[科普中國]-火箭發(fā)射

簡介

火箭是以熱氣流高速向后噴出，利用產(chǎn)生的反作用力向前運(yùn)動(dòng)的噴氣推進(jìn)裝置。它自身攜帶燃燒劑與氧化劑，不依賴空氣中的氧助燃，既可在大氣中，又可在外層空間飛行?；鸺陲w行過程中隨著火箭推進(jìn)劑的消耗，其質(zhì)量不斷減小，是變質(zhì)量飛行體。

發(fā)射火箭由地面控制中心倒記數(shù)到零便下令第一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。在震天動(dòng)地的轟鳴聲中，火箭拔地而起，冉冉上升。加速飛行段由此開始了，經(jīng)過幾十秒鐘，運(yùn)載火箭開始按預(yù)定程序緩慢向預(yù)定方向轉(zhuǎn)變，100多秒鐘后，在70公里左右高度，第一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)分離，第二級(jí)接著點(diǎn)火，繼續(xù)加速飛行，這時(shí)火箭已飛出稠密大氣層，可按程序拋掉衛(wèi)星的整流罩。在火箭達(dá)到預(yù)定速度和高度時(shí)，第三級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)分離，至此加速飛行段結(jié)束。隨后，運(yùn)載火箭靠已獲得的能量，在地球引力作用下，開始慣性飛行段，直到與預(yù)定軌道相切的位置止。此時(shí)第三級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，開始了最后加速段飛行。當(dāng)加速到預(yù)定速度時(shí)第三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)?；鸺倪\(yùn)載使命就全部完成了。

火箭飛行所能達(dá)到的最大速度，也就是燃料燃盡時(shí)獲得的最終速度，主要取決兩個(gè)條件：一是噴氣速度，二是質(zhì)量比（火箭開始飛行時(shí)的質(zhì)量與燃料燃盡時(shí)的質(zhì)量之比）。噴氣速度越大，最終速度就越大，由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的條件下一級(jí)火箭的最終速度還達(dá)不到發(fā)射人造衛(wèi)星所需要的速度，所以發(fā)射衛(wèi)星要用多級(jí)火箭。

火箭的級(jí)數(shù)不是越高越好，級(jí)數(shù)越多，構(gòu)造越復(fù)雜，工作時(shí)間的可靠性就越差?；鸺蛧姎馐斤w機(jī)一樣都是反沖的重要應(yīng)用。為了提高噴氣速度，需要使用高質(zhì)量的燃料。當(dāng)燃?xì)鈴募?xì)口噴出時(shí)或水從彎管流出時(shí)。它們具有動(dòng)量由動(dòng)量守恒定律可知，盛燃?xì)獾娜萜骶鸵蛳喾捶较蜻\(yùn)動(dòng)?；鸺强繃姵鰵饬鞯姆礇_作用獲得巨大速度的。

用途現(xiàn)代火箭可用作快速遠(yuǎn)距離運(yùn)送工具，如作為探空、發(fā)射人造衛(wèi)星、載人飛船、空間站的運(yùn)載工具，以及其他飛行器的助推器等。如用于投送作戰(zhàn)用的戰(zhàn)斗部（彈頭），便構(gòu)成火箭武器?；鸺悄壳埃ń刂?009年）唯一能使物體達(dá)到宇宙速度，克服或擺脫地球引力，進(jìn)入宇宙空間的運(yùn)載工具，而火箭的速度是由火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作獲得的。

發(fā)展概況歐洲先進(jìn)火箭發(fā)射系統(tǒng)歐洲先進(jìn)火箭發(fā)射系統(tǒng)(EARL) 是一種載人的垂直起飛、水平著陸的兩級(jí)航天運(yùn)輸系統(tǒng)。它是自1986年起由西德道尼爾公司根據(jù)與聯(lián)邦研究技術(shù)部簽訂的合同進(jìn)行研究的一種方案，1988年這一方案取名為EARL2。這項(xiàng)研究工作所要達(dá)到的目標(biāo)是為研制阿里安5和使神號(hào)以后的歐洲航天運(yùn)輸系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。1

早在1982-1985年間，歐空局曾對(duì)阿里安4和阿里安5之后的航天運(yùn)輸系統(tǒng)FLS(未來的發(fā)射系統(tǒng))進(jìn)行過審查。當(dāng)時(shí)，道尼爾公司負(fù)責(zé)系統(tǒng)分析、規(guī)劃及技術(shù)要求的認(rèn)定工作。1985年歐空局放棄了這個(gè)研究項(xiàng)目。EARL的研究工作就是在1982-1985年研究工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。1

