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飞向太空的得力助手 |
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——火箭 1996年6月4日，法属圭亚那库鲁航天中心一个直径5.4米，高约50米的银灰色巨箭昂首矗立在一个巨大的发射平台上，这就是有名的阿丽亚娜五号运载火箭，由欧洲空间局制造。当地时间9时33分59秒，一团白色的蒸汽和耀眼的光芒出现，接着带有两个助推火箭的阿丽亚娜五号火箭携着四颗卫星，拖着一条长长的火焰，缓缓升起，扶摇直上，向高空飞进。观看的群众沸腾了，掌声不断，人们的脸上洋溢着胜利的微笑。忽然，起飞37秒后，火箭头部一低，随即发生了爆炸；接着41秒后，助推火箭也发生了爆炸，火箭与卫星的碎片变成一个个火球向下溅落。人们惊呆了，不少人禁不住流下了眼泪。就这样，耗资71亿美元、牵动十几个国家、涉及数万名技术人员、三千多个日日夜夜的心血，在短短几秒钟内化成了泡影。 这是96年世界上最先进的火箭的试飞过程，也是一个第一次飞越失败的过程。有人不禁要问，花这么多的钱与心血，历经这么长时间，值得吗？回答当然是肯定的。 前面我们讲过一系烈的飞行器，这些飞行器虽然能八仙过海，各显神通，但是都飞得不够高，按科学术语来讲，只能叫“航天”。原来，地球大气层相当厚，它可以分成对流层、平流层、中间层、暖层、散逸层。对流层、平流层空气密度大，里面氧份多，所以我们的许多飞行器都可以带上燃料，借助氧气，进行燃烧，自由飞行。但这两层以外的空气，特别是散逸层以外的空间大气相当稀薄，不要说飞行器找不到足够的燃烧剂，连人呼吸用的氧气都没有。而且地球引力相当大，一般飞行器的速度，不管是亚音速、超音速，都无法摆脱地球引力的束缚，飞上太空。那么，人真的就无法飞上太空吗？办法当然是有的。运载火箭就是人们飞向太空的得力助手。 助手向何处去 我国是世界文明占国之一，火箭是我国最早发明的。在唐宋时期，火箭就在军事上得到了运用。虽然今天的火箭不可与往日的火箭同日而语，但它们的使用原理都是一样的。现代火箭的产生，从很大程度上源于人类摆脱地球的引力、实现“可上九大揽月”的梦想。 我们知道，所有的物体都有吸引力，只不过有的物体质量太小，我们感觉不到罢了。地球是个具有巨大质量的球体，所有的物体都被吸向地心。我们人也不例外，这也是我们每人都有重量的原因。不过，有人可能会纳闷儿：如太阳与地球、地球和月亮为什么不因为吸引而跑到一起呢？这是因为这些星体都有一种速度，这种速度产生了离心力，平衡和抵消了吸引力，所以它们看起来都相对静止不动。同样，像一些人造天体，如人造卫星、宇宙飞船、航天飞机等，要绕地球轨道运行，也需要达到一定的速度，这种速度是 7.8公里/秒，它叫第一宇宙速度；当然太阳的质量比地球要大，吸引力更强，人造天体要进行行星际航行，必须达到另一种速度，即11.2公里/秒，这叫第二宇宙速度。同样，要摆脱太阳的引力，到太阳系外去探索宇宙，必须达到每秒16.6公里的速度，这叫第三宇宙速度。要达到这么高的速度，火箭是目前人类的唯一选择。 我国发明火箭后的一千多年中，火箭技术发展缓慢。1942年10月，德国研制的全长14米，起飞重量13吨，箭体直径1.65米，最大射程为320公里的现代火箭V—2试飞成功。火箭V—2本质上是一种弹道导弹，它是多级运载火箭的前身。此后，美国和前苏联先后在50年代末期，在V—2导弹的基础上研制成功了洲际导弹。而与此同时，第一颗人造卫星由前苏联用洲际弹道导弹发射入轨。