第6章 人类探索太空的翅膀——火箭(1)

热气球、飞艇和飞机等飞行器帮助人类实现了在蓝天中自由飞翔的梦想。但是浩瀚的星空对人类来说仍然是未解之谜。由于热气球、飞艇和飞机自身的限制以及地球引力的存在，人类飞行的高度受到了很大的限制。那么，如何克服地球引力，飞向更高、更辽阔的太空呢？

在20世纪之前，人们提出了形形色色的设想，诸如宇宙梯、空间桥、通天塔等。由于生产力和科技水平的限制，这些设想相当大的部分都是只是幻想。直到齐奥尔科夫斯基第一个提出应用火箭征服太空的方案之后，人类探索更高、更辽阔的太空之设想才逐渐成为了现实。

齐奥尔科夫斯基的方案提出之后，世界各国的科学家们集中力量进行了飞向太空的助推器的研究。经过半个多世纪的研究，人类终于将梦想变为了现实，开辟了通向太空的道路。

从古代火箭到现代火箭的历程

现代火箭是从古代火箭发展而来的，而最早的火箭是中国人发明的。

早期的火箭

三国时期，诸葛亮率兵攻打郝昭军营，架起云梯衡车以临城下。郝昭将捆绑有火把的箭射向云梯，把云梯点燃，将爬上云梯的将士全都活活烧死。这是火箭一词最早出现。

此时的火箭实际上就是带火的箭。火和箭有机地结合在一起是黑火药发明并得到广泛应用以后的事。这之前，所谓的火箭均为“燃烧箭”，只是在箭杆前部绑有易燃物，点燃后用弓或弩射出的普通箭。黑火药发明之后的火箭，则是靠火药燃烧时喷发燃气的反作用力推进而运动的火箭。实际是“向后喷火的箭”。

人类探索太空的翅膀——火箭火龙出水最早的“向后喷火的火箭”是我国宋朝的冯继升、岳义方以及唐福等人发明的。这种火箭是一种原始火箭，箭上有一个纸筒，里面装满火药，纸筒的尾部有一根引火线，通过引火线将火药点燃，变成一股猛烈的气流从尾部喷射出去，利用喷射气流的反作用力，火箭就能飞快地前进。从靠人力用弓发射出去的火箭到直接利用火药的力量来推进火箭，显然是一个了不起的飞跃。

这种原始火箭虽然仍依靠箭头杀伤敌人，也没有专门的发射设备，但它的射击距离要比弓射远得多，这在当时已经是一种很先进的武器了。

公元16世纪，明朝的戚继光抗击沿海入侵的倭寇，曾使用过重达两斤多的火箭，射程有100～200米。明朝茅元仪所编的《武备志》里，记述了当时的多种火箭武器。其中值得特别注意的是一种取名“火龙出水”的武器。它的外形是一个雕刻着龙头和龙尾的圆筒，筒内藏着一组火箭，推动筒身向前飞行，待筒外火箭的火药燃尽，再引向筒内火箭，筒内的火箭可以比单支火箭射得远。这实际已经是多级火箭的雏形了。

印度研制的GSLV系列地球同步卫星运载火箭

另外一种是我国明朝使用过的火箭武器“一窝蜂”：许多箭插在一个筒内，同时点火射出，可加强杀伤威力，它是今日在战争中广泛使用的火箭筒的鼻祖。

大约在13世纪，我国的火箭技术相继传入印度和阿拉伯国家，以后又传入欧洲。从13世纪到18世纪中叶，火箭技术没有什么创新，基本制造方法没有多少改变，我国在这段时间仍处于领先地位。18世纪后期，印度火箭取得了较大的进步，改用铁皮制造药筒，能承受较大的压力，加之火药的性能也有了较大的改善，从而使火箭的射程超过1 千米，这在当时简直是不可思议。

齐奥尔科夫斯基印度火箭的卓越性能引起欧洲火箭技术的飞速发展，欧洲各国普遍加快了研制火箭的步伐。19世纪末20世纪初，近代火箭技术发展起来，代表人物有苏联的齐奥尔科夫斯基、美国人戈达德和德国人布劳恩。

齐奥尔科夫斯基毕生从事火箭技术和航天飞行的研究。在他的科学论文《太空火箭列车》中，对火箭飞行的思想进行了深刻的论证，最早从理论上证明用多级火箭可以克服地心引力进入太空。他建立了火箭运动的基本数学方程，奠定了理论基础。他预想到现代火箭的真实结构，并论述了关于液氢液氧作为推进剂用于火箭的可靠性，设想用新的燃料（原子核分解的能量）来做火箭的动力。他具体阐明了用火箭进行航天飞行的条件，火箭由地面起飞的条件，人造地球卫星及实现飞向其他行星所必需中间站的设想。

