运载火箭冲破苍穹之道

2019-06-10赵家乐

科学24小时 2019年4期

赵家乐

当黎明划过拂晓，一场紧张的“战斗”已然开始。高大的发射塔架，环抱着乳白色的巨型运载火箭，耸立在发射场上。各个专业的工作人员认真完成着最后的发射准备工作，满怀激情地等待发射时刻。在地下的控制中心，指挥员紧紧盯着电子时钟，准备着发射命令的下达。“三、二、一，点火。”伴随着引擎连绵不绝的咆哮声，火箭如离弦之箭，拔地而起，直击苍穹。

合抱之木，生于毫末;九层之台，起于垒土;千里之行，始于足下。作为航天事业的主力军——运载火箭，是如何练就冲破苍穹的这一身本领的？或许我们可以从火箭设计制造的思路上找到答案。

为何设计成多级火箭

火箭，作为航天运载器的动力所在，是航天器冲破云霄的核心结构。回溯运载火箭的发展历史，其鼻祖正是二战时期大名鼎鼎的V2火箭，可见与弹道导弹师出同门。但是为何经过多年的发展，不论是航天事业的运载火箭还是军事领域的弹道导弹，都会不约而同弃单级火箭而向多级火箭发展？其实，这个问题的答案十分简单，因为单级火箭已经无法满足航天事业或者军事任务的需要。根据相关数据显示，目前最先进的单级火箭也只能到达6千米/秒的最大速度，而人类突破地球的束缚却需要突破7.91千米/秒的第一宇宙速度。那么，何为第一宇宙速度？它是指航天器的最小发射速度，同时也是航天器的最大环绕速度，即当火箭发射的速度到达第一宇宙速度时，火箭将不会再落回地面，而将环绕地球作圆周飞行。显而易见，无论是太空领域，还是军事领域，目前的技术水平，单级火箭均无法满足其任务需求。于是乎，人类航天事业不得不另辟蹊径。

如同辽阔的海洋无法阻挡人类探索的步伐一样，如今的太空也阻拦不了人类飞天的梦想。为了征服苍穹，多级火箭应运而生。多级火箭是在单级火箭的基础上，通过串联、并联或者串并联的方式拼接而成的，也就是凭借火箭接力的方式实现突破。那么，多级火箭与单级火箭相比都有哪些优势呢？

首先，多级火箭可以对每层级工作结束后的多余质量进行抛弃。俄国科学家齐奥尔科夫斯基提出了一个单级火箭的理想速度公式，即火箭推进剂质量和火箭结构质量之和与火箭结构质量之比的数值呈非线性增加。简而言之，就是当火箭推进剂越多时，火箭的质量也会随之增大，火箭的速度也会随之提高。但当火箭燃料无限增多时，火箭质量也会无限增大，但是它对火箭速度的变化却毫无影响。所以，要想在目前的技术条件下克服火箭提速的极限，只能通过多级火箭接替进行点火的方式，并不断对燃烧完毕的多余火箭进行抛弃，来获得火箭速度的不断提升。

其次，多级火箭的每一层级火箭均可处在最佳的工作状态。单级火箭发射时，其推力远大于自重，导致结构中的每一个部件都处在极限工作状态，并且所有的部件功能处于串联相关。一旦诸多结构中出现任何一个微小问题，都会导致整个火箭发射失败。而多级火箭则成功规避了此类问题，因为其每一层级结构均为独立工作，并且可以根据不同层级的火箭所处外界条件的不同进行特殊设计，使其工作在最佳状态。

最后，多级火箭的工作状态更为灵活。由于单级火箭只有一级推进装置，所以其发动机推进时间和动力大小的调节范围十分有限。而多级火箭却因为装备多具推进器，可以通过对不同推进器进行“个性”调节，使其适应不同发射任务的不同轨道和过载要求。

为何航天青睐液体燃料

燃料作为发动机的生命源泉，既是运载火箭的动力所依，又是稳定飞行的根本保证。目前运载火箭发动机的推进剂主要采用液体和固体两种燃料。然而，相较于液体燃料的诸多问题，固体燃料显现出明显优势。例如，固体燃料的结构稳定、储存方便，并且推进剂密度较大。在燃料的选择上面，作为运载火箭的“同门师兄”弹道导弹，就十分钟情于固体燃料。

