毛新愿

歡迎大家來到毛老師的火箭基地！今天我要為大家介紹很多火箭知識以及火箭家族，你們準備好了嗎？！首先我們來聊一聊火箭的歷史。

據(jù)《三國志·魏略》記載，公元228年，蜀國的軍隊攻打陳倉，魏國守將郝昭用火箭逆射云梯，云梯發(fā)生燃燒，結(jié)果燒死云梯上的蜀兵。這是“火箭”一詞第一次出現(xiàn)在我國史籍中。不過，彼時的火箭是縱火箭，就是在箭桿上綁上柴草、棉布，然后澆上油，點燃，射出擊縱火，達到燒傷敵軍的目的?；鹚幇l(fā)明之后，火箭發(fā)展成了“火藥箭”。北宋時期，火藥箭得到廣泛應(yīng)用，1044年的《武經(jīng)總要》記載了“弓弩火藥箭”與“火藥鞭箭”兩種火藥箭。

北宋宣和年問（1119 -1125），作為現(xiàn)代火箭先聲的反沖式火箭出現(xiàn)。7767年，宋金采石之戰(zhàn)中，宋軍將利用反作用原理的軍用火箭（霹靂砣）投入實戰(zhàn)。除此之外，明代史書上還記載了軍用火箭“神火色鴉”隊及專用于水戰(zhàn)的“火龍出水”?？梢哉f，火箭誕生于中國，又在世界各地開花結(jié)果，形成一個個火箭家族?；鸺幕驹?/p>

火箭的發(fā)明當(dāng)然要感謝我國古代的發(fā)明家，但火箭的發(fā)展更離不開后世那些做出理論貢獻的科學(xué)家，比如牛頓和齊奧爾科夫斯基。下面我們就來看看他們?yōu)榛鸺陌l(fā)展貢獻了哪些經(jīng)典理論！

1 慣性原理

牛頓的慣性原理描述的是：“所有物體都將一直處于靜止或者勻速直線運動狀態(tài)，直到施加其上的力改變它的運動狀態(tài)為止?！币簿褪钦f，如果沒有外力作用的話，原本靜止的物體會一直靜止下去，原本運動著的物體會一直做勻速直線運動。所以，一枚造好的火箭架在發(fā)射塔上，如果我們不給它施加外力的話，它就動不起來。所以，我們想要火箭飛起來，一定要對它施加一個力。

2“F=ma”

看，這個公式又叫牛頓第二定律，它告訴我們，如果一旦有外力作用于物體，物體不僅會動起來，而且還會產(chǎn)生加速度。什么叫加速度呢？簡單來說就是物體越跑越快。為什么火箭需要加速度呢？這很明顯，因為地球?qū)ξ矬w存在引力，那么我們必須使火箭達到一定的速度它才能“逃離”地球，這個逃離的速度就叫作逃逸速度。如此說來，就必須要有一定大的力作用在火箭上，產(chǎn)生一定的加速度，使火箭逐漸加速，才有可能飛離地球進入太空。當(dāng)然，火箭的質(zhì)量越大，需要的推力就越大。

3 作用力與反作用力

按照前兩條定律，我們要給火箭施加足夠的力，才能使它飛上天。但是我們知道“力”不是憑空產(chǎn)生的，它一定是有一個事物推動，而且這個事物對火箭施加一個力，同時它也會受到火箭給它的反作用力。所以，這個力不能只是推一下火箭，而必須讓它持續(xù)地作用，產(chǎn)生持續(xù)的推力，火箭才能持續(xù)地加速，最終離開地球。目前，我們使用的方式就是噴燃氣。當(dāng)大量的熱量伴隨著燃氣從火箭尾部噴出的時候，會產(chǎn)生一個極大的力，且速度極快，這時這個力就會反推著火箭前進了。

