火箭飞行试验引起了德国陆军军械部的注意。根据贡比涅停战协定而签订的凡尔赛条约,限制德国远程火炮和空中武器的发展,但当时起草条约的人,没有预见到火箭技术的发展,火箭不在禁止之列,这为发展远程武器提供了方便。为此,德国陆军一直致力于寻找条约限制之外的新的武器系统。这样,德国陆军看中了萌芽中的火箭技术,计划秘密发展火箭武器,以赢得军事优势。“太空旅行协会”所作的大量基础工作及所造就的火箭专家最终对德国战时火箭研制做出了巨大的贡献,使得战时德国的火箭研究和远程火箭技术达到了第二次世界大战结束前的世界最高水平。实际上,早在20世纪20年代,陆军当局就对火箭表现出相当的兴趣,并开始筹建官方的火箭研制组织,抽调专人研究火箭的未来发展潜力和用于战争的可能性。1930年陆军部召开了正式的火箭武器研制会议,标志着德国官方军事火箭计划的开始。
1933年下半年,冯·布劳恩制订了一个“A”系列火箭研制计划。“A—1”火箭则是第一代技术试验火箭,重150公斤,直径0.3米,装有推力为300公斤的再生冷却液氧——酒精发动机。在箭头与箭体内装有轴承,发射前先使重40公斤的箭头高速旋转起来,而箭体不动,以借助自旋使火箭稳定飞行。
之后,他们对“A—1”火箭进行设计上的改造,改进后的火箭称“A—2”,推力900公斤,并于1934年圣诞节前夕发射成功,飞行高度约2.4公里。
为研制更大型火箭,又展开“A—3”火箭研制。“A—3”火箭重750公斤,直径0.7米,长6.5米,设计推力1500公斤。到1941年,冯·布劳恩小组共发射25枚“A—3”(改进后的称“A—5”)火箭,高度可达12.9公里。
1936年,长6米、直径76厘米、重680公斤、推力为1360公斤的A—3液体火箭,也研制出来了。希特勒责成德陆军司令部下达研制射程275公里、弹头1000公斤炸药的A—4弹道导弹的命令,增拨2000万马克经费,并投资3亿马克在奥德河通向波罗的海出口处的乌泽多姆小岛上被称为“佩纳明德”的地方,大兴土木,建立新的火箭基地。
1942年10月3日,A—4液体火箭成功地进行了第一次发射,超过音速5倍,接近每秒2000米,距离达到240公里,飞行高度为200—2000米,能载700公斤重的弹头。
A—4液体火箭的威力,似乎给濒临灭亡的德国法西斯带来了一点希望,于是将A—4改名为V—2。这有两层含义:一是英语的Victory(胜利),二为德语的Vergeltung(复仇)。V—2火箭与弹头相结合即称V—2导弹。
V—2导弹总重量约13000公斤(推进剂重约8500公斤),导弹全长为14米,直径为1.3米,尾部翼展2.2米;推进剂采用酒精和液氧;导弹的最大射程320公里,最大飞行速度1.8公里/秒,飞行高度达100公里。
到1945年3月27日盟军攻占德军设在瓦沙那尔的V—2导弹发射基地为止,德军共向英国发射V—2导弹约1115枚,向其他欧洲各大城市发射V—2导弹约1675枚。虽然有一些导弹并没有击中目标,但是,没有一枚V—2导弹在空中或地面被截击。从技术和战术上看,V—2导弹的远程攻击是成功的,但从战略上看,V—2导弹根本就无法挽回德国法西斯失败的命运。
V—2导弹的战场使用,表明千百年来对火箭的探索获得巨大成功,人类飞天梦就要实现,同时也预示着军事航天力量就要“破空而出”了(当然,当时的纳粹德国并未意识到V—2导弹升空之后的航天意义,只是想用它来挽救法西斯灭亡的命运)。
德国V—2导弹对于人类的重要意义,正如1942年10月3日多恩伯格在A—4火箭发射成功庆祝酒会上演讲时所说:“我们证明了利用火箭原理进行太空飞行是切实可行的,这在科学技术史上有着决定性的意义。除了陆地、海洋和空中交通外,现在还可以加上无限广阔的宇宙空间作为未来洲际航行的一个中介。这是宇宙航行******的曙光。”
V—2导弹飞行高度100公里,已达到外层空间的边缘(1960年“国际航空联合会”巴塞罗那会议规定,100公里的高度为大气层的上界,外层空间的起点),这就是说,V—2导弹的发射升空,意味着人类已触摸到了外层空间,军事力量在此之上航行或活动指日可待了。
从这个意义上看,军事航天力量正是脱胎于V—2导弹的,如果说V—2导弹是军事航天力量的“始祖”并不为过,因为正是V—2导弹在世界上的第一次“亮相”,就向世人展现了导弹力量与军事航天力量之间与生俱来的承续关系,而在之后军事航天力量发展的每一步中,我们仍将看到两者之间难以割裂的融合发展和相互促进。
