第20章 飞向月球的火箭和飞船(1)

人类飞向月球的梦想实现，首先依赖的就是飞向月球的工具：火箭与飞船。前者将地球对人类的引力束缚在宇宙速度下远远抛开，进入太空、奔向月球，后者搭载宇航员并给宇航员提供一个良好的科学实验和生活环境以使宇航员能够飞向月球、靠近月球、登陆月球。可以说如果没有凝聚现代科学技术结晶的火箭和飞船，人类飞向月球的梦想始终只能是一个美好的梦想。

从世界最早的“东方”号系列运载火箭肇始到现在正在研制的战神系列火箭，从“联盟”系列飞船到“快船”飞船。人类飞向月球的能力越来越强，各种以火箭和飞船等太空技术的应用也越来越成熟。曾几何时，登月只是一个人类遥不可及的梦，如今太空商业观光甚至绕月飞行都以付诸实施。可以预见，在不久的将来，人类凭借更先进的火箭和飞船能更便捷的登月，不但能从事各式科研与太空工业，普通人的登月旅行也将成为现实。

飞向月亮的火箭

火箭

火箭起源于中国，是中国古代重大发明之一。古代中国火药的发明与使用，给火箭的问世创造了条件。现代火箭可用作快速远距离运送工具，如作为探空、发射人造卫星、载人飞船、空间站的运载工具，以及其他飞行器的助推器等。如用于投送作战用的战斗部（弹头），便构成火箭武器。火箭是目前（截至2009年）唯一能使物体达到宇宙速度，克服或摆脱地球引力，进入宇宙空间的运载工具。

飞向月球的火箭和飞船火箭技术

运载火箭结构图火箭推进是一种精密的结构，它的原理主要是力学、热力学，以及其他有关科学之运用，诸如电学等。火箭跟一般的飞行器主要的不同点在于：通常的飞行器只能在大气层内飞翔，但是火箭可以在外层空间工作，因为它不需要利用外界空气便能够燃烧推进。

火箭推力的获得，乃由高速喷出物反作用而生成。其原理与花园中用橡皮管喷水时，橡皮管会向后退，以及枪向后座的原理一样。火箭的燃料经过燃烧室燃烧以后，会产生高温高压的气体，之后再经过一个喷嘴而加速，并排气到外界。这些气体便是推动火箭的原动力。

现代火箭发动机

化学火箭发动机、固态火箭发动机、液态火箭发动机、混合式火箭发动机、电气火箭发动机、离子发动机。

未来火箭发动机

核火箭发动机、激光脉冲火箭发动机、反物质火箭发动机、星际（太空）气体冲压火箭发动机、核能火箭和激光脉冲式火箭，正在做样板实验，反物质火箭和星际气体冲压火箭更只在理论上探索。

火箭分类

火箭通常可分为固体与液体火箭，有控与无控火箭，单级与多级火箭，近程、中程与远程火箭等。火箭的种类虽然很多，但其组成部分及工作原理是基本相同的。除有效载荷外，有控火箭必不可少的组成部分有动力装置、制导系统和箭体。

火箭的构成

动力装置

是发动机及其推进剂供应系统的统称，是火箭赖以高速飞行的动力源。其中，发动机按其性质，可分为化学火箭发动机、核火箭发动机、电火箭发动机等。当前广泛使用的是化学火箭发动机，它是靠化学推进剂在燃烧室内进行化学反应释放出的能量转化为推力的。在发动机效率相同的情况下，单位时间内燃烧与喷射的物质越多，喷射速度越大，发动机推力就越大。在推力相同的情况下，结构重量越轻，单位时间内消耗推进剂越少，发动机性能就越高。推力与推进剂每秒消耗量之比称为比推力，它是鉴定发动机性能的主要指标。

制导系统

有了足够的推力，火箭便可克服地球引力而飞离地面。但对有控火箭而言，为保证在飞行过程中不致翻滚，而且准确地导向目标，还需有制导系统。该系统的功用是实时地控制火箭的飞行方向、高度、距离、速度以及飞行姿态等，亦即控制火箭的质心运动和绕质心的转动（俯仰、偏航与滚动），使火箭稳定而精确地飞抵目标。制导系统的日臻完善和精度的迅速提高，是现代火箭技术的一大特点。

箭体

是火箭另一个不可缺少的组成部分，火箭的各个系统都安装其上，并容纳大量的推进剂。箭体结构除要求具有空气动力外形外，还要求在完成既定功能的前提下，重量越轻越好，体积越小越好。在起飞重量一定时，其结构重量轻，则可得到较大的飞行速度或距离。

