火箭带你上天去

工作报告 |

时间:

2021-06-27 20:05:11

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火箭的身世

“火箭”一词最早出现在公元3世纪的三国时代,距今已有1700多年的历史了。那时的“火箭”指的是点燃后射向敌人的带火之箭,与我们现在所称的火箭相差甚远。在火药出现之后,宋代的人们发明了一种向后喷火、利用反作用力助推的火箭,已具有现代火箭的雏形,可以看作是原始的固体火箭。

中国人不仅是火箭的发明者,也是首次进行载人火箭飞行的大胆尝试者。明朝时候,有一位名叫万户的士大夫,坐在绑着47个自制火箭的椅子上,双手举着两只大风筝,然后叫人点火发射。他设想利用火箭的推力飞上天空,再利用风筝在空中滑翔,平稳着陆。不幸火箭爆炸,万户也为此献出了生命。为纪念这位航天先行者,国际天文学联合会将月球上的一座环形山命名为“万户”。

火药传入欧洲以后,火箭技术得到迅速发展。今天广泛用于航天领域的运载火箭是第二次世界大战后在导弹的基础上改进得来的。第一枚成功发射卫星的运载火箭是苏联用洲际导弹改装的“卫星”号运载火箭,它将世界上第一颗卫星“斯普特尼克1号”送上太空。目前,世界知名的运载火箭有“东方号”“大力神”“宇宙神”“德尔塔”“土星”“长征”“阿里安”“H”“极轨卫星”等系列运载火箭。其中,“长征”系列运载火箭是我国自行研制的航天运载工具。自1965年开始研制,先后有过17个型号,目前还在使用的有11个型号。截至2016年10月17日,我国长征系列运载火箭已飞行237次。

除了人造地球卫星以外,运载火箭还用于将载人飞船、空间站、货运飞船、空间探测器等航天器送入太空。

当火箭升空时,“尾巴”上会冒出耀眼的火焰,那就是推动火箭升空的力量之源。准确地说,火箭的动力来自于燃料剧烈燃烧所排出的高温高速燃气,燃气喷出产生的反作用力推动着这个重达几百吨甚至几千吨的庞然大物奔向天空。

火箭升空时都会携带大量动力“口粮”——推进剂。它分为两种,一种是燃料,就像汽车使用的汽油,能够燃烧释放能量。另一种是氧化剂,它不能燃烧,但能提供燃烧所必需的氧——在没有氧气的太空中,没有氧化剂的帮助,再多的燃料都没有“用武之地”。

推进剂的形态有固体的,也有液体的。多级火箭可以根据需要,选用液体推进剂或者固体推进剂,也可以两种搭配使用。例如,我国的长征三号运载火箭是一种三级液体火箭;长征一号运载火箭则是一种固液混合型的三级火箭,其第一级、第二级是液体火箭,第三级是固体火箭。推进剂占火箭起飞重量的80%~95%,直接影响着火箭的运载能力和使用性能。火箭工程师们也在不断地寻找和试验更优质的推进剂和动力系统,让火箭重量更轻、动力更足、性能更稳定。

了解了火箭的历史,你现在一定很想知道,火箭怎么会有那么大的力气,把那么重的卫星或飞船甩到太空去的呢?它们又是怎么发射升空的呢?翻开下一页你就能找到答案。

火箭发射啦

将卫星发射到太空中并不是一件容易的事。将任何东西发射到太空——不管是到近地轨道(高度在160千米以上)还是更远的地方,都需要许多火箭提供动力。而且,发射到太空里的,不仅有卫星,还有运载卫星的火箭,以及运载它们所需的燃料!想一想,这是多么大的重量啊!

发动机

大部分的发动机都会旋转,但火箭的发动机不会,因为它是喷气式发动机。试想一下你正站在滑板上,手中拿着消防员的消防水带,水带喷出强烈的水柱,会推动滑板往相反的方向移动(这就是反作用力)。我们能看见好几个消防员一起控制一根消防水带,就是因为反作用力实在太大了!火箭发动机的工作原理也是如此。只不过,他们用的是燃料,而不是水。

发射火箭

大部分火箭都是在发射台发射的。这种巨大的发射台有两个作用。第一,工程师和技术人员可以在这里给火箭添加燃料,检查火箭的外部问题。第二,发射升空之前,发射台可以对火箭起支撑作用。工作人员会用装有少量炸药的螺栓,将火箭固定在发射台上。发射火箭时,点燃炸药,炸掉螺栓,火箭才能升空。

固体火箭助推器

固体火箭助推器可以给火箭提供发射时必需的额外能量。这种助推器使用的是固体燃料,有点儿类似火药。这种燃料会燃烧,但不会爆炸。固体燃料较安全,费用比液体燃料更低廉。不过它的燃烧速度是固定的(不会变快,也不会变慢),一旦开始燃烧,就无法停下来了。

液体燃料

大部分火箭的主体部分都塞满了液体燃料,这些燃料分别被储存在两个不同的贮存箱里。通常情况下,一个用来装液态氧,一个用来装煤油或者液态氢。它们会被输送到燃烧室内,混合在一起进行燃烧。燃烧会产生气体,这些气体会以每小时8000到16 000千米的速度从火箭的巨大喷头中喷出。

载荷

载荷指的是为完成任务,而被火箭运载上空的设备。它可以是将电视节目发射到全球任何地方的卫星,也可以是进行太空实验的特殊设备。有时候它甚至会运载宇航员上空。这类火箭可以运载重达68000千克的卫星。

二级发动机

如果火箭在发射和穿越大气层时用完了主体贮存的所有燃料,那会发生什么呢?火箭最大的部分会脱落,而顶端较小的那部分(也有发动机和燃料)会开始运转,将火箭继续向前推进。有时候,火箭的碎片会掉落在地球上。这些碎片进行复原后可以重新使用。

离地升空

从1957年开始,阿特拉斯火箭就成了太空探索的一匹悍马。它们运载了数百颗卫星升空,将商业和军事设备送上轨道,还曾运载先驱者号宇宙飞船飞过土星和木星,去探索未知的宇宙。

火箭回收不是梦

火箭这列特快专列,完成运载使命后就会因为损毁或无法回收而结束航天生涯,相当于“一次性”产品。但火箭的制造与发射一直是个极其昂贵的过程,一次发射的费用高达数亿乃至数十亿元。为了改变这种既浪费又不环保的行为,工程师们绞尽脑汁:能不能在发射后将火箭回收,下次继续用呢?

2015年11月23日,美國的一家私营航天企业“蓝色起源”首次成功实现了火箭回收。这枚叫“New Shepard”的火箭携带飞船升空,到达一定高度后,火箭与飞船分离,飞船继续升高,而火箭在下落到1500米高空时,发动机重新点火减速。在降落的最后时刻,喷着烟雾的火箭摇摆着找到垂直于地面的姿态,四条“腿”同时着地,稳稳站到发射场上。这是人类首次实现返回高度100千米以上的火箭回收。

此后不到一个月,美国的另一家私营航天公司“SpaceX”就获得了更加令人瞩目的成绩。这一次,他们发射的猎鹰9号火箭在运送11颗通信卫星进入轨道后,地面成功回收了返回的一级火箭,返回高度超过200千米,创造了人类太空史上当之无愧的第一。

这两次成功的火箭回收试验,使火箭回收从理论变为现实。未来,人类还有望在此基础上研制出可重复使用的火箭,打造出安全便捷的太空交通。

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