这个时期,第二次世界大战仍在进行中,即便是大战即将结束,但也看不到新的大战从此就不会再发生。而战争是诱使新的军事力量出生的最积极因素。V—2导弹的战场使用,则必然引来有经济、科技实力国家的效仿性研制;飞行高度已接近外层空间的导弹的大量研制与使用,必然加速太空军事力量的形成。
与此同时,20世纪初,人类获得宇宙和自然界规律性的知识越来越新,研制的大气层飞行设备越来越完善,设计出的新型发动机、通信器材逐渐增多,收集和分析行星、太空和宇宙的信息仪器也越来越先进,物理学、化学、电学、太空学以及技术科学均有重大发现和突破,与此相应的无线电及电子技术、材料技术、航天技术、制造技术等发展迅速加快,这些新科学与新技术相结合,对航天技术的发展与航天力量的形成,提供了最重要的保证与条件。
六、火箭成为登天的天梯
第二次世界大战刚一结束,军备竞赛就开始了。在美国,军方大力支持资源使用,以布劳恩为首的从佩纳明德岛过来的科学家们在工作中进展神速。这一团队在1949年与上千后勤人员一起搬到了阿拉巴马州亨茨维尔红石军械厂的厂区。正是在这里,这一团队开发出了早期的红石火箭。它们成了太空项目最早的一批运载火箭,这里也成为美国生产弹道导弹的核心基地。1950~1953年的朝鲜战争为这种耗资巨大的火箭开发项目助了一臂之力。1955年,艾森豪威尔总统集美国陆军和海军资源于一体,设立一体化项目,用于建造射程为2500公里的中程导弹。结果开发出了“木星号”(Jupiter)火箭。1958年1月31日,美国用这种火箭发射了第一颗人造卫星——“探险家一号”(Explorer I)。“木星号”火箭是“土星5号”火箭的前身,后者十多年后将人类送上了月球。这种火箭也是“北极星”火箭(P0laris)的核心部分,而“北极星”火箭最终发展成了三叉戟弹道导弹(trident ballistic missile)发射系统。
再看前苏联,事实上他们仅得到少数佩纳明德岛原班人马的帮助,他们所掌握的仅为纸介质数据,而不是世界上首席火箭设计师们头脑里的数据,第二次世界大战结束后,至少在20年内,无论是在太空竞赛领域还是在洲际弹道导弹竞赛领域,苏联人一直领先美国人好几个时间跨度。究其原因,一个就是苏联人从一开始就相信洲际火箭是可行的。然而在美国,由于政客们怀疑德国流亡者们是否有能力制造航距数千公里的导弹,这种影响在很大程度上拖了研究项目的后腿。第二个原因是,得到德国人的数据很久以前,苏联人已经开始设计火箭了。苏联太空项目和弹道导弹项目总工程师名叫谢尔盖·科罗廖夫(Sergei Korolev),他出生于1906年,早于冯·布劳恩6年。这两个人的人生轨迹几乎相同,由于他们主持了各自国家的太空开发项目和军事开发项目,两人均成了自己国家的民族英雄。
虽然科罗廖夫在二战刚一结束就来到了佩纳明德岛,但是这两人终身从未谋面。正是在科罗廖夫的协助下,苏联将许多有关火箭的重要文件运回了国。科罗廖夫毕其一生担任总设计师,在整个20世纪50年代和60年代,他全面主导了苏联的太空技术和军用火箭技术。苏联人创造了许多太空时代伟大的第一,例如1957年的“斯普特尼克一号”(Sputnik1),人类第一颗人造卫星:1959年降落在月球表面的“月神二号”(Luna2),成为有史以来人类首次送达另一天体的探测器;1961年,第一次载人飞行的成功,同时也使尤里·加加林(Yuri Gagarin)荣获列宁勋章并被授予“苏联英雄”和“苏联宇航员”的称号。这一切都使苏联人在发射太空飞行器和洲际弹道导弹方面将美国人远远地甩在了后边。
但是在很长一段时间里,无论是苏联人还是美国人,都把太空科研项目和武器开发项目混在一起做。1957年美国航空航天局的前身国家航空咨询委员会,获得了如下授权:“……授权其进行大气层以内及以外涉及飞行问题的研究,或进入其他领域。”“……或进入其他领域”在这一条款中非常重要,因为它定性了美国航空航天局当年的作为,以及迄今为止各阶段的作为。这一机构被定性为民事机构,其主要角色为科研,然而它当年(如今依然)与军方密不可分。美国航空航天局的所有飞行员都经历过军训,它的绝大多数航天员都是军人出身。美国在执行航天计划的早期阶段,几乎每次发射都会搭载军方的有效载荷进入轨道。美国之所以在太空竞赛中获胜,如今仍然在太空探索领域居领先地位,这是其根本中的根本。
