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    走进火箭王国

    时间:2020-12-10 08:02:50 来源:雅意学习网 本文已影响 雅意学习网手机站


      人类自古以来就有飞天的梦想,但在生产力落后的时代,由于无法挣脱地球引力的樊篱,致使这个良好愿望一直无法实现。只有到了科学技术高度发展的20世纪,才将这一强烈追求逐渐变为现实。先是航空,使人类进入了大气层飞行;后是航天,使人类进入了太空飞行。这标志着人类的活动范围已从陆地和海洋扩展到大气层和宇宙空间。
      正因为如此,陆地、海洋、大气层和宇宙空间被分别定义为人类的第一、第二、第三和第四环境。显而易见,人类的第四环境,是地球稠密大气层以外广袤无垠的区域,它是没有上限的。
      要飞入太空,飞行器必须依靠本身具有的速度挣脱地球或太阳的强大引力,才能在极高真空的宇宙空间飞行。而要把飞行器送入太空,首先要研制具有巨大推力的运载火箭。
      
      
      中国人发明了原始火箭
      自从1957年10月4日世界上第一颗人造地球卫星升空以来,航天技术得到了突飞猛进的发展,成为20世纪中叶以来人类认识和改造自然进程中最活跃、最有影响的科学技术领域。这其中的决定因素,就是由于现代运载火箭的出现和不断改进。
      值得骄傲的是,原始火箭是中国人发明的。它的出现与中国四大发明之一火药的问世是分不开的。唐朝初期孙思邈发明了火药,随着火药配方的改进,公元12世纪初研制成功了固体火药,并用于制造火器和焰火烟花。
      在手持使用这些火器与烟花时,人们感到火药燃烧会产生很强的后座力,于是发明了新的火药玩具,于12世纪末出现的“穿天猴”就是真正意义上利用反作用原理的火箭。
      将这种原理的火箭作为武器使用具有相当大的杀伤力,在战争中开始频繁地使用。
      公元1161年11月,崛起于东北地区的金国侵略中原时,南宋军队第一次使用了“霹雳炮”重挫金军,这是人类历史上首次在战场上使用火箭武器。连年交战使火箭技术逐渐被金军和蒙古军所掌握,他们很注重制造火药武器,使火药的燃烧速度和爆炸力不断增强。13世纪蒙古军在先后三次的大举西征中,使用的火箭已有多箭齐发的火箭筒。这种集束式火箭发挥了巨大威力,使欧洲人大为吃惊。同时,阿拉伯人和印度人也从中掌握了火药和火箭技术,并将其传入西方。
      明朝时期,中国出现了更多种类的火箭,除了单级火箭、各种集束式火箭,还发展了火箭弹和原始的多级火箭,并且对各种火箭的原料配比、加工制造、应用配备和发射操作都作了详细记叙。在当时的水、步、骑兵中,火箭已作为必备武器,甚至还有专门的火箭部队。这种火药火箭,以火药燃烧物向后喷出从而产生向前飞行的推力为动力,是一种极具实用价值的反作用推进装置。
      勤劳勇敢的中华民族不但发明了火箭,还最早使用多级串连和捆绑并联技术,以提高火箭的运载能力。明代《史记》中记载的 “神火飞鸦”就是并联技术的体现;“火龙出水”就是串连、并联综合技术的具体运用。
      “神火飞鸦”外型如乌鸦,用细竹或芦苇编成,内部填充火药,鸦身两侧各装两支“起火”,“起火”的药筒底部和鸦身内的火药用药线相连。作战时,用“起火”的推力将飞鸦射至330米外,飞鸦落地时内部装的火药被点燃爆炸。爆炸时的飞鸦宛如今日的火箭弹。
      “火龙出水”是我国古代水陆两用的火箭。龙头下面和龙尾两侧,各装一个500克重的火药桶,将四个火箭引信汇总一起,并与火龙腹内火箭引信相连。水战时,面对敌舰,在离水面1米多处,点燃安装在火龙体外的四支火药筒——并联火箭,火龙就能飞行1—1.5千米远。待其燃烧完毕,就自动引燃火龙腹内火箭—— 串连火箭。这时,从龙口里先后射出数只火箭,直达目标,致使敌船烧毁。明军在抗倭援朝战争中曾用此武器摧毁许多日军战舰。
      
