胡濱

火箭是一種靠發(fā)動(dòng)機(jī)噴射工質(zhì)（工作介質(zhì)）產(chǎn)生的反作用力向前推進(jìn)的飛行器，是人類沖出地球、探索太空的登天云梯，也是一項(xiàng)系統(tǒng)工程?！读x務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)））要求學(xué)生掌握“工程技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)，工程是運(yùn)用科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決實(shí)際問(wèn)題和制造產(chǎn)品的活動(dòng)”“工程是以科學(xué)和技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)性工作”。在中國(guó)科技館，可以通過(guò)“太空探索”展區(qū)的展品“火箭解剖”體驗(yàn)火箭是如何運(yùn)用科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。

火箭解剖

我們經(jīng)常在電視上看到火箭發(fā)射時(shí)的場(chǎng)景，聽(tīng)到介紹說(shuō)某型火箭推力多大，能將多大的衛(wèi)星發(fā)射到什么軌道。可能大多數(shù)人不會(huì)知道這些數(shù)據(jù)和火箭自身結(jié)構(gòu)有什么關(guān)系，也不知道火箭內(nèi)部到底是什么樣的?，F(xiàn)在，在中國(guó)科技館4層的“太空探索”展廳里有1件展品“火箭解剖”，在6米高的仿真模型前，你可以解剖長(zhǎng)征二號(hào)F型火箭，一窺內(nèi)部結(jié)構(gòu)。請(qǐng)大家思考一下火箭結(jié)構(gòu)組成，為什么火箭發(fā)射后走一路丟一路？長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)和現(xiàn)在解剖開(kāi)的長(zhǎng)征二號(hào)F型結(jié)構(gòu)一樣嗎？

長(zhǎng)征二號(hào)F型火箭模型按照1：10的比例制作，它的助推器、芯一級(jí)火箭、芯二級(jí)火箭、整流罩、逃逸塔5個(gè)主要部位制作為動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，并裝置燈光及語(yǔ)音。操作臺(tái)上設(shè)有4個(gè)按鈕，可分別啟動(dòng)火箭各個(gè)部位的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)、燈光及語(yǔ)音，演示其結(jié)構(gòu)及功能。通過(guò)語(yǔ)音裝置，可收聽(tīng)相關(guān)知識(shí)的語(yǔ)音講解。

助推器共4個(gè)，其中1個(gè)助推器的外殼制作為透明結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料箱、氧化劑箱等主要結(jié)構(gòu)均裝置燈光。參與者按下“助推器”按鈕，語(yǔ)音及燈光啟動(dòng)，配合模型演示助推器的主要結(jié)構(gòu)和功能。

芯一級(jí)火箭和芯二級(jí)火箭 它們的外殼為可自動(dòng)開(kāi)合結(jié)構(gòu)，外殼打開(kāi)，可展現(xiàn)其內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)及噴管、燃料箱、氧化劑箱、級(jí)間段等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)均裝置燈光。芯一級(jí)和芯二級(jí)火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管都設(shè)有擺動(dòng)功能，可驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管做單向擺動(dòng)，擺動(dòng)幅度模擬真實(shí)的噴管擺幅，其擺動(dòng)角度分別為10°和60°，直觀演示火箭飛行姿態(tài)的調(diào)整方法。參與者操作按鈕，可分別打開(kāi)芯一級(jí)和芯二級(jí)火箭的外殼。當(dāng)它們的外殼打開(kāi)時(shí)，相應(yīng)的燈光及語(yǔ)音啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴管擺動(dòng)。通過(guò)生動(dòng)直觀的動(dòng)態(tài)演示，參與者可了解芯一級(jí)火箭或芯二級(jí)火箭的主要結(jié)構(gòu)、功能。演示結(jié)束，外殼自動(dòng)關(guān)閉。

整流罩及逃逸塔 整流罩的外殼為可自動(dòng)開(kāi)合的結(jié)構(gòu)，并裝置燈光，外殼打開(kāi)可呈現(xiàn)保護(hù)在里面的飛船。整流罩上方的逃逸塔制作為動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)，可攜帶飛船脫離火箭上升一定高度，直觀演示逃逸塔的功能。參與者按下“整流罩”按鈕，整流罩外殼打開(kāi)，燈光亮起，參與者可看到整流罩內(nèi)的飛船。同時(shí)語(yǔ)音裝置啟動(dòng)，介紹整流罩的作用及飛船的結(jié)構(gòu)和功能。伴隨逃逸塔攜帶飛船脫離火箭的動(dòng)態(tài)演示，語(yǔ)音會(huì)配合講解火箭發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，逃逸塔攜帶飛船及航天員脫離險(xiǎn)境的功能。讓公眾直觀認(rèn)識(shí)整流罩、飛船及逃逸塔的結(jié)構(gòu)和功能。