從這個公式中，我們可以了解到：公式左側(cè)是火箭的最終速度與初始速度之間的差值，其中初始速度一般來自地球自轉(zhuǎn)給予火箭的速度，右側(cè)是燃氣離開火箭的速度和對數(shù)公式里火箭初始質(zhì)量與最終質(zhì)量的對比。由于逃離地球所需的速度是固定的7.9千米/秒，公式左側(cè)必須達到這個值，且公式右側(cè)某種燃料的燃氣離開火箭速度（Ve）也是一定的，大約是每秒幾千米。因此火箭初始質(zhì)量與最終質(zhì)量的對比就是有極限的，而且初始質(zhì)量越大需要的燃料箱質(zhì)量和支撐結(jié)構(gòu)質(zhì)量就越大，最終能夠送上天空的有效質(zhì)量就大打折扣，更何況是對數(shù)關(guān)系，也就是說，即使把地球當(dāng)作一個大的燃料箱，把火箭發(fā)射出去，火箭逃出地球時的最終質(zhì)量都不能超過一定的極限。而目前人類使用的幾乎都是化學(xué)燃料火箭，它的燃氣速度太低，導(dǎo)致初始質(zhì)量和最終質(zhì)量的比例需要特別大才能滿足飛出地球的條件。比如中國的長征五號火箭，重達880噸，但只能運輸25噸載荷離開地球，效率僅有2.8%。因此，如果人類要進行太空移民，就必須得研究出除化學(xué)火箭之外的新型火箭。

現(xiàn)代火箭的先驅(qū)

火箭要上天，沒有理論支撐就飛不高，但光有理論沒有實踐也是無法成功的。所以，除了牛頓、齊奧爾科夫斯基這樣的理論家，火箭的發(fā)展還離不開勇于實踐的工程師們。

羅伯特.戈達德（1882-1945）

●第一枚液體火箭的制造者。

●戈達德一生共有214項發(fā)明專利，其中，多級火箭和液體燃料火箭是航天領(lǐng)域里程碑式的兩項發(fā)明。

●1919年，戈達德發(fā)表的專著《達到極端高度的方法》被認為是20世紀火箭科學(xué)的經(jīng)典著作之一。

謝爾蓋.帕夫洛維奇.科羅摩夫（1907-1966）

●第一枚射程超過8 000千米的洲際火箭設(shè)計者。

●第一顆人造地球衛(wèi)星運載火箭設(shè)計者。

●第一艘載人航天飛船的總設(shè)計師。

韋納.馮.布勞恩（1912-1977）

●德國V-2火箭的總設(shè)計師。

●1969年，他領(lǐng)導(dǎo)研制的土星5號運載火箭將第一艘載人登月飛船“阿波羅11號”送上了月球。

●1981年首次試飛成功的航天飛機也有布勞恩的功勞。

火箭的結(jié)構(gòu)

前文講到火箭的初始質(zhì)量和最終質(zhì)量之比非常重要，但火箭初始質(zhì)量越大用來裝燃料的燃料箱、殼體就越大，如果一直帶著它們飛就會徒然消耗很多能量。因此，幾乎所有的火箭都會設(shè)計成多級：當(dāng)一級中的燃料燃燒掉之后，就迅速扔掉發(fā)動機、殼體和燃料箱等，減輕負重?；鸺贿咃w一邊扔，而衛(wèi)星則穩(wěn)居最上部。整流罩是用來保護衛(wèi)星免受大氣沖擊的結(jié)構(gòu)，當(dāng)火箭飛出大氣層后（100千米左右），它也要被扔掉，以便及時“減負”。

火箭的燃料

火箭身上最重的就是燃料，它占據(jù)了90%左右的質(zhì)量，可以說燃料決定了火箭的異同，接下來我們就來好好介紹一下火箭的燃料。

大家知道蠟燭為什么能燃燒Ⅱ馬？這是因為蠟燭滿足了燃燒的兩個條件：氧化劑和還原劑。對于蠟燭來說氧化劑就是氧氣，還原劑就是蠟燭這種燃料本身。蠟燭在空氣中燃燒會產(chǎn)生二氧化碳，二氧化碳和周邊空氣被加熱，就會加速逃離蠟燭（燃料）?；鸺彩抢孟嗤脑恚貉趸瘎┖瓦€原劑在火箭底部相遇后劇烈燃燒，產(chǎn)生的巨大熱量將燃燒產(chǎn)生的燃氣迅速推出，它們從火箭底部加速逃離時就產(chǎn)生了推力。大家想想氣球被扎破時，漏出的氣體是不是也會推著氣球到處飛？！