以后的三十多年中，空间技术得到迅速发展，各种型号的洲际导弹改型的早期卫星运载火箭相继产生，如前苏联东方号、上升号、联盟号载人飞船的运载火箭、中小型人造天体的运载火箭B—Ⅰ型 （凉鞋）、C—Ⅰ型 （短剑）和轨道武器系统的运载火箭F—Ⅰ型 （悬崖）、以及专为发射大型天体的运载火箭D型 （质子号）；美国也相继研制了红石、先型、雷神——德尔他、宇宙神——阿金纳、宇宙神——人马座、大力神以及为阿波罗空间探险计划专门研制的土星1B、土星5号等运载火箭；我国的运载火箭有长征号系列，此外欧洲空间局有阿丽亚娜号运载火箭；日本有H—2号运载火箭、印度等国也有能独立发射卫星的运载火箭。 火箭家族的派生 火箭的实质是一种无人驾驶的飞行器，也叫空间运载工具。它的任务就是把称为有效载荷的人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机、星际探测器等送入各自的空间轨道，去完成它们的使命。 早期的火箭是单级的，现代火箭大多是多级型。多级火箭的思想是 20世纪初俄国科学家齐奥尔科夫斯基提出来的。他大胆地提出月亮、星际旅行的设想，并指出只有用液体作推进剂的多级火箭才能完成字宙航行的任务。与此同时，他还推出了著名的齐奥尔科夫斯基公式，为宇宙航行的理论工作做出了重大贡献。 但是他的想法并不完全对，因为火箭不光用液体燃料，固体燃料、固液混合燃料也可以用。在液体火箭技术方面，美国学者高达德取得了巨大的成就。从目前来看，现代火箭大部分使用液体燃料。像1996年6月4日失事的阿丽亚娜5号运载火箭就是这样。当然，固体燃料火箭也不少，如美国“侦察兵”型运载火箭，阿丽亚娜5号的两个助推火箭正是使用了固体燃料。液体、固体火箭都是化学推进剂运载火箭，它们用在地球范围、月球范围和太阳系内的行星际航行已游刃有余；把它用在太阳系以外的恒星际航行与漫游的探测器上，也会有很大的把握；但如果把它用在太阳系以外的实际恒星际载人航行上，则显得太慢，有一种老牛拉破车的感觉。所以新型运载火箭，像电子火箭、核火箭和光子火箭正在研制中。 火箭外型看起来像个长长的细管，头部尖尖的，所以这样设计是为了克服大气的阻力。不过，这个细管并不是笔直的，常常有微微凹进和凸出的部分，我们知道它是一节一节的，这叫多级火箭。多级火箭有两种首尾相接的方式，一是单纯的串联式，是一节一节地联起来的，像阿丽亚娜1号、2号火箭就是这样；再有就是串并混合式。它往往是上面一级串联，下面一级并联，是捆起来的，像阿丽亚娜3号、4号、5号，我国的长征号捆绑式运载火箭，从意思上说都是串并联合式。当然不管是采取何种形式，都力求使用多级火箭，增加运载能力，多带些东西上天。 整个运载火箭由箭体结构、动力装置、控制系统、分离系统等部分组成。箭体结构就是运载火箭的骨骼架子，它有仪器舱、推进剂箱和尾段，头部的帽子——整流罩也可以包括在里面。大型的运载火箭还有尾巴——尾翼。箭体结构就像人的结构一样，它的主要功用是装置各种器官和实用物；不同的是，这些器官和实用物是各种仪器设备、发动机和推动剂等。 火箭的动力装置，就是帮助火箭使劲的东西，包括发动机和液体推进剂输送系统。它的任务是解决火箭的能量和动力问题。运载火箭都使用火箭发动机，它的特点是无需外来氧气，自己已经带足了氧化剂和燃烧剂，准备在真空中燃烧。如前面所说，固体火箭和液体火箭是不同的，其燃烧过程也有差别。液体火箭发动机装的是像水一样的液体。需要如水泵一样的输送系统抽取燃料。液氢液氧是一种常见的低温高能推进剂，极容易燃烧，不容易储存，但用在运载火箭上却很方便。火箭发动机不能出故障，否则整个发射会功篑一瞬。