液体火箭结构

究其原因，弹道导弹作为国家级战略武器，担负着威慑与反击的重要使命，所以必须具备灵活机动、快速反应的作战能力。而固体燃料的诸多特点正好满足了弹道导弹的作战需要：稳定的结构可以大幅降低安全事故发生的概率，使其可以长期肩负战备任务;方便的储存方式避免了临时装料的忙乱，使其具备快速反应的能力。同时，又大幅减少了日常维护费用;高密度的推进剂提供了强劲的加速度，让其可以高速突防，不易拦截。然而，具备诸多优点的固体燃料，却并不适用于航天飞行。

不同于弹道导弹钟情于固体燃料，运载火箭更加青睐于液体燃料。其原因在于：

首先，在和平时期执行发射任务的运载火箭无需缩短装料时间。固体燃料的快捷在于其可以提前裝填，但是装填过后会直接导致整体结构无法改变，不能进行二次装料。这就使燃料数量难以更改，致使发动机工作时间相对固定，无法满足航天任务多样化的需求。

其次，液体燃料更易于运载器进行飞行姿态的修正。虽然固体燃料具有可机动发射、操作简单、发射速度快的特点，但是固体燃料火箭一旦点火，将无法改变其发动机的输出功率。而液体燃料火箭却可以根据不同发射任务的需要，在发射前进行燃料的添加，飞行过程中又可以进行多次关机与点火，这就十分有利于运载器进行飞行姿态的修正。

最后，液体燃料的推进力远大于固体燃料。为了将更大、更重的有效载荷送上太空，自然需要拥有更大推力的火箭。从实验情况看，当前固体燃料推进剂的海平面比冲为2600米/秒，但是液体燃料的海平面比冲却高达2800米/秒。

为何航天材料要求更高

航空航天材料包括飞行器及其动力装置、附件、仪表所用的各类材料，它们宛如组成人体的成千上万的基本细胞，其技术水准与航空航天技术的发展密切相关。同时，航空航天材料也是材料学中一个富有挑战性的重要分支。作为要飞上云霄的航空航天技术，其材料应具备优良的耐高（低）温性、耐老化性和耐腐蚀性，并且能够极好地适应空间环境的变化。但在相同的性能特点上，航天材料却更胜一筹。根据相关数据显示，目前飞机蒙皮需要承受的温度高达1000℃，其发动机工作温度更是高达2000℃。但是与火箭发动机所承受的3000℃～4000℃的高温相比，只能算小巫见大巫了。那么，为何航天材料的性能要求更为严苛？这是因为航空材料与航天材料虽然同为特种材料，但是航天材料的工作环境却远远劣于前者。

首先，运载火箭的飞行高度对其材料提出了严格要求。目前，世界上航空飞机的最高升限纪录是北美航空公司研制的X-15A试验机创造的10.8万千米。但是相较于完成航天运载器最低任务标准的20千米亚轨道飞行来说，航空飞机的最高升限真的不值一提。

其次，高超音速的飞行使得航天材料必须更加耐受磨损和腐蚀。据航天工作人员称：“发射高度为500千米的太阳同步卫星，火箭入轨速度需要达到7.6千米/秒;发射地球同步卫星，火箭入轨速度需要到达10.1千米/秒;而将火箭发射至地月转移轨道，则需要达到10.8千米/秒。”与火箭的入轨速度相比，航空飞机的飞行速度就如与猎豹进行赛跑的乌龟。一般来说，普通民航客机的飞行速度为55.5米/秒到83.3米/秒，战斗机的飞行速度通常为277.7米/秒左右。即便是世界上速度最快的SR-71“黑鸟”高空侦察机，其飞行速度也只能达到1020.9米/秒到1361.2米/秒。因此，不得不对航天材料提出更高的性能要求。

最后，空间环境的特殊性也对其提出了更高的性能要求。相较于航空飞机在大气内的飞行，航天器在太空环境中会受到高真空和宇宙射线辐照的影响。金属材料在高真空环境下相互接触，其表面被高真空环境所净化，会导致分子扩散过程加速，出现“冷焊”现象;而非金属材料在高真空与宇宙射线辐照的共同作用下会加速挥发和老化;甚至在光学镜头上也会因挥发物堆积而被污染;航天器的密封结构也会因为材料加速老化而失效。所以，航天材料作为一种处于特殊环境中的特种材料，通常要经过严格的地面模拟试验来选择和优化，以求能够更好地适应空间环境对航天器的影响。