當(dāng)然火箭想要進入太空，燃料的使用是很有講究的，專業(yè)術(shù)語稱其為“推進劑”?，F(xiàn)代火箭主要使用四種推進劑：固體推進劑、液氧煤油推進劑、液氧液氫推進劑以及四氧化二氮一肼類推進劑。下面我們來看看這四種推進劑都有什么特點吧！

關(guān)于推進劑，大家要知道一些基本原則：第一，推進劑的體積越小越好；第二，推進劑能夠存儲越久越好；第三，發(fā)動機越簡單越好；最后，比沖就是單位質(zhì)量的燃料產(chǎn)生的推進能力或速度改變量，所以它越大越好。

現(xiàn)在我們先來看看固體推進劑，這種推進劑因為密度很大，所以體積相應(yīng)的就很小，而且這種推進劑做好后，只要儲存環(huán)境沒有太大變化，它的儲存時間是非常久的。但是固體推進劑的問題是，一旦點燃，就很難令其停下來，無法像液體推進劑一樣可以通過開關(guān)控制推力的變化，所以固體推進劑很難控制。綜合這些特點，固體推進劑被大量運用于導(dǎo)彈以及大型火箭的助推器。

在其余三種推進劑中，液氧和四氧化二氮都是氧化劑，煤油、液氫以及肼類都是還原劑。將這三種推進劑進行比較，液氧液氫的體積極大，而且液氧和液氫需要分別儲存在大約零下183℃和零下252℃的環(huán)境中（這也是為什么我國使用了這兩種燃料的長征五號被叫作“冰箭”的原因），所以這種推進劑可以說極難儲存。通常使用液氧液氫做推進劑的火箭在發(fā)射的前幾個小時才能灌注燃料。但是液氧液氫的好處是，它的比沖是最高的，能力是最強的，也是目前世界上應(yīng)用最難、最體現(xiàn)航天技術(shù)的火箭燃料。再來看看液氧煤油，因為這種推進劑中含有大量的碳，在超高溫下，它會在發(fā)動機上形成積碳，很難清除。所以，使用液氧煤油做推進劑的發(fā)動機很難回收，除非使用一些特制的低硫、更加純凈的煤油，降低積碳效應(yīng)。最后，因為四氧化二氮一肼類這種推進劑有劇毒，所以一旦發(fā)生泄漏，泄漏發(fā)生地將會寸草不生。目前，各國正在逐步淘汰這種燃料。

世界火箭家族

現(xiàn)在，我們先來看看蘇聯(lián)/俄羅斯有哪些了不起的火箭

大冢知道嗎，蘇聯(lián)人給火箭取名字的方式十分簡單，這支火箭運送什么上天，他們就把這支火箭以這個“貨物”的名字命名。比如，運送衛(wèi)星號上天的火箭就被稱作衛(wèi)星號火箭，運送聯(lián)盟號飛船上天的火箭就被稱為聯(lián)盟號火箭。

蘇聯(lián)最著名的火箭，也是至今應(yīng)用最多的當(dāng)屬由R7洲際導(dǎo)彈改良而來的聯(lián)盟號火箭（Soyuz）了。這型火箭現(xiàn)在是用于運送聯(lián)盟號飛船進入國際空間站的唯一選擇。作為科羅廖夫的成名作，從1966年首飛成功以來，五十多年了，它依然是絕對的主流。

蘇聯(lián)還有一位專家名叫切洛梅，他所領(lǐng)導(dǎo)的團隊制造了UD-X系列火箭家庭，因其第一次發(fā)射了一顆質(zhì)子1號衛(wèi)星，所以這型火箭從此就叫作質(zhì)子號了。目前，這個系列的火箭也是俄羅斯的主力火箭。但是，比起科羅廖夫制造的液氧液氫火箭，質(zhì)子號使用的推進劑是四氧化二氮一偏二甲肼。