1995年3月28日，俄罗斯用“起飞号”运载火箭发射一颗以色列卫星、两颗本国卫星以及墨西哥的试验仪器时，由于发动机失灵，10分钟后火箭爆炸。 固液体火箭的燃料一定要封密好，如果稍有泄漏，就会酿成大祸。1986年1月28日，美国卡纳维拉尔角宇航中心，火箭发射一分钟后，由于右侧固体助推火箭圆筒焊接处的密封圈出了问题，使火箭燃烧的火焰窜出来，烧坏了机外燃烧舱的液氢容器，最后造成助推火箭和机外燃烧舱分离，进而猛烈爆炸，致使搭载飞船的七名机组人员遇难。 控制系统，就像人的神经系统一样，它能指挥火箭进行各种行动，包括制导系统、姿态控制系统、发射系统等。控制系统的任务是使运载火箭保持正常的运行姿态，该偏就偏，该正就正。运载火箭的制导系统有惯性制导和无线电制导。惯性制导是依靠运载火箭的设备来指导自己运行；无线电制导要通过他人来帮助，地面雷达将测出的运载火箭方位与速度进行比较，对运载火箭的偏差进行修正，同时按时发布火箭发动机熄火、关闭的信号。 控制系统是很重要的，它就如同人走路不能出偏差一样。统计资料表明，相当一部分航天发射事故均出于此。以1995年为例，八起航天发射事故，四起就是控制系统出了问题：1月15日，日本用M—36—2固体火箭发射德日联合研制的“快车号”返回式卫星，火箭起飞后103秒开始摇摆，地面站只好发出指令让其星箭俱毁；6月22日，美国用“飞马座”—XL空射小型火箭发射空军一个小型试验卫星时，第二次点火后的火箭失去控制而偏离预定轨道，发射场官员只好发出自毁指令；8月15日，美国用新研制的LLV—Ⅰ小型火箭进行首次发射时，由于第二级火箭姿态失控，在发射后106秒时，发射场官员只好向星箭发出自毁指令；10月23日，美国私人投资的“大篷车”小型固体火箭从美国弗吉尼亚洲瓦洛普斯发射45秒后箭体倾斜，爆炸后坠入大西洋。 运载火箭的分离系统，就是自动分开的系统，它包括人造天体与末级火箭的分离、卫星整流罩的分离等。分离系统也不可忽视，这就像生孩子一样，如果不能分离或者分离不准，很可能会造成发射不能最终成功的缺憾。这里有两个典型的例子： 1995年8月5日，美国用“德尔它”火箭发射韩国第一颗国内通信卫星时，由于捆绑在第一级火箭周围九个固体助推器中的一个没有分离，致使火箭把卫星送入偏低轨道。后来经过地面17次操纵指令，该卫星虽然被推上地球同步轨道，但卫星燃料消耗过多，卫星寿命减半。 又如1995年8月31日，在俄罗斯用“旋风”号火箭发射乌克兰的海洋观测卫星和智利的50千克重的小卫星时，由于分离机构的故障，使智利卫星未能与主卫星分离，这样，乌克兰卫星也无法进行通信试验和对地观测。 运载火箭有大有小，这常常由它所搭载的人造天体和飞行轨道所决定。如果飞行轨道不高，而人造天体不很大却很重，那么火箭起飞要求的重量很大；当人造天体重量不大，而飞行轨道很高时，那么火箭起飞的重量也大。目前，各种卫星、飞船以及空间站的运行轨道都比较高，重量大，所以运载火箭也都是些体壮身高的庞然大物。一般地说，它们多为几百吨，重的也有二、三千吨的；高约为30米左右，也有四、五十米的，粗为三米左右，也有达10米的。但它所能携带天体的质量一般只有火箭起飞重量的1％～2％。像阿丽亚娜5号火箭直径达5.4米，固体助推火箭直径为3.01米，整个火箭高五十多米，起飞质量为710吨，起飞推力为1300吨，双星同步轨道运载能力为5.9吨，单星发射同步轨道运载能力为6.8吨，低轨道为18吨。 向海陆空进军 火箭从点火起飞开始，到把人造天体送入预定轨道，这一飞行阶段叫发射阶段。火箭飞行所经的路线叫发射轨道。发射阶段一般分加速飞行段、惯性滑行段和再加速段三个部分，这就如一辆汽车先加速、再滑行、再加速一样。