EARL族由可重復(fù)使用的帶翼第一級(jí)和根據(jù)不同任務(wù)而匹配的兩種不同的上面級(jí)組成，一種是帶翼的可重復(fù)使用的上面級(jí)，它用于載人；另一種是用于運(yùn)送大型有效載荷的上面級(jí)。EARL的基本型具有可重復(fù)使用性，全部使用液氫液氧高能推進(jìn)劑，庫魯發(fā)射場(chǎng)現(xiàn)有的發(fā)射設(shè)施幾乎都能適用。載人上面級(jí)又稱作軌道器，主要用于對(duì)空間站和共軌平臺(tái)進(jìn)行日常補(bǔ)給、設(shè)備的更換及回收專門有效載荷。而重型有效載荷（如建造空間站用的大型結(jié)構(gòu)件和增壓艙或執(zhí)行星際探測(cè)任務(wù)的衛(wèi)星）不需要回收，所以可采用廉價(jià)的一次性使用的上面級(jí)。1

多管火箭發(fā)射系統(tǒng)多管火箭發(fā)射系統(tǒng)(MLRS)是北約研制的一種高機(jī)動(dòng)自動(dòng)火箭系統(tǒng)。它可在各種氣候下晝夜進(jìn)行發(fā)射，主要用于攻擊炮兵連、反火箭連、防空集結(jié)地、卡車、輕型裝甲車、人員輸送車及支援部隊(duì)。裝有12枚火箭的一輛發(fā)射車的火力可摧毀一個(gè)炮兵連或相當(dāng)一個(gè)炮兵連的等值目標(biāo)。MLRS目前已裝備美國、英國、法國、西德和意大利的陸軍。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中多國部隊(duì)用MLRS對(duì)伊拉克的許多軍事目標(biāo)發(fā)動(dòng)襲擊。 MLRS由自行發(fā)射/裝填車、后勤保障車、帶不同彈頭的火箭和火控系統(tǒng)組成。2

MLRS還可用來發(fā)射二元化學(xué)彈頭的火箭和美國陸軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈系統(tǒng)。目前還在研制輕型MLRS和激光制導(dǎo)的MLRS。MLRS于1980年4月由美國凌一坦姆科一沃特公司開始進(jìn)行全面研制，1982年初開始少量生產(chǎn)，并陸續(xù)裝備前述北約各國。美國陸軍于1983年將其投入戰(zhàn)場(chǎng)。在這次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中MLRS與其它火箭配合使用，摧毀了伊拉克許多軍事目標(biāo)，引起了人們的關(guān)注。2

更多還原

美國新一代重型運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)方案美國國家航空航天局（NASA）2012年12月14日正式公布美國新一代重型運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)方案。這一名為“太空發(fā)射系統(tǒng)”（Space Launch System，簡稱SLS）的運(yùn)載火箭所具備的動(dòng)力可謂史無前例，能夠?qū)⒂詈絾T送往小行星和火星，未來將成為人類探索宇宙深處的主要工具。3

出爐史上最強(qiáng)火箭方案

在“亞特蘭蒂斯”號(hào)2012年夏天完成絕唱之旅后，美國所有的宇航飛機(jī)都已退役，只能依賴俄羅斯的“聯(lián)盟”號(hào)宇宙飛船往返國際空間站。NASA計(jì)劃將往返國際空間站的新航天器的研發(fā)和運(yùn)營交給私營機(jī)構(gòu)，但這些商用火箭和太空飛船正式派上用場(chǎng)還需要等到2015年左右，而且它們只能將宇航員送上國際空間站所在的近地軌道，無法前往更遠(yuǎn)的地方。3

為了對(duì)更廣袤的宇宙進(jìn)行探索，NASA需要研發(fā)全新的火箭運(yùn)載系統(tǒng)。在多名美國聯(lián)邦議員的陪同下，NASA局長查爾斯·博爾登2012年12月14日在NASA總部正式公布了SLS運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)圖，它將和正在研發(fā)的新型“獵戶座”載人航天器一起成為人類探索火星和更遠(yuǎn)宇宙的利器。

