书城科普必知的航天科技(青少年科技爱好培养)
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第8章 发射装置(1)

最早的发射装置

中国早在古代就发明了火药。到了宋代初期,就有人发明了世界上第一枚火箭——用火药做燃料的火箭。到13世纪,我国的火药及火箭技术传到阿拉伯国家,后来又传入欧洲。我们的祖先还曾试图利用火药的推力造登空飞船,可惜没有成功。历史表明,最早把火箭用于航天的是中国,中国是名副其实的火箭的故乡。尽管中国早期的火箭是原始的,但它的基本原理——反作用推进原理的生命力是旺盛的,现代火箭并没离开这一原理。可以说,火箭也是中国的一大发明。

火箭

1883年,宇宙航行理论奠基人、俄国科学家齐奥尔科夫斯基指出,能在太空真空中工作的火箭,可以做为宇宙航行的动力工具。

到1903年,齐奥尔科夫斯基进一步提出火箭公式,指出火箭的飞行速度与火箭发动机的喷气速度成正比,并指出,黑色火药一类的固体火箭燃料,产能效率低,无法使火箭达到宇宙速度,应该使用液氢液氧这样的液体燃料。同时,火箭公式还表明,火箭的自身结构质量越小越好,燃料装得越多越好。这样,火箭公式就为发展现代火箭指明了方向。它被称为“齐奥尔科夫斯基公式”。

在火箭公式的基础上,齐奥尔科夫斯基还运用他巧妙的思维指出,用多级火箭接替工作的办法,可使火箭逐级提高速度,最后达到所需的宇宙速度。

火箭公式是把宇宙航行从理论、理想变为现实的转折点,后来人们将火箭公式誉为“宇宙航行第一公式”。

1957年10月4日和1961年4月12日,苏联航天事业总设计师科·罗廖夫研制的火箭,分别将人类的第一颗人造地球卫星和第一名航天员送入太空轨道,建造了载人航天的巨大里程碑。

民用火箭的种类

民用火箭的种类很多,这里让我们给主要民用火箭画个像。

气象火箭它把科学仪器送到低于120千米的高空,探测那里大气的温度、压力、密度和流动速度,以预测气象变化。这是很重要的气象探测,因为那里是气象卫星和一般探测气球都到不了的盲区。1960年2月19日,我国发射成功T-TM气象火箭。

地球物理火箭它把科学仪器送到120千米以上的高空,探测那里的各种地球物理状况的数据资料。

生物火箭它将生物和科学仪器送到高空,观测生物的生理等变化,研究高空环境对生物的影响。这是为载人航天活动服务的,在人类进入太空以前,科学家们发射了大量的生物火箭,而且至今仍在发射。在20世纪60年代,我国就用生物火箭把果蝇、大小白鼠等生物送到高空进行实验,最有名的是1966年7月15日和28日,分别将小狗“小豹”和“姗姗”送进几十千米的高空,并安全返回,后来它们还婚配产仔。

科学实验火箭它把科学仪器和实验材料送到高空,进行各种科学实验。如日本在1980年和1981年,用火箭将小型炼钢炉送到高空,利用短暂的失重状态进行炼钢实验。1988年,日本还两次用德国火箭将微重力实验装置,送到240~270千米高空,利用6分钟的微重环境,进行半导体材料实验。

防雷、除雹、降雨火箭大气中的雷电,常常会击毁电力设施、电子仪器、引起火灾,击毁竖立在发射台上和飞行中的航天运载火箭等,可用火箭将特定装置送到可能有雷电产生的空间,预先引发雷电,以达到防雷、避雷和减轻雷电损失的目的。用火箭将炸药送到有冰雹的云层中爆炸,可以消除冰雹或减轻雹灾。同样还可以用火箭把催化剂送到降雨云中,进行人工降雨。

加速和减速动力火箭火箭可作为飞机和船舶的加速动力。火箭也可作为各种飞行器的减速动力,叫制动火箭。如航天器返回地球或在其他星球上着陆前,可用制动火箭降低速度。

邮政火箭为交通不便的边远地区运送信件和物资,特别是运送紧急需要的药品、救灾物资和工程抢险材料等。1992年,俄罗斯曾用火箭将哥伦布航行到美洲500周年的纪念品发送到美国。

观察和摄影火箭用火箭把电视摄像机送到空中,然后用降落伞吊挂着对地面摄影,这比卫星对地面拍照更清晰、灵活和及时得多,可用于观察火山爆发、森林火灾、地震和洪水等灾情,观测地球南北两极、百慕大“黑三角”等不易到达和有危险的地区,海滩、空难现场的观察和指挥营救、野生动物跟踪,对体育比赛进行现场摄影和报道等。