除上述三大系统之外，还有电源系统，有时还根据需要在火箭上安装初始定位定向、安全控制、无线电遥测以及外弹道测量等附加系统。

运载火箭的技术指标包括运载能力、入轨精度、火箭对不同重量的有效载荷的适应能力和可靠性。

运载能力

指火箭能送入预定轨道的有效载荷重量。有效载荷的轨道种类较多，所需的能量也不同，因此在标明运载能力时要区别低轨道、太阳同步轨道、地球同步卫星过渡轨道、行星探测器轨道等几种情况。表示运载能力的另一种方法是给出火箭达到某一特征速度时的有效载荷重量。各种轨道与特征速度之间有一定的对应关系。例如把卫星送入185千米高度圆轨道所需要的特征速度为78千米/秒，1000千米高度圆轨道需83千米/秒，地球同步卫星过渡轨道需1025千米/秒，探测太阳系需12～20千米/秒。

飞行程序

运载火箭在专门的航天发射中心发射。火箭从地面起飞直到进入最终轨道要经过以下几个飞行阶段：

①大气层内飞行段：火箭从发射台垂直起飞，在离开地面以后的10几秒钟内一直保持垂直飞行。在垂直飞行期间，火箭要进行自动方位瞄准，以保证火箭按规定的方位飞行。然后转入零攻角飞行段。火箭要在大气层内跨过声速，为减小空气动力和减轻结构重量，必须使火箭的攻角接近于零。

②等角速度程序飞行段：第二级火箭的飞行已经在稠密的大气层以外，整流罩在第二级火箭飞行段后期被抛掉。火箭按照最小能量的飞行程序，即以等角速度作低头飞行。达到停泊轨道高度和相应的轨道速度时，火箭即进入停泊轨道滑行。对于低轨道的航天器，火箭这时就已完成运送任务，航天器便与火箭分离。

③过渡轨道：对于高轨道或行星际任务，末级火箭在进入停泊轨道以后还要再次工作，使航天器加速到过渡轨道速度或逃逸速度，然后航天器与火箭分离。

火箭的设计特点

运载火箭的设计特点是通用性、经济性和不断进行小的改进。这和大型导弹不同。大型导弹是为满足军事需要而研制的，起支配作用的因素是保持技术性能和数量上的优势。因此导弹的更新换代较快，几乎每5年出一种新型号。运载火箭则要在商业竞争的环境中求发展。作为商品，它必须具有通用性，能适应各种卫星重量和尺寸的要求，能将有效载荷送入多种轨道。经济性也要好。也就是既要性能好，又要发射耗费少。订购运载火箭的用户通常要支付两笔费用。一笔是付给火箭制造商的发射费，另一笔是付给保险公司的保险费。发射费代表火箭的生产成本和研制费用，保险费则反映火箭的可靠性。火箭制造者一般都尽量采用成熟可靠的技术，并不断通过小风险的改进来提高火箭的性能。运载火箭不像导弹那样要定型和批生产。而是每发射一枚都可能引进一点新技术，作一点小改进，这种小改进不影响可靠性，也不必进行专门的飞行试验。这些小改进积累起来就有可能导致大的方案性变化，使运载能力能有成倍的增长。

火箭应用

20世纪中叶以来，火箭技术得到了飞速发展和广泛应用，其中尤以各种可控火箭武器和空间运载火箭发展最为迅速。从火箭炮到反坦克、对付飞机和舰艇以及攻击固定目标的各类有控火箭武器，均已发展到相当完善的地步，反导弹、反卫星火箭武器也正在研制和完善之中。各类火箭武器正继续向高精度、反拦截、抗干扰和提高生存能力的方向发展。在地地导弹基础上发展起来的运载火箭，已广泛用于发射各种卫星、载人飞船和其他航天器。

在80年代初，苏、美两国已经分别研制出六七个系列的运载火箭。其中，美国载人登月的“土星5”号火箭，直径10米，长111米，起飞重量约2930吨，低轨道运载能力为127吨，是当前世界上最大的火箭。运载火箭正朝着高可靠、低成本、多用途和多次使用的方向发展。航天飞机的问世就是这一发展趋势的一种体现。火箭技术的快速发展，不仅将提供更加完善的各类火箭武器，还将使建立空间工厂、空间基地以及星际航行等成为可能。

现代火箭鼻祖

V—2火箭

冯·布劳恩V—2工程开始于1940年。第二次世界大战期间，正是德国的V—2火箭曾给英国带来巨大灾难，当时又叫“飞弹”。V—2工程起始于A系列火箭研究，由冯·布劳恩主持，是1936年后在佩内明德新建火箭研究中心的重点项目。A系列火箭经过许多新的改进，性能大大提高。是世界上第一种实用的弹道导弹。“V”来源于德文Vergeltung，意即报复手段，这是纳粹在遭到盟国集中轰炸后表示要进行报复的意思。V—1和V—2表示这两种型号仅仅是整个系列的恐怖武器的先驱。

