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第31章 运载火箭

叮叮、当当驾驶着“陆地蟹001”漫游在空中。突然,传感器发出了呜呜的警报声。一个长长的托着红尾巴的怪物,向“陆地蟹001”冲来。

“陆地蟹001”猛一转弯,怪物擦身而过,窗外涌起一阵热浪。叮叮立刻拿起魔盒高喊:“魔盒千机变!”顿时,万能电子魔盒化为两架航空摄影机对怪物跟踪拍摄,并把拍摄的信息传输给智多星爷爷。智多星爷爷很快反馈回信息:“这是现代化的航天运输工具—运载火箭。”

火箭实际上是一种无人驾驶的飞行器。过去它曾经被人们用来达到各种目的,如气象学中可用火箭驱雹;军事上用火箭轰击敌方;节日庆典施放火箭焰光,等等。火箭(过去称启花或穿天猴)的原理就是动量守恒原理,作用力与反作用力成对出现的结果便产生推力而运行。火箭最早被用于军事是“二战”时期德国V-2火箭。以后各国都将火箭用于战略战术目的。本文主要介绍用于宇宙航天方面的运载火箭。运载火箭又称空间运载工具。它的任务是把有效载荷(如人造地球卫星、宇宙飞船、星际探测器、太空轨道站等)送入空间轨道,去执行它们各自的使命。

从20世纪50年代中期到现在,世界各国研制的运载火箭不下数十种。它们大小不等,形状各异,但就结构形式来说是多级组合。组合方式基本上可以分为两大类,一类是各级首尾相接的串联式运载火箭;另一类是下面两级并联,上面一级串联的串并混合式运载火箭。

整个运载火箭是由箭体结构、动力装置和控制系统三大部分组成的。

1.箭体结构

箭体结构是运载火箭的骨架,它包括头部的有效载荷整流罩、仪器舱、推进剂贮箱和尾段,有的大型运载火箭还有尾翼。箭体结构的主要功用是装置有效载荷、控制系统的仪器设备、发动机和推进剂等,并按要求把组成运载火箭的各部分连接成一个结构紧凑、外形理想的整体。

2.动力装置

动力装置包括发动机和液体推进剂输送系统。它能产生强大的推力,使运载火箭达到预定的速度,从而把有效载荷送入宇宙空间。运载火箭所用的发动机都是火箭发动机。这种发动机的主要特点是不需空气中的氧气作氧化剂,完全依靠自身携带的推进剂(氧化剂和燃烧剂的总称)而独自工作。所以,火箭发动机能在真空条件下使用,这也就是运载火箭能胜任空间载运任务的主要原因。火箭发动机按所用推进剂的不同,主要分为液体推进剂火箭发动机和固体推进剂火箭发动机两种。不论哪一类,组成运载火箭的各级火箭发动机可以都用液体推进剂,或都用固体推进剂,也可以由固体推进剂和液体推进剂的火箭发动机混合组成。

火箭发动机的结构主要包括燃烧室和喷管。工作时,推进剂就在燃烧室内燃烧,产生高温高压燃气,以高速度从喷管排出,这就产生了推力。若是燃烧室或喷管制成可摆动的,或是采用其他方法改变推力方向,则可产生控制力和力矩,起控制系统执行机构的作用。

3.控制系统

火箭的控制系统包括制导系统、姿态控制系统、电源及配电设备等。它的任务就是控制运载火箭保持一定的姿态,按预定的轨道飞行。运载火箭的制导系统通常为惯性制导和无线电制导。惯性的制导是依靠运载火箭上的仪器设备,通过测量火箭的加速度,算出高度和速度等运动参数,来控制火箭按预定弹道飞行。其主要设备是陀螺仪、加速度表和计算机等。无线电制导是由地面雷达等无线电设备测出运载火箭的方位和速度,经过计算比较,得出修正飞行误差的指令并送到火箭上,再由火箭的控制系统,通过执行机构产生控制力和力矩,使运载火箭保持姿态稳定并按预定弹道飞行。