体育运动火箭即模型火箭,它是一种重要的体育器材,深受青少年的喜爱,模型火箭竞赛已成为一项国际性的体育竞赛活动。模型火箭运动参加者,可以动手制作模型火箭,可以用模型火箭进行科学探测、实验和研究,把体育与教学、科研、科学普及活动结合起来,对小学、中学、大学和自学计划中的数学、空气动力学、物理学、工艺学、甚至文学的形象教学都有很大帮助。

这里顺便说一下模型火箭与火箭模型的区别。火箭模型是真实火箭的缩小比例的模型,如“长征二号E”火箭模型、“长征三号”火箭模型等等,它们一般用作陈设和观赏。模型火箭的外形既可以是真实火箭的缩比模型,也可以根据需要来设计,它们可以像真实火箭一样地点火发射。

军用火箭的种类

军用火箭和导弹是一个庞大的队伍,只有让它们列队来点卯。

火箭武器有火箭炮。前苏联在第二次世界大战中使用的“喀秋莎”,就是一种火箭炮,它曾经使德国法西斯军队丧胆。中国制造的70式火箭炮,射程达10000多米。还有火箭筒。中国制造的70式火箭筒,可穿透300毫米厚的装甲。还有火箭弹,是由发射装置发射,由火箭发动机推动的爆破、燃烧和杀伤武器。还有火箭增程弹,它像普通炮弹那样发射出去,然后由火箭发动机的推力来增加射程。如我国的130毫米的加农炮,就配备了火箭增程弹。还有航空火箭弹,即从飞机上发射的火箭武器。在越南战争中,美国曾大量使用航空火箭弹。此外,还有布雷火箭、照明火箭、干扰火箭、侦察摄影火箭和战场上运送紧急军政邮件的火箭等等。

导弹导弹的种类很多,有打击战略目标的战略导弹;有战役中战场上使用的战术导弹;有像飞机一样带巨大翅膀,可在大气层中巡航飞行的巡航导弹;有反弹道导弹,即截击弹道导弹的导弹等等。

在战略导弹中,有从陆地上发射,打击遥远陆地目标的地地战略导弹,它们沿弹道轨迹飞行,所以叫地地战略弹道导弹,一般是洲际(射程8000千米以上)导弹。如美国的“民兵”、MX,前苏联——俄罗斯的SS-18、SS-19等,我国在1980年5月,也从内陆基地向南太平洋海域进行了洲际导弹发射飞行试验。

还有从水下潜艇上发射,打击陆地上战略目标的潜地战略弹道导弹。如美国的“北极星”、“海神”、“三叉戟”,前苏联——俄罗斯的“SS-N-20”、“SS-N-23”,法国的M-4、M-20等。它们有中程(1000千米以上)的,也有远程(4000千米以上)的。1982年10月,我国也从潜艇水下发射导弹成功。潜射导弹是一种重要的战略武器,因为潜艇在水下航行,可驶向有利位置发射导弹,然后遁去,隐蔽性好,机动性强,有很强的生存能力。

战术导弹的种类繁多,有从地面发射,打击地面目标的地地战术弹道导弹;有从地面和海面发射,打击空中目标的面空导弹(也叫防空导弹);有从空中发射打击空中目标的空空导弹;有从空中发射,打击地面目标的空地导弹;有专门对付舰艇的反舰导弹;还有专门对付坦克的反坦克导弹;专门袭击雷达的反雷达导弹(又叫反辐射导弹)等等。

巡航导弹有战略的,也有战术的。如海湾战争前后,美国从海面舰艇上发射后,飞行2000多千米,攻击伊拉克的“战斧”巡航导弹,就是战略巡航导弹;一些从陆地和空中发射的反舰巡航导弹,则是战术巡航导弹。

反弹道导弹的导弹,是防御战略导弹进攻的导弹。20世纪60年代前苏联开始在莫斯科周围部署“橡皮套鞋”反导弹系统。接着,美国也搞了“奈基——宇斯”反导弹系统。到80年代实施“星球大战计划”时,美国的反弹道导弹导弹研制达到了高潮。

捆绑式火箭

为了战胜地球引力进入太空,我们必须利用火箭。然而单级火箭是达不到这个目的的。俄国科学家齐奥尔科夫斯基首先提出了“火箭列车”的概念,就是把两节以上的火箭串联或并联起来,组成一列多级火箭来提高火箭的速度,最终使末级火箭达到第一宇宙速度。

多级火箭利用了一种质量抛扔原理,即火箭发射后,把已经完成任务的无用的结构抛掉,使火箭发动机的能量最大限度地用于提高火箭的动能,从而间接地减轻火箭的结构质量,实现“轻装前进”。这样,在使用同样性能的火箭发动机和相同技术水平的箭体结构的条件下,用单级火箭无法达到的第一宇宙速度,而用多级火箭就能实现。