探索宇宙没它不行

李白“俱怀逸兴壮思飞，欲上青天揽明月”的名句，既表达了每人都有渴望建立不朽功勋的豪情壮志，又说明中华民族一千多年前就有飞天遨游太空的强烈追求。但是在生产力和科技水平低下的时代，这种美好愿望只能停留在幻想阶段。只有到了20世纪，集中应用了现代基础科学和技术科学众多最新成就的航天技术，才将人类飞天和登月的梦想变为现实。航天科技已使人类冲出大气层进入了太空并登上了月球，这标志着人类的活动范围已经从陆地和海洋扩展到大气层和宇宙空间。直至目前，除有12名航天员曾经登上月球外，现在的任何时候，至少都有3名航天员在国际空间站上围绕着地球运行，有的无人航天器已经飞到太阳系的边缘，这都是人类历史上的奇迹。待2022年中国空间站建成之后，也将有同样的长期载人飞行功能。人类之所以能够到太空遨游和进行登月以至将来还要飞往火星等天体，其中最重要的原因就是研制出了推力越来越大的运载火箭。

火箭的工作原理

由于受地球引力的限制，航天器要在冲出大气层后能够环绕地球运行，必须达到每秒7.9千米的第一宇宙速度，要能够飞向月球，必须达到每秒10.8千米的速度，要能够摆脱地球引力环绕太阳运行，必须达到每秒11.2千米的第二宇宙速度，要能够挣脱太阳引力飞出太阳系运行，必须达到每秒16.7千米的第三宇宙速度。而要达到如此高的飞行速度，就必须使用运载火箭发射航天器。

同学们都知道，我国古代四大发明之一就是火药。有了火药，才出现了燃放的炮仗二踢脚。这种在地面点火后能向下喷射火焰而腾空炸响的爆竹，就是最原始的火箭工作原理，宋朝的时候又出现了可飞向敌方部队、用于作战的简单火箭武器，明朝时使用的火箭就相当于现在军用无控火箭弹，因而举世公认中国是最早发明火箭的国家。在12、13世纪，火药首先传入阿拉伯国家，然后传到希腊和欧洲乃至世界各地。对人类社会的文明进步，对经济和科学文化的发展，起到了重要的推动作用。英法各国直到14世纪中叶，才有应用火药和火器的记载。这一火箭的基本工作原理一直沿袭至今，其实质就是它既盛装着燃烧剂，又携带着氧化剂，两者燃烧时不需要外界物质。燃烧生成的高温高压气体连续不断地向下高速排出，产生一个向上推动的反作用力，不仅能使火箭本身拔地而起，而且能使其持续不停地加速飞行，从而能将它头顶上装置的航天器送上太空预定轨道运行。

火箭在大气层中向上飞行时，随着速度的加快，空气阻力也急剧上升，限制了火箭的速度，因此航天器在大气层中不可能实现宇宙速度。实际上，火箭要经过一个逐步加速的过程，以便在较低的速度下穿越大气层。火箭发动机离开空气则阻力减小，有效推力更大。当火箭上升到距离地球100千米以外时，外界大气压力和密度仅为地面的万分之一，空气阻力可以忽略不计，火箭推力接近最大值，很快能使航天器达到宇宙速度。如果是向月球发射航天器，运载火箭就能使其达到每秒10.8千米的速度。

火箭的结构

运载火箭本身一般由壳体、发动机、控制设备与电力系统四大部分构成，有时还可根据需要在火箭上装设遥测、安全自毁和其他附加系统。另外它的上端还要安置盛装有效载荷即航天器的整流罩。其中发动机的工作性能是整个火箭实现高速飞行的关键。火箭所能达到的最大速度与发动机的结构功能与使用的推进剂即燃烧剂和氧化剂有着重要关系。对于一般的火箭发动机的结构材料与工艺水平来说，其工作结果还远远达不到第一宇宙速度。为了解决这一问题，科学家提出了采用多级火箭的方案，并被实践证明是可行的。同时，壳体即箭体结构应有良好的空气动力外形，在完成相同功能的前提下，箭体结构的重量和体积越小越好。减轻箭体结构重量的途径，除设计技巧和工艺方法外，结构形式和材料的选择也很重要。有效载荷是火箭所要运送的物体，火箭的用途不同，有效载荷也就不同。军用火箭的有效载荷就是战斗部即弹头，科学研究用的火箭的有效载荷是各种研究仪器，可分为人造卫星、载人飞船、无人飞船以及空间探测器等航天器。

