额外地消耗大量的能量,它只是将重量很轻的最末一级火箭加速到很高的速度,而占绝大部分火箭重量的一二级壳体则在飞行途中被抛弃掉。多级火箭的道理就像负重爬山一样。当一个人的体力无法一次背着一个重量很大的背包从山脚一直爬到山顶时,可以这样来完成:第一个人从山脚爬一段后,由第二个人接过背包继续爬到山腰,再由第三个人爬到山顶,这样每个人都能很胜任地完成每段爬山任务。因而一般的运载火箭和洲际导弹都采用多级结构。
举一个例子很容易说明问题:两枚火箭,一枚是单级型的,一枚是二级型的,用同样的推进剂。单级火箭只能达到每秒4600米的速度,射程也不过4000千米,只能达到第一宇宙速度的58%。对于二级火箭,它的速度可以达到每秒8000米,足以用来发射卫星。
一般火箭在低空出现很高的速度,耗费的燃料特别多,因为此时火箭受到空气阻力特别大。因此聪明的火箭设计师总是在设计飞行程序时让运载火箭慢慢地爬升,以较低的速度穿越稠密大气层的下层,以较快的速度飞出大气的上层,让火箭在大气层外的高空加速。一般多级火箭的第一级都在60千米以上的高空关闭发动机,此时大气密度已降低为千分之一,第二级在稀薄的大气层飞行,真正到第三级火箭点火时,火箭已在真空中工作,没有任何的空气阻力,仅仅需要克服重力而已。
有一种类型的多级火箭不是一级一级接上去的,而是将助推火箭与中心的主火箭捆绑在一起。这种火箭一般在四周捆绑上2枚、4枚或更多的助推火箭,能够产生很大的推力。我国的“长征2E”火箭就是这种捆绑型的火箭。
多级火箭在飞行中,当一级的燃料耗尽时应及时地抛掉,这种两级火箭之间的分离技术对火箭的飞行成功是很重要的。
多级火箭之间用一种很特殊的螺栓连接,当要分离时,装在这种特殊螺栓中的炸药点火引爆,同时将连接物炸断,达到分离的目的。
一旦级间的螺栓被炸开,上面一级发动机就开始点火工作,将下一级火箭推开、抛掉。
另一种先进的分离方式是上面一级的火箭的发动机并不马上点火,而是利用它的加力火箭和下面一级火箭的反推火箭(向下推)使两级之间分开一定距离后再点燃上面一级火箭的发动机。
级间分离是多级火箭一级工作结束,另一级工作开始的重要过渡阶段,稍有差错就会导致飞行失败,因而火箭的级间分离技术特别重要。
目前世界上的多级火箭主要分布在前苏联、美国和中国,欧洲也联合发展了一些大型的火箭。它的研制是一个国家国力大小的标志。
知识点洲际导弹
洲际导弹是一种装有核弹头的火箭。一般来说,洲际弹道导弹的射程至少应达到5500~8000千米。洲际弹道导弹一般(但并非一定)装备1枚核或热核弹头,其典型构成为:液体或固体推进装置,二级或多级助推火箭,惯性制导系统(并可加装星座导航、卫星导航或末端制导系统),一个或多个再入飞行器,每个再入飞行器各含有一枚弹头。
洲际弹道导弹是一个国家战略核力量的重要组成部分,主要用于攻击敌国领土上的重要军事、政治和经济目标。洲际弹道导弹具有比中程弹道导弹、短程弹道导弹和新命名的战区弹道导弹更长的射程和更快的速度。目前主要拥有国为:美国、俄罗斯、中国、英国、法国和印度等国家。
登月天梯——“土星5”火箭
1969年7月20日,对人类来说是一个值得记忆的日子,两名美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗和埃德温·阿尔德林驾驶着“阿波罗11”号飞船登上了月球,实现了人类梦寐以求的理想。被诗人们称作“广寒宫”的月球,不再是神秘而不可知的了。美国人在“登月赛跑”中超过前苏联人,拔得头筹。
人类登上月球
将“阿波罗11”号飞船送上月球的“天梯”是为“阿波罗”登月计划专门研制的“土星5”号运载火箭。为研制这种火箭,美国人共花去60亿4600万美元,仅一枚“土星5”火箭就要花费l亿8千万美元,真是昂贵得惊人。
这种运载火箭是一个庞然大物。它由三级组成,有110.6米高,相当于50层的摩天大楼高度。最底下的第一级火箭的直径有10米,就像一个巨大的烟囱,能并排装下四五辆公共汽车,它装有5台液体火箭发动机,由煤油和液氧作燃料。当它第一级点火时可以产生约3400吨的推力。由于它本身的重量只有2857吨,因而足以让它飞快地加速,直冲云霄。
为什么要将火箭做成三级呢?因为在目前的技术条件下,最好的单级火箭的最大速度只有4.5千米/秒,要想绕地球飞行,必须使物体达到每秒7.9千米的第一宇宙速度,因此单级火箭在目前的条件下是无法做到的,只有将运载火箭做成二、三级火箭,才能将物体加速到每秒7.9千米的速度。它在航行的过程中可以把燃料耗尽后的火箭壳体和发动机抛掉,点燃另一火箭的发动机继续加速物体。