戈达德和他的火箭他还提出了许多的技术建议，如建议用燃气舵控制火箭，用泵来强制输送推进剂，以及用仪器自动控制火箭等，都对现代火箭和航天飞行的发展起了巨大作用。

戈达德是美国的物理学家和现代火箭技术的先驱者，他发明并制造了世界第一枚液体火箭。在1919年发表的《达到超高空的方法》文章中，他论述了用火箭作高空大气研究和达到月球的可能性。1925年，他制造了第一个55千克的小型液体火箭发动机，并成功燃烧了27秒钟。戈达德对这次成功感到非常兴奋，下决心要让火箭飞上天。1926年春天，戈达德的第三台液体火箭发动机试制成功，并被组装在世界上第一枚液体火箭上。这枚火箭长3米，直径约15厘米。液体燃料仅燃烧了25秒，飞行高度只有12米，飞行距离仅56米，效果并不理想，但却打开了液体火箭技术的大门。

当戈达德致力于液体火箭技术研究的时候，德国人也加快了对液体燃料火箭的研究步伐，成立了以年轻的太空旅行学会会员布劳恩为主的液体燃料火箭设计研究小组。

在布劳恩的领导下，1933年德国很快研制出了专门用于试验的“A—1”型液体火箭。这种长14米，直径03米，重量达150千克的火箭，用酒精和液氧作推进剂，发动机推力达到了300千克，在当时是无与伦比的大型火箭。在第二年冬天，成功地试射了“A—1”型火箭的改进型“A—2”火箭，在第三年又完成了“A—3”型火箭的试制。不久，“A—4”型导弹火箭问世。

“航天第一设计师”——布劳恩1942年底，代号为“樱桃核”的飞航式导弹出世了。这种导弹重2200千克，弹长76米，战斗部装药近1000千克，射程可达370千米。由于纳粹党的宣传部长戈培尔觉得“樱桃核”这个代号不响亮，于是便将这种导弹命名为“V—1”导弹。因为“V”既有英文“胜利”的含义，同时也是德文“复仇”一词的第一个字母。

德国“V-2”导弹1942年10月发射“V—2”导弹。导弹重约13吨，弹长14米，直径16米，战斗部装药800千克，最大飞行速度1700米/秒，最大推力可达27吨，弹道高100千米，射程320千米。采用具有程序装置及测速仪器的自主式陀螺控制系统，导弹命中率大为提高。

“V—2”导弹是世界上第一枚弹道导弹，体现了当时最先进的火箭制造技术，是现代火箭技术发展史的重要一页。

第二次世界大战以德军战败结束。苏军首先攻占“V—2”的生产基地。苏军将基地内的火箭制造工艺人员、图纸和机器设备全部运回苏联，而以布劳恩为首的高级设计人员都投奔了美国。美国和苏联两个超级大国相互竞争，火箭制造技术日趋完善。到了20世纪90年代，能够制造火箭的国家有美、俄、法、日、中、印、以、巴等，火箭家庭也在不断扩大。

火药

火药是中国的四大发明之一，它不但体现了中国古代劳动人民的智慧，也为世界文明的进程做出了突出的贡献。火药的发明得益于中国古代的炼丹术。火药之所以称之为“药”，就是因为这种黑色或褐色的粉末在最初的时候是被当做药来服用的。

火药是由硝酸钾、木炭和硫黄机械混合而成，最初均制成粉末状，以后一般制成大小不同的颗粒状，可供不同用途之需，在采用无烟火药以前，我国发明的火药（又称黑火药）一直用作惟一的军用发射药。

大展身手的各式现代火箭

火箭的实质是一种无人驾驶的飞行器，也叫空间运载工具。人们使用各式各样的火箭，基本目的只有一个：携带物体飞越空间。军用火箭把爆炸装置送向目标；探空火箭把科学仪器送上高层大气层；运载火箭把航天器送入太空；小型助推火箭控制航天器的姿态或修正航天器的飞行轨道。

导弹

航展上的C-802反舰导弹导弹的原意是指所有投向和射向敌方的物体，包括弓箭、子弹和其他武器。在现代军事词汇里，导弹一般专指利用火箭或空气喷气发动机推进，从空中射向敌方的爆炸装置。火箭发动机和空气喷气发动机的区别在于：火箭自己携带助燃的氧化剂，而空气喷气发动机则从它飞过的空气中吸取氧气。