多级运载火箭是由单级火箭组合而成的，采取上下串连或周围捆绑并联以及两者同用的方式提高发射能力。它具有多种型号，能够发射不同重量的航天器。开始时处在最下面的第一级点火启动，整个火箭离地而起。当其推进剂燃烧完毕时，立即关机并按程序自动脱落，使整个火箭重量大大减轻，速度可以更大幅度地加快。随即第二级接着点火，在已有的速度上继续给火箭加速，待其工作完毕后也照样关机并脱落。如果有第三级或者第四级火箭，其工作过程也与第二级的状态类似，只是最后一级火箭有的为了航天器变动轨道的需要须经几次开、关机后才最后脱落。鉴于火箭在冲出稠密大气层后有效载荷用不着继续保护，故而整流罩自动脱落，以减轻火箭运载的重量。多级运载火箭最终达到的速度是各级火箭提供的速度之和，其连续接力工作的结果便可使航天器达到预定的宇宙速度。

火箭的种类

火箭的种类很多，如利用燃烧推进剂把化学能转变为动能的化学火箭：利用核能的核裂变火箭、同位素火箭和热核火箭：利用电能的电热式火箭、等离子体火箭以及电磁流体火箭等：利用光能的太阳能火箭、激光火箭等。这些火箭各具特色，用途也各不相同。通常把工作时间较短、推动力大的化学火箭用作航天器的发射工具，能将后者送入太空预定轨道运行，故而将其称为运载火箭。一般把工作时间长、推动力小的其他火箭安装在航天器上，在太空飞行中用来给后者调整姿态、变动轨道或作为其他机动飞行的动力，故而将其称为机动火箭。根据需要，有的机动火箭可以跟随航天器飞行和工作很多年。

目前使用得最多的运载火箭几乎都是化学火箭。化学火箭按其所用的推进剂，可分为固体火箭、液体火箭和固液混合型火箭三种类型。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：美国的飞马座运载火箭则是一种三级固体火箭。

液体火箭采用液体发动机工作，主要由推进剂贮箱、输送系统、燃烧室和尾喷管等部分组成。它使用的推进剂均是液体或液化气：燃烧剂如煤油、酒精、偏二甲胼、液氢等，氧化剂如硝酸、四氧化二氮、液氧等，两者分别盛装在不同的贮箱里。火箭点火启动时，用泵或压力装置同时把它们各自导入燃烧室，进行混合和燃烧，生成温度高达三四千摄氏度、压力可达七八十个大气压的燃气，从尾喷管里以每秒两三千米的速度向下喷射而出，形成向上的巨大的推动力。由于其不仅推力较大、工作可靠，而且推力大小和方向易于调节控制，故而在发射航天器领域得到了广泛的应用。目前世界上应用的名牌运载火箭几乎都是液体化学火箭。

固体火箭采用固体发动机工作，主要由盛装着固体推进剂的燃烧室和尾喷管组成，其推进剂由固态的燃烧剂、氧化剂和其他的添加剂混合制造而成，或者浇铸在燃烧室内，抑或加工成型后安装在燃烧室里。火箭点火启动时，推进剂立即迅速燃烧，生成的高温高压燃气从尾喷管向下排出，产生向上的推动力。鉴于固体火箭省去了推进剂贮箱和输送系统，故而结构简单、体积偏小、重量较轻，制造和保存以及使用都甚为方便。然而固体火箭却存在着产生的推力不如液体火箭大且工作时间比较短、推力难以进行调节控制的缺点，因此它多用于发射导弹武器或小型卫星，或对称地捆绑在大型火箭第一级周围作为助推器使用，以增大运载火箭的起飞推力。

人类利用运载火箭发射航天器到太空遨游并实现载人航天的办法，首先是俄国的科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基提出来的。他在1903年就阐明了火箭在太空中飞行的原理，提出了利用火箭进行星际航行和发射人造卫星的可能性，并且建立了火箭结构特点与飞行速度之间的关系式，为研究火箭和液体火箭发动机奠定了理论基础。之后他又提出了液体火箭发动机的结构、多级火箭、建立行星际中间站等许多有效的技术建议。1917年苏联“十月革命”后，齐奥尔科夫斯基的才智得以充分发挥，在研究喷气飞行原理方面颇有建树。齐奥尔科夫斯基一生撰写了730多篇论著。1932年苏联政府授予他劳动红旗勋章。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。”齐奥尔科夫斯基是现代宇宙航行学的奠基人，被称为“航天之父”。

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