下面仅以一枚三级运载火箭发射一般轨道的人造天体为例，介绍一下火箭的发射过程。 首先，人造天体及运载火箭在工厂制造完成后，要分别进行总装试验，合格后才由大型运载车辆将其运到发射场。像上面所讲的阿丽亚娜5号运载火箭，原本在6月4日发射，但在前一天6月3日清晨，火箭才由总装厂房转送到发射区，四周可通行的道路全部被封锁，直升机在空中巡逻，以防某些人员图谋不轨。 火箭运到发射场后要进行调装，并进行推进剂加注以及各种测试，准备点火。阿丽亚娜5号火箭在起飞前几个钟头一直不顺利，先是凌晨下了大雨，后来又转为多云加小雨。到上午8点30分左右，仍无法发射，地面控制中心的大屏幕上一直有两个红条，分别表明天气和气象条件不具备。9点27分左右，大屏幕上出现了绿条，表明发射条件成熟，此时发射进入倒计时。 运载火箭第一级发动机点火后，巨大的轰鸣声震天动地，火箭拔地而起，直冲云霄，此时加速飞行开始。经过几十秒钟，运载火箭开始按预定计划向预定方向拐弯。再过几十秒钟，火箭穿过稠密的大气层，到达六七十公里的高空。第一级火箭关机熄火后，自动分离并掉下来。接着第二级发动机点火，推进第三级火箭和人造天体继续加速前进，此时火箭的飞行轨道变得开始向地面弯曲。同样，第二级火箭按计划熄火分离，到这个时候火箭的加速飞行段已结束。在地球的引力以及自身的惯性作用下，火箭携着人造天体开始自由滑行。当第三级火箭到达与天体预定轨道相切的位置时，第三级火箭点火并进行加速，一直等到人造天体达到所需的环绕速度时，它才把人造天体弹出。第三级火箭关机熄火。至此，运载火箭的整个使命就完成了。 当然，如果要发射地球同步卫星、载人登月飞船、星际探测器，那么火箭的运行轨道就复杂得多了。因为不同的人造天体的轨道是不一样的，按圆与扁来分有整圆和椭圆两种。地球静止轨道就是整圆，1984年我国发射的静止通信卫星，采用的就是这种轨道；如果按轨道高度和倾角来分，也有各种各样的轨道，如极地轨道、地球同步轨道、太阳同步轨道等。我国发射的“风云一号”气象卫星采用的就是太阳同步轨道。 一般地讲，火箭轨道的运行与发射任务紧密相关。如发射地球静止轨道的卫星，必须先把卫星送入初始轨道，当卫星飞临赤道上空时，火箭再次点火，卫星进入远日点高度为35，800公里的转移轨道；最后当卫星临近椭圆轨道的远日点时，再次点火加速，卫星最终进入地球静止轨道。这就是说，火箭分别跨过了卫星的几种轨道。 再如，发射返回式卫星时，反推火箭是很有意思的东西。一方面反推火箭要调好姿态，它是帮助卫星减速而不是再次加速。这里有一个令人哭笑不得的故事。1959年8月13日，美国“发现者5号”卫星返回时，由于火箭把方向调错了，不仅没有把卫星送回来，反而把卫星推到了更高的轨道，结果那颗卫星杳无音讯，逃得无影无踪。载人宇宙飞船的反推火箭也要严格控制。美国“水星号”载人飞船返回前，由于火箭点火时间比原计划晚了三秒，结果飞船的落地点远离回收区，运行轨道也与原计划大相径庭，真是“差之毫厘，谬以千里”。 最后谈一点火箭发射的新构想。到目前为止，世界上主要火箭的发射都是在陆地上进行的，但并不是说除此之外就没有别的发射方式，海上、空中、地下发射三种新的方案正在尝试和探索中。 （1）海上发射方案： 目前世界上有15个航天器发射中心位于海上。非洲肯尼亚东海岸的圣马科发射场就是其中之一，它由圣马科和圣丽塔两个海上平台和陆上结集营地组成。两个海上平台相距500米，各自形成体系。其中圣马科平台呈矩形，长100米，宽300米，平台上配有发射架、工作拖车等；圣丽塔呈三角形，是发射操作的神经中枢，它有发射航天控制中心、遥测站、雷达等设备。