“土星5”的另外两级火箭都是液氧和液氢作燃料的液体火箭,分别装有5台发动机。
在火箭的最顶端是“阿波罗”飞船和登月舱。利用“土星5”能将1209吨的物体送到离地球表面185千米的高度。
在进行载人登月之前,美国人先用这种火箭将载人的“阿波罗8”号飞船送到了环绕月球的运行轨道,在确信“土星5”号的运载能力以后,才在1969年7月16日发射至月球环绕轨道,20日首次登上月球。
美国此后在7次登月飞行中获得6次成功,先后将12名宇航员送上月球,采回了月球的岩石标本。
1970年4月11日的第三次载人登月飞行,在准备登月时,飞船出现故障,只好紧急返回地球。
1973年5月14日,“土星5”号运载火箭将美国第一个试验性的空间站“天空实验室”送入离地面435千米的环绕地球轨道。在发射升空的过程中,高速气流冲掉了“天空实验室”轨道舱的一个防护罩和太阳能电池翼,以致“天空实验室”在环绕地球时严重缺电,舱内温度上升到50摄氏度左右。
1973年5月25日,3名宇航员乘“阿波罗”号飞船与“天空实验室”对接,宇航员用一顶遮阳伞伸出舱外,挡住阳光,才使工作舱内温度下降,修复另一个太阳能电池翼,展开发电,终于使“天空实验室”开始正常工作。
目前,“土星5”仍然是美国主要的运载火箭。由于它安全可靠,为美国的航天事业作出了很大的贡献,它一直是美国人引以为荣的运载火箭。
“能源”号运载火箭
1990年5月15日,前苏联发射了一枚世界上推力最大的运载火箭“能源”号。它不仅把9倍于美国航天飞机重量的物体送入轨道,而且把发射成本减少90%。
“能源”号火箭有一个中央火箭,四周可以捆绑上4~8枚火箭助推器,每枚助推器内装有一台燃烧煤油和液态氧的巨型火箭发动机,中央火箭分别有4台推力强大的液氢和液氧发动机。到目前为止,它是人类所造出的威力最大的液体燃料火箭发动机。它可以将270吨的物体送上太空。
“能源”号发射后,当到达60多千米的高度时,火箭助推器开始分离,中央火箭继续向上爬升,到达179千米的高空后,中央火箭便与需要发射升空的物体开始分离。此时,中央火箭的液体燃料已全部用完,就像一个软软的塑料瓶子,慢慢地由地面遥控着穿过大气层着陆。而助推火箭在降落时,自动地张开回收用的降落伞,使它的下降速度逐渐减慢下来,以便使充气翼顺利地展开,然后在自动驾驶仪的控制下滑翔着陆。据说,这种火箭助推器大得可以容纳下一辆大公共汽车。
“能源”号就是靠回收中央火箭、助推火箭来达到降低发射成本和费用的目的。美国的航天飞机曾被当做可重复使用的飞行器而受到赞扬。实际上,不过是一部分反复使用而已,每一次发射都要报废价值数百万美元的零件。
利用“能源”号火箭,可以把前苏联的“和平”号空间站发射到36000千米的高空,在这样的高度,就以地球自转速度绕地球飞行了。也就是说,“和平”号总是在地球的某一点的上空,成为这一点附近地区的监视者。
还可以利用它实现登月旅行,将“和平”号空间站送到环绕月球的轨道上。
前苏联人在液体燃料火箭发动机方面具有领先的技术水平,“能源”号的设计成功就充分地说明了这一点。
中国“长征”系列运载火箭
中国是火箭和火药的故乡,这是千百年来我国人民的骄傲。然而,长期以来扼杀中国人聪明才智和理想的封建专制制度以及外国列强的掠夺和欺压,使我们的火箭技术一直停留在原始的阶段,现代火箭与我国无缘,而在异国他乡迅速地发展。
前苏联人最早将第一颗人造地球卫星送上了太空,之后又利用运载火箭发射了载人的宇宙飞船。不甘示弱的美国人雄心更大,利用“土星5”火箭,将人类送上月球,在月球上印上了人类的第一个脚印。迄今为止,人类利用运载火箭向太空发射了3000多个航天飞行器,它们在通信、气象预报、导航和军事应用等方面发挥着日益重要的作用,因而运载火箭技术的开发和利用,越来越受到世界各国的重视。
新中国成立后,我国政府在研制中、远程导弹的基础上,开始研究运载火箭技术,依靠我国人民的聪明才智和独立自主、自力更生的精神,发展了我国的运载火箭,并给发展起来的系列火箭取了一个意味深长的名字——“长征”。如今,“长征”运载火箭的家族不断发展、壮大,产生了由“长征1”号到“长征4”号以及以此为基础发展改进的不同型号的运载火箭。利用这些火箭,我们已把各式各样的卫星送入了不同的卫星轨道。