      小贴士:为什么原始火箭是现代火箭的雏形?
      原始火箭已经具有现代火箭的系统结构:战斗部即箭头,推进系统即火药筒,稳定系统即尾部羽毛,箭体结构即箭杆,完全是现代火箭的雏形。由于火箭不依赖空气工作,因此可发展成能冲出大气层并在太空中飞行的动力装置。古代火箭的基本工作原理沿袭至今。
      
      谁是现代火箭技术的缔造者?
      20世纪初期,俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基、美国科学家罗伯特·戈达德和德国科学家赫尔曼·奥伯特,相继提出利用火箭能够开展航天活动的基本理论,从而奠定了现代火箭问世的基础。他们三人因此被称为现代航天学的奠基人和先驱者。
      齐奥尔科夫斯基最先从理论上证明了多级火箭可以克服地球引力进入太空飞行,并建立了火箭运动的基本数学方程式。同时,他还肯定了液体火箭发动机是航天器最适宜的动力装置,为运载工具的发展指出了方向。
      他有一句名言:“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远被束缚在摇篮里。”
      戈达德曾于1926年3月16日成功地点燃了历史上第一枚液体火箭,成为液体火箭的实际创始人。1935年他试验的火箭以超音速飞行,最大射程约20千米。戈达德一生获得212项火箭研究方面的专利,为火箭事业做出了重大贡献。液体燃料火箭的出现,为航天推进器的实现提供了技术保证,经过不断研究和试验,火箭作为太空飞行的推进装置逐渐得到证实,最终为人类通向太空架起了桥梁。
      奥伯特的经典著作《通向航天之路》,对早期火箭技术的发展有较大影响。到了20世纪40年代,纳粹德国出于战争的需要,大大加快了火箭的发展及其军用步伐,并于1942年10月3日成功进行了A-4火箭的发射试验,后更名为V-2火箭,并投入作战使用。V-2是单级液体火箭,推进剂为液氧和酒精,推力达26.5吨,最大射程320千米。它虽未能挽救希特勒彻底覆灭的命运,但对现代大型火箭的发展起到了继往开来的作用。
      德国战败后,美国和苏联分别缴获了V-2火箭实物、部分科研人员与设备资料,为各自后来迅速发展火箭技术创造了有利条件。世界上发射航天器的现代运载火箭,也是这两个国家首先研制出来的。
      
      火箭的级数与速度
      运载火箭只有使航天器达到一定速度,才算完成发射任务。根据航天器遨游太空的区域不同,这个速度亦有大小不同的区别。科学家们将其分别称为第一、第二、第三宇宙速度。
      第一宇宙速度V1=7.9千米/秒,是人造航天器在太空沿地球表面作圆周运动时必须具备的速度,也叫环绕速度。第二宇宙速度V2=11.2千米/秒,是人造航天器脱离地球引力场,围绕太阳运行必须具备的速度,亦称逃逸速度。第三宇宙速度V3=16.7千米/秒,是从地面发射人造航天器,飞出太阳系到银河系漫游所需要的最小速度。
      就现代火箭发动机的性能和结构水平来说,单级火箭所能达到的飞行速度不超过每秒6千米,还不能把航天器送上太空。为了达到和超越第一宇宙速度,就需用多级火箭。
      用于发射人造卫星、载人飞船、空间站舱段和空间探测器等航天器的运载工具都是多级火箭。
      多级火箭由两级以上的火箭组成,每级火箭都可独立工作。随着级数的增加,运载火箭变得更为复杂,致使其可靠性下降,因此常用的运载火箭多为2—4级。
      发射载人航天器的火箭,对其可靠性要求更高,一般为2—2.5级。所谓2.5级火箭,就是在两级串联火箭的第一级周围再捆绑几个助推器,以增加起飞推力。进行发射时,助推器虽然和第一级火箭基本上同时点火,但其先工作完毕并脱离,故称为半级火箭。
      我国已研制成功并使用了15种系列运载火箭,共进行了159次发射,成功率达90%以上,居于世界一流水平。
      发射航天器时,垂直竖立在发射架旁的多级运载火箭,点火后逐级工作、熄火并被抛掉,每一级都使火箭的飞行速度增加一个数值,直到末级火箭脱离,将有效载荷增至所需速度并送入预定轨道运行为止。值得指出的是,人类研制的多种运载火箭,已分别成功发射了具有不同宇宙速度的近7000个航天器。
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