但此发射中心虽然从1967年进行过多次发射，却不能移动，海上发射的优势并没有显示出来。 据报道，美国空军正在研究开发一个新的发射方案：把浮体或石油钻井平台改造成海上移动型运载火箭发射场。罗马公司的戈里拉浮体海上石油钻井平台被初步选中。他们决定在沿岸设置靠岸的辅助发射装置，另外再在可移动的平台甲板上装上发射台，并把火箭架在上面；海底也打上支柱，并能够抬升平台。运载火箭在固体发射平台上装好后，就可以进行遥控发射。 从海上发射运载火箭有助于保护陆地环境，不需要占用大面积土地，并可以根据具体条件移动发射台。提出这种海上发射的不只有美国，日本也提出了“海上发射复合体”的构想，并取得了专利权。此外，最近也有人提出 “航天母舰”的设想，顾名思义，它类似于航空母舰却又不等同于航空母舰。航空母舰主要是出于军事目的；而航天母舰则主要是为发射火箭而着想的。 （2）空中发射方案： 美国轨道科学公司在1986年左右提出了“飞马”方案。它实际上是一种介于地面和太空发射的一种方式。飞马发射过程是这样的：美国B—52轰炸机带着二级“飞马”运载火箭从地面起飞，当飞到12，000米的高度时，长15米，重18吨，并带有箭翼的“飞马”火箭自动脱落，下降五秒后，火箭第一级开始点火；随后第二级第三级点火；大约八分钟后，第三级火箭燃烧结束，卫星便被送入到450公里的运行轨道中。从1990年4月以来，美国果真从B—52轰炸机上成功地发射了多颗卫星。1993年2月3日，改装后的B—52轰炸机把一颗巴西卫星送入到400～800公里的椭圆轨道。 空中发射方案最吸引人的地方是费用低，只有地面发射的 1/3；另外发射时间短，不受发射区域的地理限制，适用于军事上快速发射的要求。但它只适合小型卫星的发射，运载最大容量只有27吨。同时，美国也有“金牛”标准小型运载火箭。此火箭分四级，能将一吨重的卫星送入轨道，三百多公斤的卫星送入静止轨道。此种火箭已经投入到军民两用。 （3）地下发射方案： 90年代，日本有个公司提出过从地下二千多米深处发射火箭的构想。这个构想要在地下挖一个2000米深、直径为10米的竖坑，从底部利用压缩空气发射运载火箭。此种发射方式的优点在于它能节省燃料，并能提高火箭所搭载人造天体的重量，估计本世纪末可以实现。 目前世界上拥有自己卫星的国家很多，但有发射能力的并不多。从商业卫星的发射市场来看，比较先进的火箭型号有以下几个：一是欧洲空间局研制的阿丽亚娜号火箭；一是俄罗斯研制的质子号运载火箭；一是美国麦道公司研制的德尔它火箭；另一是中国航天工业总公司研制的长征号火箭等。 掌握返回式卫星技术的国家只有四个。除美国和独联体外，我国于1975年首次回收卫星成功，日本1994年用H—2型火箭发射的“返回大气层实验机”按预定计划溅落在大西洋上。 另外一箭多星技术也引人注目。我国于1981年9月2日，用一枚运载火箭发射了三颗卫星。美国、独联体也不甘落后。俄罗斯曾于1994年2月14日，用一枚“旋风—3号”运载火箭发射了“宇宙—2368号”至“宇宙—2273号”六颗通讯卫星，这些卫星都成功地运行在低轨道上。 中国火箭的商业市场潜力很大。我国在1990年4月7日、7月16日、1992年9月14日、10月6日，分别发射了亚洲1号通信卫星、巴基斯坦小型实验卫星、澳大利亚通信卫星、瑞典科学试验卫星。长征3号是我国比较成熟的运载火箭。虽然，我国卫星发射也曾有过挫折，但中国火箭的发射成功率仍是世界上最高的，前景很好。最近一次发射是在1996年7月3日，中国在西昌用“长征三号”发射了“亚太 |
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