安加拉火箭是俄羅斯最新一代火箭，其名字來源于俄羅斯的安加拉河。這型火箭采用液氧煤油推進劑，目標(biāo)就是替代質(zhì)子號。這型火箭已于2014年制造成功，未來這型火箭還要發(fā)展成龐大的火箭家族，成為俄羅斯的航天主力。

接下來我們看看美國的火箭家庭。

現(xiàn)在大家看到這型火箭就是著名的德爾塔運載火箭，它又名三角洲，是美國目前最主流的火箭。德爾塔運載火箭是由美國第一枚戰(zhàn)略導(dǎo)彈“雷神”改裝而來。因為“雷神”是多級導(dǎo)彈，按照希臘語排序方式，第四級被叫作“德爾塔”。后來，美國人在“雷神”第四級的基礎(chǔ)上發(fā)展出火箭，于是這型火箭就被命名為德爾塔了。德爾塔運載火箭外形特別粗壯，因為它使用的液氧液氫推進劑體積很大。我們之前已經(jīng)講過，液氧液氫推進劑的好處是比沖大，推進效率很高，但代價是體積也很大。

講美國火箭，如果不講土星5號那就太說不過去了！土星5號是馮·布勞恩的得意之作，也是人類史上最強大的火箭，它的起飛重量是3 000噸，它可以將130—150噸的載荷推到近地軌道，還可以將45噸左右的載荷推到月球轉(zhuǎn)移軌道。它的特點在于：下面一級運用液氧煤油推進劑，上面一級運用液氧液氫推進劑。另外，它的發(fā)動機十分強大?；鸺w非常穩(wěn)定，是全世界目前唯一一型載人登月火箭。后來，隨著航天飛機的運用，土星5號逐步退出了歷史舞臺，目前僅剩3枚保存在博物館中。

現(xiàn)在美國主流的三種火箭是：德爾塔、宇宙神以及獵鷹系列火箭。宇宙神（Atlas）就是美國在德爾塔發(fā)展到一定程度之后，研制的新一代主力火箭。這個系列的火箭主要使用的是液氧液氫和液氧煤油推進劑。2002年起，宇宙神開始服役。

在進入新世紀之后，美國開始注重扶植私營航天，這就誕生了如今炙手可熱的私營航天公司——美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）。2008年，SpaceX制造的獵鷹系列火箭發(fā)射成功。這個系列的火箭使用的是液氧煤油推進劑，但SpaceX也在不斷開發(fā)新型燃料，研制一些重型火箭。2018年2月7日，他們研制的未來打算比肩土星5號的重型獵鷹運載火箭成功發(fā)射，并完成了部分箭體的回收。作為一個以盈利為目的的私營航天公司，SpaceX的火箭相較于“德爾塔”和“宇宙神”要便宜很多。2016年4月9日，SpaceX成功在大西洋上回收了獵鷹9號一級火箭。2017年3月30日，SpaceX成功將“回收”的獵鷹9號火箭再次送入太空，并在無人船上成功回收。SpaceX的首席執(zhí)行官伊隆·馬斯克曾說：“每次發(fā)射后扔掉火箭與多次重復(fù)使用它們是完全不同的，制造新火箭成本巨大，成功發(fā)射和回收它們將會改變一切?！蹦壳埃幻秿湫芦C鷹9號火箭的價格約為6000萬美元，但回收過的二手火箭的價格就變成七折左右，非常具有競爭力。

大家知道火箭身上什么最值錢嗎？前面講了很多關(guān)于推進劑的事，你可能會認為最貴的是推進劑。其實不然，推進劑雖然最重，但費用只占火箭成本的2%，而火箭97%的費用都花在發(fā)動機和殼體上?；鸺患壷芯桶l(fā)動機和殼體，可以說火箭一級的費用能夠達到總成本的一半以上。所以，能夠回收這部分再利用，就能大大降低火箭的發(fā)射成本。就像很多人所說，SpaceX完成了火箭回收任務(wù)，標(biāo)志著人類向廉價太空時代又邁進了一步。