火箭家族托起人类飞天梦想

张洁 陆艳

火箭的起源于开发

在古代，火箭是指用引火物附在弓箭头上，然后射到敌人身上引起焚烧的一种箭矢。而在现代，火箭主要是指用以发射人造卫星、人造行星、宇宙飞船等的飞行器，也可装上弹头制成导弹。

最初提出“人类乘坐火箭进入太空”的人是苏联科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基。他是现代宇宙航行学的奠基人，也被称为“航天之父”。那时他就指出，多级式火箭是实现太空飞行的“最有效工具”。1897年，为了计算出火箭的推进力，他首次发表了“齐奥尔科夫斯基公式”，直到现代仍作为火箭理论的基本公式而被使用。

不过，将这美妙的公式变成现实的是美国人罗伯特·戈达德，他于1926年3月16日成功发射了人类历史上第一枚液体燃料火箭。发射当日，发射升空的火箭的飞行时间为25秒，到达高度大约为12米。虽然仅仅只有12米的高度，但对于人类来说，代表了人类探索宇宙跨出了巨大的一步。火箭开发从这一刻起，才是真正意义上的开始。

1942年，德国科学家冯·布劳恩成功发射了“V2火箭”。“V2火箭”是第一枚大型火箭导弹，也是世界上最早投入实战使用的弹道导弹，为现代航天运载火箭和远程导弹的先驱。它具有与现在区别无二的引导控制系统，并为火箭正确飞行到目的地奠定了基础。

1969年，人类迈出了登陆月球的第一步。为了实现“阿波罗”登月计划而被制造出来的“土星5号”，被称为火箭大型化发展时代的终极点。在1967-1973年间，美国共发射13枚“土星5号“运载火箭，共有9枚“土星5号”运载火箭将教人的“阿波罗”号宇宙飞船送上月球轨道。

说起我国的火箭，同学们自然会联想起长征系列运载火箭。从1965年开始研制，1970年4月24日“长征一号”载火箭首次发射“东方红一号”卫星成功。经过半个世纪的发展，我国长联到并联，从一箭箭单星到一箭多星、从载物到载人的技术跨越，逐步发展成为由多种型号组成的大家族。2019年3月10日0时28分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号乙”运载火箭，成功将“中星6C”卫星发射升空。至此，长征系列运载火箭已进行300次发射，发射成功率达96%。

以往，火箭开发基本上是以国家为主导的开发项目。但现在，不仅仅以国家为单位，像私人企业和大学等这些由民间主导的可以进行火箭开发的时代也已经逐步到来，象征性代表有美国的SpaceX，也有日本的Interstellar Technologies。

美国实业家伊隆·马斯克于2002创立美国太空探索技术公司SpaceX，开始进军可回收火箭发射。2018年2月和5月，SpaceX研制的目前全世界运载能力最大的“猎鹰”重型火箭成功进行两次发射，引起全球关注。

日本初创企业Interstellar Technologies也在开发可抵达距地面100千米的宇宙空间的观测火箭“MOMO”。2017年7月，MOM01号火箭发射时飞至距地面20千米高度，该试验取得部分成功。2018年6月30日，MOM02号火箭发射再次遭遇失败，以向上飞行的姿态坠落地面。所以，实现火箭稳定发射并非易事。

火箭是如何是升起来的？

同学们应该都玩过气球，当你松开手里吹满气的气球，气球便会上升，而火箭飞行的原理也是如此。火箭在逐渐升起的过程中，会产生大量高温、高压的燃料气体，并从喷射管向下喷射出，通过反作用力从而推动火箭向上前进。

发射火箭的目的是什么？

根据目的的不同，火箭分为两种：一種是探测火箭，前往只有火箭可以到达的地方，并且进行一些科学观察和返回数据;另一种是用于发射卫星和探测器的火箭，将人造卫星放置在围绕地球运行的轨道上，或将宇宙飞船发射到另—颗行星的轨道上。

火箭的种类有哪几种？

为了在没有空气的太空中飞行，火箭除了装载燃料之外，还装有燃烧燃料的氧化剂，例如氧气。燃料和氧化剂统称为“推进剂”。

目前，根据推进剂的形态不同，火箭主要分为固体火箭和液体火箭。固体火箭的推进剂主要由铝粉末和聚丁二烯的合成橡胶混合而成。液体火箭的推进剂由液氢、煤油（灯油）、液氧等物质组成。固体火箭和液体火箭各有各的优缺点。固体火箭的结构比液体火箭更简单，由于推进剂的化学性是稳定的，可以长期保存。与相同尺寸的液体火箭相比，可以产生很大的推力。但是，推力过大会制约火箭发射，甚至会导致其灭火，很难重新点火。而液体火箭可以调节被燃烧的推进剂，方便控制其推动力，即使灭火，也可以重新点火。不过，为了不使推进剂在极低温的情况下产生化学式不安定反应，操作起来会很困难。