V—2长135米，发射全重13吨，能把1吨重的弹头送到322千米以外的距离。火箭由液体火箭发动机推动，燃烧工质为液氧和甲醇。发射时火箭先垂直上升到24～29千米高，然后按照弹上陀螺仪的控制，在喷口燃气舵的作用下以40度的倾角弹道上升，也可由地面控制站向弹上接收机发射无线电指令控制。一分钟后，火箭已飞到48千米的高度，速度已达每小时5796千米。此时，无线电指令控制系统指令关闭发动机，火箭靠惯性继续上升到97千米的高度，然后以每小时大约3542千米的速度大致沿一抛物线自由下落，击中目标。由于当时制导系统的精度所限，误差较大。

V—2工程的目标是扩大容积和承载重量，以容纳自控、导航系统和战斗部。1942年10月3日，V—2试验成功，年底定型投产。从投产到德国战败，前德国共制造了6000枚V—2，其中4300枚用于袭击英国和荷兰。

V—2火箭1943年初按盟国情报人员的情报，盟国发现这一计划，并由对佩内明德的空中侦查得到证实。1943年8月17日夜，英国皇家空军对佩内明德进行了一次著名的大规模空袭，毁伤了V—2的地面设施。为预防重蹈8月17日灾难，纳粹将V—2工厂迁到德国山区的山洞工厂，这个过程耽误了预期的火箭攻势。

1944年6月13日（诺曼底登陆后六天）V1开始攻击伦敦，9月份第一枚V—2落到伦敦。火箭攻击造成了严重的平民伤亡和财产损失。如果在6个月前对登陆部队集结地进行集中攻击而不是伦敦的话，即如艾森豪威尔将军所说，盟国将遭到难以克服的困难。对伦敦的攻击都是在上午7至9时，中午12至2时，下午6至7时交通高峰期进行的，企图吓垮英国的民心士气。可是，对经过1940年空袭的英国人民，在全面胜利已如此接近时，这种新的恐怖算不了什么。在诺曼底前线的英国士兵更尽了最大努力用最快速度向威胁他们家庭的火箭发射地挺进。除了向伦敦发射外，在盟军9月4日占领安特卫普港后，纳粹向安特卫普港进行了大规模导弹攻击。

1945年德国投降前夕，布劳恩和400余名火箭专家向美军投降，后到美国，成为美国火箭技术和空间技术的奠基人之一；前苏联也缴获了大量V—2的成品和部件，并俘虏了一些火箭专家，以此为起点，开始自己的火箭和空间计划。

V—2是单级液体火箭，全长14米，重13吨，直径165米，最大射程320千米，射高96千米，弹头重1吨。V—2采用较先进的程序和陀螺双重控制系统，推力方向由耐高温石墨舵片操纵执行。V—2在工程技术上实现了宇航先驱的技术设想，对现代大型火箭的发展起了承上启下的作用。成为航天发展史上一个重要的里程碑。

“东方”号系列火箭前苏联的火箭

“东方”号系列火箭是世界上第一个航天运载火箭系列，包括“卫星”号、“月球”号、“东方”号、“上升”号、“闪电”号、“联盟”号、“进步”号等型号，后四种火箭又构成“联盟”号子系列火箭。

“联盟”号火箭“东方”号运载火箭是对“月球”号火箭略加改进而构成的，主要是增加了一子级的推进剂质量和提高了二子级发动机的性能。这种火箭的中心是一个两级火箭，周围有四个长198米、直径268米的助推火箭。中心的两级火箭，一子级长2875米，二子级长298米，呈圆筒形状。发射时，中心火箭发动机和四个助推火箭发动机同时点火。大约两分钟后，助推火箭分离脱落，主火箭继续工作两分钟后，也熄火脱落。接着末级火箭点火工作，直到把有效载荷送入绕地球的轨道。“东方”号火箭因发射“东方”号宇宙飞船而得名，1961年4月12日把世界上第一位宇航员加加林送上地球轨道飞行并安全返回地面。

“联盟”号火箭是“联盟”号子系列中的两级型火箭，系通过挖掘“东方”号火箭一子级的潜力和采用新的更大推力的二子级研制而成。因发射联盟系列载人飞船而得名。最长4952米，起飞重量310吨，近地轨道的运载能力约为72吨。

“能源”号运载火箭是前苏联的一种重型的通用运载火箭，也是目前世界上起飞质量与推力最大的火箭。