為什么火箭發(fā)射后一邊飛一邊丟東西

火箭是靠發(fā)動(dòng)機(jī)噴射工作介質(zhì)產(chǎn)生的反作用力向前推進(jìn)的飛行器。它自身攜帶全部推進(jìn)劑，不依賴外界工質(zhì)產(chǎn)生推力，可以在稠密大氣層內(nèi)飛行，也可以在稠密大氣層外飛行。以長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭為例，它由4個(gè)液體助推器、芯一級(jí)火箭、芯二級(jí)火箭、整流罩及飛船、逃逸塔等幾個(gè)部分組成。助推器、芯一級(jí)火箭、芯二級(jí)火箭均由氧化劑箱和燃燒劑箱及發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成，是火箭的“動(dòng)力和心臟”。整流罩負(fù)責(zé)保護(hù)飛船免受來(lái)自大氣層的各種干擾。逃逸塔可在火箭發(fā)生故障時(shí)，拽著飛船與火箭分離，幫助飛船上的航天員脫離險(xiǎn)境。

在火箭發(fā)射后，首先是芯一級(jí)和助推器點(diǎn)火工作，待燃料消耗完后就需要將其拋掉，以減輕重量。之后二級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火開(kāi)始工作，繼續(xù)加速。以此類推，直到將航天器發(fā)送到預(yù)定軌道。所以，大家在看火箭介紹的時(shí)候，經(jīng)常有某火箭為二級(jí)或三級(jí)運(yùn)載火箭，指的就是這個(gè)。一般來(lái)說(shuō)，火箭級(jí)數(shù)越多，發(fā)射能力越強(qiáng)，但是隨著火箭級(jí)數(shù)的增加，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性越來(lái)越大，對(duì)材料、燃料、控制等的要求成倍增加，所以現(xiàn)代火箭大多為二級(jí)或三級(jí)火箭。

通過(guò)前面的介紹，我們知道長(zhǎng)征二號(hào)F型運(yùn)載火箭是二級(jí)運(yùn)載火箭，是目前我國(guó)載人飛船發(fā)射的唯一運(yùn)載火箭，具有安全性、可靠性高等特點(diǎn)，先后將我國(guó)10艘“神舟”號(hào)載人飛船和“天宮一號(hào)”空間試驗(yàn)室成功送入太空預(yù)定軌道。

和使用氫氧燃料的長(zhǎng)征五號(hào)火箭相比，長(zhǎng)征2F火箭結(jié)構(gòu)有什么異同？

長(zhǎng)征2F型運(yùn)載火箭是使用四氧化二氮（N2O4）作為氧化劑、偏二甲肼（UDMH）為燃燒劑的液體火箭，發(fā)動(dòng)機(jī)也是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。而長(zhǎng)征五號(hào)火箭主動(dòng)力采用液氫、煤油、液氧等無(wú)毒、無(wú)污染推進(jìn)劑，發(fā)動(dòng)機(jī)也是新型大推力液氫液氧、液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。使用燃料的不同使火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等均存在較大差異。例如燃料儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)征五號(hào)火箭有儲(chǔ)存低溫液氫、液氧的儲(chǔ)存罐。火箭發(fā)射時(shí)，由于長(zhǎng)征五號(hào)主體采用了-252℃的液氫作燃料，比發(fā)動(dòng)機(jī)殼體溫度低得多，所以最先進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的氫就會(huì)升溫，變成專家所說(shuō)的“熱氫”，火箭周圍會(huì)出現(xiàn)一些“霧氣”。

長(zhǎng)征五號(hào)是我國(guó)當(dāng)前最大的運(yùn)載火箭，它采用了通用化、系列化、組合化思想設(shè)計(jì)。該系列由二級(jí)半構(gòu)型的基本型長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭（CZ-5）、不加第二級(jí)的一級(jí)半構(gòu)型長(zhǎng)征五號(hào)乙運(yùn)載火箭（C2-5B），以及添加上面級(jí)的長(zhǎng)征五號(hào)/遠(yuǎn)征二號(hào)運(yùn)載火箭（ CZ-5/Y2-2）組成，地球同步轉(zhuǎn)移軌道和近地軌道運(yùn)載能力分別達(dá)到14噸級(jí)和25噸級(jí)，以滿足中國(guó)未來(lái)天宮空間站、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，以及探月三期工程及其他深空探測(cè)的需要。