导弹种类繁多，分类方法各异。按照发射点和目标的相对位置，导弹可分为地地导弹、地空导弹、空空导弹和空地导弹四类。根据弹道特征还可分为弹道导弹和巡航导弹，例如我国的“鹰击2号”（C—802）就是反舰巡航导弹。

导弹通常由战斗部、弹体结构、动力装置和制导系统组成。战斗部又叫弹头，是用于毁伤目标的专用装置；弹体结构是把导弹各部件连接起来的支承结构；动力装备是导弹飞行的动力源；制导系统用于控制导弹的飞行方向、姿态、高度和速度，引导导弹或弹头准确地飞向目标。

探空火箭

探空火箭是在高空进行探测和科学实验的火箭。它是在运载火箭的基础上，在火箭头部安放一些探侧仪器，使之成为能够对高空大气的各层结构、成分及参数进行直接探测的火箭。探空火箭系统一般由有效载荷（大多装在箭头的仪器舱内）、火箭、发射装置和地面台站组成。

探空火箭探空火箭通常可按研究对象分类，如气象火箭、生物火箭、地球物理火箭等。气象火箭多用于 100千米以下高度的大气常规探测；生物火箭用于外层空间的生物学研究；地球物理火箭用于地球物理参数探测，使用高度大多在120千米以上。

探空火箭所获取的资料可用于天气预报、地球和天文物理研究，为弹道导弹、运载火箭、人造卫星、载人飞船等飞行器的研制提供必要的环境参数。探空火箭还可用于某些特殊问题的试验研究，例如利用探空火箭提供的失重状态研究生物机体的变化和适应性，利用探空火箭进行新技术和仪器设备的验证性试验等。

世界第一枚专门用于高空大气探测的多级液体燃料火箭是美国于1945年秋研制成功的“女兵下士”火箭。它能将11千克的有效载荷送到 70千米的高空。此后，美国和苏联利用缴获的V—2火箭发射了一批探空火箭。20世纪50年代的国际地球物理年活动大大推动了探空火箭的发展，许多国家开始了探空火箭的研制。到20世纪80年代，世界上已有20多个国家发展或使用了探空火箭。探空火箭的年发射量高达数千枚。

探空火箭的发射，使人类获得了有关地球大气层的物理和化学性质、地磁场、宇宙辐射和太阳辐射、X射线和紫外辐射以及微陨石等大量宝贵资料，这些资料广泛应用于天气预报、地球物理和天文物理的研究，为弹道导弹、运载火箭、人造地球卫星、载人飞船等飞行器的研制提供了必不可少的环境参数。

运载火箭

运载火箭是由多级火箭组成的航天运载工具，其用途是把人造卫星、载人飞船、空间站或空间探测器等有效载荷送入预定轨道。运载火箭一般由2～4级火箭组成。火箭每一级都有自己的箭体结构和动力装置。级与级之间靠级间段连接。末级有仪器舱，内装制导与控制系统、遥测系统以及安全系统。有效载荷装在仪器舱上面，外面套有整流罩。

土星1B号运载火箭

早期的运载火箭大多数是由弹道式导弹改进而成，后来为适应不同航天发射任务的需要，专门研制了系列化的运载火箭。许多运载火箭的第一级外围捆绑有火箭助推器。助推器可以是固体或液体火箭，其数量可根据运载能力的需要来选择。

无论是固体运载火箭还是液体运载火箭，单级运载火箭还是多级运载火箭，其主要的组成部分有结构系统、动力装置系统和控制系统。这三大系统称为运载火箭的主系统，主系统工作的可靠与否，将直接影响运载火箭飞行的成败。此外，运载火箭上还有一些不直接影响飞行成败并由箭上设备与地面设备共同组成的系统，例如，遥测系统、外弹道测量系统、安全系统和瞄准系统等。

运载火箭的捆绑技术运载火箭是第二次世界大战后在导弹的基础上开始发展的。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。到 20世纪80年代，苏联、美国、法国、日本、中国、英国、印度和欧洲空间局已研制成功20多种大、中、小运载能力的火箭。各国使用的主要运载火箭有：美国的“土星”号、苏联的“质子号”和“能源号”巨型运载火箭，美国的“大力神”号、欧洲航天局11个成员国联合研制的“阿里亚娜”号、中国的“长征”号大型运载火箭，苏联的“东方”号和日本的N号中型运载火箭等。

推力器

为了能够在太空控制航天器的飞行姿态或者修正它的飞行轨道，许多航天器都装备小推力（火箭）发动机，叫做推力器。它们能够帮助航天器改变飞行速度和方向，进入更高的轨道或准备返回地球。