小型化

大型火箭发射升空的实验，发射一次就要花费巨大的造价。而且如果失败，它就不可能再返回来，因此很难获得关于实验失败的反馈。然而，小型火箭可以用很少的预算，并且降低了失败的可能性，因此备受多国青睐。

2018年2月，日本宇宙航空研究开发机构成功发射了“SS-520”5号机火箭，将重3千克的微型卫星成功送入轨道。“SS-520”5号机火箭从外形到造价都很“迷你”：全长约9.5米，直径约52厘米，重2.6吨，是有史以来最小、最轻的运载火箭。形象点说，“SS-520”5号机火箭的大小跟一般电线杆差不多。造价方面，“SS-520”5号机的发射及相关费用共计约2860万元人民币，而“猎鹰9号”的造价则高达3 500万美元。

我国也早有轻型火箭的相关案例，由中国航天科工集团公司研制的快舟系列运载火箭，是中国首个具有快速集成、快速入轨能力的小型固体运载火箭，创造了中国航天发射的最快纪录。2013年9月25日，中国首次采用快舟固体小型运载火箭，以—车—箭车载机动发射方式，成功将“快舟—号”卫星发射升空。

天地运输的巨大成本是人类航天事业上的第一块绊脚石。因此，自1950年第一艘火箭发射以来，可回收载具一直是人类梦寐以求的技术。但时至今日，也只有SpaceX公司实现了真正意义上的回收再利用。2018年5月12日，美国SpaceX公司的“猎鹰9号”Block5型火箭在肯尼迪航天中心发射升空，搭载“孟加拉国—号”卫星顺利入轨。火箭—级助推器降落在海上平台，成功实现回收。这是“猎鹰”系列火箭自2010年以来第52次发射，也是第21次成功回收。

火箭回收的难度远大于发射的难度，真可谓“难于上青天”。为什么这么难呢？一是因为姿态控制难。以“猎鹰”系列火箭为例，它采用反推垂直下降的回收方式，必须要确保火箭能够垂直地落在足球场大小的场地上，一旦着陆角度不对，火箭就会倾覆，引发燃料外泄，导致爆炸。想象一下我們平时玩的丢筷子进瓶子的游戏，成功的概率有多少？何况这是一支巨型“筷子”。二是发动机输出功率控制难。在火箭下降途中，随着燃料的消耗和速度的变化，需要输出不同大小的推力使火箭平稳减速，以确保其顺利软着陆。这就要求火箭发动机必须能精确地调节推力，并且具备多次启动功能。三是着陆缓冲难。即使做到了在着陆前有效减速，也要考虑到重达几十吨的火箭所带来的巨大惯性，但火箭里有大量的精密电子元器件，要确保这些“宝贝”能够再次使用，必须具有良好的缓冲功能，减少对火箭结构的过载冲击。

载入飞行

装载着推进剂的火箭，本质上也是很容易爆炸的。一旦爆炸，推进剂会在瞬间燃烧，生成巨大的火球并产生强烈的热辐射，直到燃烧成灰烬。

载人飞行，确保人身安全比什么都更为重要。为了达到这个条件，首先，无论如何都不能发生爆炸事故;其次，如何在紧急事态发生时快速脱离危险也是必须要考虑的事。

由此，比过去的液体火箭和固体火箭安全性能更高、更全面的混合型火箭全新亮相。日本正在研究的混合型火箭的燃料是合成树脂。与液体和固体的推进相比，它燃烧缓慢，因此不会产生大推力。万一出现容器破裂的情况，混合型火箭仍不会瞬间发生爆炸。因为燃料和氧化剂是完全两种不同的组合，所以不会在瞬间混合。爆炸引起的二次灾害也尽可能减少，对磁场的安全性很高。

混合型火箭的开发在各地开始进行研究。不过，实际使用的大型化的例子很少。如果要发展到实用化，可能会进行到下一个时代的火箭系统吧！

3D打印

在制造业中，3D打印技术的使用越来越多。平时我们会用3D打印技术打印—些小玩意，不过科学家们却用3D打印技术打印火箭。早在2015年，新西兰Rocket Lab私人肮天公司开发出了世界上第—个3D打印的电池动力火箭“EIectron”。2018年，NASA成功完成对第一个3D打印双金属火箭零部件的测试。

科学家表示，使用3D打印技术来制造火箭，不仅能够加快生产过程，而且能显著减少火箭发动机的生产成本。

这是一个未来由人们开拓发展的新世界，根据我们的想象力，充分利用大脑描绘出任何一种想法，火箭也不例外，而这样的时代即将来临，让我们一起翘首期盼吧！