SLS運(yùn)載火箭將是人類歷史上最強(qiáng)大的發(fā)射裝置，比約40年前將“阿波羅”飛船上的宇航員送上月球的“土星5”號(hào)火箭還要厲害。在三級(jí)火箭的基礎(chǔ)上，最高配置的SLS火箭將有五級(jí)系統(tǒng)。NASA在聲明中說，SLS火箭的動(dòng)力得到了大幅提高，它是“土星5”號(hào)之后最強(qiáng)大的發(fā)射載體，“可以將宇航員送往從來沒有人到過的宇宙深處”。SLS火箭的搭載能力是其設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)，初步設(shè)計(jì)是搭載70噸的重物，將來這個(gè)數(shù)字還會(huì)再提高到130噸，相當(dāng)于75輛標(biāo)準(zhǔn)的SUV車。世界上最大的商業(yè)火箭“阿麗亞娜5”型和“三角洲IV”重型火箭只能將20多噸的物體送上近地軌道。NASA計(jì)劃在SLS火箭的頂端搭載“獵戶座”載人航天器，一次可以將4到6名宇航員送上天。除了載人航天器之外，SLS火箭頂端還可能搭載專供宇航員生活的居住艙以及專門用于在目標(biāo)星球使用的降落艙。3

時(shí)間2030年后去火星

SLS火箭預(yù)計(jì)在2017年進(jìn)行無人發(fā)射試驗(yàn)，2021年底前完成載人發(fā)射，2025年將嘗試登陸近地小行星，未來還要嘗試飛向火星，甚至是更遠(yuǎn)的宇宙深處。探索小行星和火星還沒有具體的時(shí)間表，奧巴馬表示要在2025年之前將宇航員送上小行星，但沒有提到送上火星的時(shí)間。有關(guān)專家說，將載人飛行器發(fā)射到火星至少要等到2030年以后。3

SLS火箭還可能用于往返國際空間站，或者將宇航員送往距離地面3.6萬公里的同步軌道，以修補(bǔ)損壞的通訊衛(wèi)星。NASA負(fù)責(zé)載人探索項(xiàng)目的高級(jí)官員比爾·格斯登美爾透露，NASA科學(xué)家已經(jīng)開始探討SLS火箭未來的多用途了，“不過還是在概念階段，需要根據(jù)火箭屆時(shí)的真實(shí)表現(xiàn)來探討更多的細(xì)節(jié)”。這款火箭的研發(fā)充分展現(xiàn)了美國在航天探索方面的雄心。NASA局長查爾斯·博爾登表示，SLS標(biāo)志著“美國宇宙探索的新篇章正在被書寫”?！皧W巴馬總統(tǒng)要求我們想別人所不敢想，這項(xiàng)工程正是我們要做的?！?

除了強(qiáng)大的性能外，SLS火箭還具有靈活和經(jīng)濟(jì)兩大特點(diǎn)。NASA的科學(xué)家們對(duì)新火箭的設(shè)計(jì)圖花費(fèi)了很長時(shí)間才最后確定，在充分利用最新科技的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了可以較輕松地對(duì)火箭進(jìn)行改裝以適應(yīng)不同發(fā)射任務(wù)需要的目的。喬治·華盛頓大學(xué)的航天專家約翰·洛格斯登還介紹說，為了減少研發(fā)成本，SLS火箭大量借鑒了已經(jīng)退役的航天飛機(jī)成熟的技術(shù)，例如，推進(jìn)器使用了低溫液氫和液氧推進(jìn)裝置以及固體推進(jìn)裝置?！斑@是用一種經(jīng)濟(jì)上更能承擔(dān)的方法實(shí)現(xiàn)了奧巴馬總統(tǒng)探索更深宇宙的要求?！?

據(jù)悉，整個(gè)工程項(xiàng)目需要花費(fèi)至少180億美元，還有人估計(jì)總預(yù)算將達(dá)到350億美元。來自佛羅里達(dá)州的聯(lián)邦參議員比爾·尼爾森認(rèn)為，這也許是美國數(shù)十年來航天探索領(lǐng)域“最龐大的工程”。由于美國政府財(cái)政緊張，能夠獲得政府足夠的撥款非常關(guān)鍵。NASA局長博爾登在14日的發(fā)布會(huì)上則強(qiáng)調(diào)實(shí)施這一工程的經(jīng)濟(jì)好處，“能夠創(chuàng)造大量工作機(jī)會(huì)、保證美國的領(lǐng)導(dǎo)地位”。繼1962年蘇聯(lián)“火星一號(hào)”探測(cè)器上天開始火星探索之旅后，人類已經(jīng)先后向我們熟悉的那顆紅色星球發(fā)送了“水手”號(hào)、“海盜”號(hào)等衛(wèi)星以及“鳳凰”號(hào)、“奮進(jìn)”號(hào)等探測(cè)儀器。SLS火箭將是NASA首個(gè)具有多用途的遠(yuǎn)程發(fā)射裝置，也是人類實(shí)現(xiàn)登陸火星的關(guān)鍵工具。3