总之,第二次世界大战临近结束时,火箭被人们改造成了武器,使之具备了改变世界军事和政治地图的潜力,因为它的开发成功恰恰和原子弹的出现处在了同一个历史时期。军队掌控了火箭,并且非常严肃地对待它。尽管火箭昂贵,它们在战略战术方面的重要性却是显而易见的。人类制造火箭速度之快令人吃惊,它们很快就全面超越了以往的火箭,飞得更远、更高、更快。它们提供了一种远距离杀伤敌人的方法,而自己人却没有生命危险。军方的兴趣同时也促进了科研,因而导致社会从中受益匪浅。
(第二节)揭开火箭的神秘面纱
自罗伯特·高达德发明出第一枚现代火箭以来,经过科学家们的不懈努力,研制出一代又一代的火箭,这使得火箭的家族不断壮大。人类飞天早已不是梦想,现在要做的就是如何使得飞天变得更容易。
一、认识火箭的家族
在火箭的这个大家族里:存在着各式各样的成员。它们有的年龄偏大,技术成熟,就像化学火箭,现在运载火箭主要用的就是化学火箭;有的年龄很小,技术尚不成熟,但是有着广阔的发展前景,比如核火箭、光子火箭等。
火箭的分类方法多种多样。按能源的不同,火箭可以分为化学火箭、核火箭、电火箭以及光子火箭等。而化学火箭又可以分为液体推进剂火箭、固体推进剂火箭和固液混合推进剂火箭。按其用途来划分,可以分为卫星运载火箭、布雷火箭、气象火箭、防雹火箭以及各类军用火箭等。按有无控制来划分,可以分为有控火箭和无控火箭。按级数分为单级火箭和多级火箭。按射程来划分,可以分为近程火箭、中程火箭和远程火箭等。
我们就以常用的运载火箭作为例子来说,目前按其所用的推进剂来分,常用的运载火箭可分为固体火箭、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。
如果按级数来划分的话,运载火箭又可分为单级火箭、多级火箭。其中多级火箭按级与级之间的连接型式来分,又可分为串联型、并联型(俗称捆绑式)、串并联混合型三种类型。串联型多级火箭级与级之间的连接分离机构简单,但串联后火箭总长比较长、火箭的长细比(长度与直径之比)大,给设计者带来了一定的困难;发射时,这种火箭竖起来太高,不利于发射操作;与此同时,其上面级的火箭发动机要在高空点火,点火的可靠性级较差。并联型多级火箭采用横向捆绑连接,连接分离机构比较复杂,但其中间芯级第一级火箭采用横向捆绑的火箭,可在地面同时点火,这样一来能够避免高空点火,同时增强点火的可靠性。前苏联发射世界上第一颗人造地球卫星的卫星号运载火箭,就是在中间芯级火箭周围又捆绑了4枚火箭。习惯上,这4枚捆上去的火箭称为助推器。助推器与芯级火箭在地面一起点火,但工作一定时间后先关机,关机后与芯级火箭分离并被抛掉。对于助推器而言,在第一级火箭飞行的半路上关机,所以只能算得上是一个半级火箭。发射世界第一颗人造地球卫星的卫星号运载火箭,不可称为两级火箭,而是一级半火箭。串并联混合型的两级半火箭——中国长征二号运载火箭,其第一级火箭周围捆绑了4枚助推器,而且还在第一级火箭上面串联了一枚第二级火箭。
二、火箭动力之源——发动机
能源在火箭发动机内转化为工质(工作介质)的动能,形成高速射流排出而产生动力。火箭发动机依形成气流动能的能源种类分为化学火箭发动机、核火箭发动机和电火箭发动机。
化学火箭发动机是目前技术最成熟,应用最广泛的发动机。核火箭的原理样机已经研制成功。电火箭已经在空间推进领域有所应用。后两类发动机比冲远高于化学火箭。化学火箭发动机主要由燃烧室和喷管组成,化学推进剂既是能源也是工质,它在燃烧室内将化学能转化为热能,生成高温燃气经喷管膨胀加速,将热能转化为气流动能,以高速(1500~5000m/s)从喷管排出,产生推力。化学火箭发动机按推进剂的物态又分为液体火箭发动机、固体火箭发动机和混合推进剂火箭发动机。液体火箭发动机使用常温液态的可贮存推进剂和低温下呈液态的低温推进剂,具有适应性强、能多次启动等特点,能满足不同运载火箭和航天器的要求。固体火箭发动机的推进剂采用分子中含有燃料和氧化剂的有机物胶状固溶体(双基推进剂)或几种推进剂组元的混合物(复合推进剂),直接装在燃烧室内,结构简单、使用方便、能长期贮存处于待发射状态,适用于各种战略和战术导弹。混合推进剂火箭发动机极少使用。