4.其他系统

除上述介绍的各部分外,运载火箭还包括各级间的、有效载荷与末级火箭间的整流罩的分离系统。

运载火箭的大小是由飞行任务要求的有效载荷和飞行轨道决定的。飞行轨道相同,有效载荷越大,起飞重量越大,有效载荷不变,飞行轨道越高,起飞重量越大。由于卫星和飞船等空间飞行器的轨道都比较高,重量较大,所以运载火箭都是一些身高体重的庞然大物。它们的重量少则几十吨,一般为一百多吨到几百吨,重的可达二三千吨。高度一般在30米左右,大的有40~50米,有的可达100多米。粗直径在1米以上,一般为3米左右,最粗的可达10米。通常,有效载荷占运载火箭起飞重量的1%~2%。就是说,发射一颗一吨重的人造卫星,运载火箭就得有50~100吨重。这与飞机等运输工具相比,其运输效率是不高的。

那么火箭是怎样发射的呢?

运载火箭从地面发射起到把有效载荷送入预定轨道止,称为发射阶段。在这一阶段所飞经的路线就叫做发射轨道。发射轨道一般分为加速飞行段、惯性飞行段和最后加速段三部分,下面,就以三级运载火箭发射轨道人造卫星为例,介绍一下典型的发射过程。

发射前,运载火箭最后检验合格、准备完毕,载着卫星耸立在发射台上,由地面控制中心倒计时数到零便下令使第一级火箭发动机点火。在震天动地的轰鸣声中,火箭拔地而起,冉冉上升,加速飞行段由此开始了。经过几十秒钟,运载火箭开始按预定程序缓慢地向预定方向转弯;100多秒钟后,在70千米左右高度,第一级火箭发动机关机、分离;第二级接着点火,继续加速飞行。这时火箭已飞出稠密大气层,可按程序抛掉卫星的整流罩。在火箭达到预定速度和高度时,第二级火箭发动机关机、分离,至此加速飞行段结束。随后,运载火箭靠已获得的能量,在地球引力作用下开始惯性飞行段,一直到与卫星预定轨道相切的位置止。此时,第三级火箭发动机点火工作,开始了最后加速段飞行。当加速到预定速度时,第三级发动机关机,卫星与火箭分离,进入预定轨道。至此,运载火箭的运载使命就全部完成了。

随着科技的发展,人类将不断加速寻找适合自己生存的新空间,有效利用太空资源已成为世界各国持续发展的重要途径之一,这就需要研制高效运行、发射费用低廉的新型航天运输系统。在研制主流运载火箭的同时,各国都在积极发展针对军用快速发射要求研制的小型火箭、空射火箭,以及针对载人登月需求发展的重型火箭。

随着科技的飞速发展和各方面条件的成熟,普通人进入太空旅游已不再是梦想。从广义上来说,太空旅游至少有4种途径:飞机的抛物线飞行、接近太空的高空飞行、亚轨道飞行和轨道飞行。抛物线飞行并非真正意义上的太空旅游,它只能让游客体验约半分钟的太空失重感觉。接近太空的高空飞行也非货真价实的太空旅游,但它能让游客体验身处极高空才有的感觉。当游客飞到距地面18千米的高空时,便可看到脚下地球的地形曲线和头顶黑暗的天空,体会到一种无边无际的空旷感。亚轨道飞行能让游客产生几分钟的失重。轨道飞行才是真正意义上的太空旅游。实现轨道旅游的工具目前主要是国际空间站,可供游客到达空间站的“客车”主要是俄罗斯“联盟”飞船和美国航天飞机。

“太空游”将来还能有丰富的项目呢!2007年6月29日,由美国旅馆业大亨罗伯特·比奇洛投资建造的“太空旅馆”二号试验舱—“创世二号”,由俄罗斯“第聂伯”重型运载火箭发射升空并顺利进入预定轨道。比奇洛表示,2012年前,公司将发射首个载人太空舱;而到2015年前,他拥有的世界上第一个私人商业“太空旅馆”将全面开张。

美国工程师也提出,用轻型充气材料建一个长期绕地飞行的舱体。乘“电梯”上太空将来也许不再是幻想。部分美俄专家正探索用纳米材料制造“太空电梯”。“电梯”吊索一端固定在陆地或海面的平台上,另一端紧抓在距地约3.6万千米、与地球同步飞行的航天器上。这种研究的最终目标是让人和货物在太阳能驱动的“电梯”中升降上万千米。

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