趙家樂

當(dāng)黎明劃過拂曉，一場緊張的“戰(zhàn)斗”已然開始。高大的發(fā)射塔架，環(huán)抱著乳白色的巨型運(yùn)載火箭，聳立在發(fā)射場上。各個(gè)專業(yè)的工作人員認(rèn)真完成著最后的發(fā)射準(zhǔn)備工作，滿懷激情地等待發(fā)射時(shí)刻。在地下的控制中心，指揮員緊緊盯著電子時(shí)鐘，準(zhǔn)備著發(fā)射命令的下達(dá)?！叭⒍?、一，點(diǎn)火?！卑殡S著引擎連綿不絕的咆哮聲，火箭如離弦之箭，拔地而起，直擊蒼穹。

合抱之木，生于毫末;九層之臺(tái)，起于壘土;千里之行，始于足下。作為航天事業(yè)的主力軍——運(yùn)載火箭，是如何練就沖破蒼穹的這一身本領(lǐng)的？或許我們可以從火箭設(shè)計(jì)制造的思路上找到答案。

為何設(shè)計(jì)成多級(jí)火箭

火箭，作為航天運(yùn)載器的動(dòng)力所在，是航天器沖破云霄的核心結(jié)構(gòu)?；厮葸\(yùn)載火箭的發(fā)展歷史，其鼻祖正是二戰(zhàn)時(shí)期大名鼎鼎的V2火箭，可見與彈道導(dǎo)彈師出同門。但是為何經(jīng)過多年的發(fā)展，不論是航天事業(yè)的運(yùn)載火箭還是軍事領(lǐng)域的彈道導(dǎo)彈，都會(huì)不約而同棄單級(jí)火箭而向多級(jí)火箭發(fā)展？其實(shí)，這個(gè)問題的答案十分簡單，因?yàn)閱渭?jí)火箭已經(jīng)無法滿足航天事業(yè)或者軍事任務(wù)的需要。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，目前最先進(jìn)的單級(jí)火箭也只能到達(dá)6千米/秒的最大速度，而人類突破地球的束縛卻需要突破7.91千米/秒的第一宇宙速度。那么，何為第一宇宙速度？它是指航天器的最小發(fā)射速度，同時(shí)也是航天器的最大環(huán)繞速度，即當(dāng)火箭發(fā)射的速度到達(dá)第一宇宙速度時(shí)，火箭將不會(huì)再落回地面，而將環(huán)繞地球作圓周飛行。顯而易見，無論是太空領(lǐng)域，還是軍事領(lǐng)域，目前的技術(shù)水平，單級(jí)火箭均無法滿足其任務(wù)需求。于是乎，人類航天事業(yè)不得不另辟蹊徑。

如同遼闊的海洋無法阻擋人類探索的步伐一樣，如今的太空也阻攔不了人類飛天的夢想。為了征服蒼穹，多級(jí)火箭應(yīng)運(yùn)而生。多級(jí)火箭是在單級(jí)火箭的基礎(chǔ)上，通過串聯(lián)、并聯(lián)或者串并聯(lián)的方式拼接而成的，也就是憑借火箭接力的方式實(shí)現(xiàn)突破。那么，多級(jí)火箭與單級(jí)火箭相比都有哪些優(yōu)勢呢？

首先，多級(jí)火箭可以對(duì)每層級(jí)工作結(jié)束后的多余質(zhì)量進(jìn)行拋棄。俄國科學(xué)家齊奧爾科夫斯基提出了一個(gè)單級(jí)火箭的理想速度公式，即火箭推進(jìn)劑質(zhì)量和火箭結(jié)構(gòu)質(zhì)量之和與火箭結(jié)構(gòu)質(zhì)量之比的數(shù)值呈非線性增加。簡而言之，就是當(dāng)火箭推進(jìn)劑越多時(shí)，火箭的質(zhì)量也會(huì)隨之增大，火箭的速度也會(huì)隨之提高。但當(dāng)火箭燃料無限增多時(shí)，火箭質(zhì)量也會(huì)無限增大，但是它對(duì)火箭速度的變化卻毫無影響。所以，要想在目前的技術(shù)條件下克服火箭提速的極限，只能通過多級(jí)火箭接替進(jìn)行點(diǎn)火的方式，并不斷對(duì)燃燒完畢的多余火箭進(jìn)行拋棄，來獲得火箭速度的不斷提升。

其次，多級(jí)火箭的每一層級(jí)火箭均可處在最佳的工作狀態(tài)。單級(jí)火箭發(fā)射時(shí)，其推力遠(yuǎn)大于自重，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)部件都處在極限工作狀態(tài)，并且所有的部件功能處于串聯(lián)相關(guān)。一旦諸多結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)任何一個(gè)微小問題，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)火箭發(fā)射失敗。而多級(jí)火箭則成功規(guī)避了此類問題，因?yàn)槠涿恳粚蛹?jí)結(jié)構(gòu)均為獨(dú)立工作，并且可以根據(jù)不同層級(jí)的火箭所處外界條件的不同進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，使其工作在最佳狀態(tài)。

最后，多級(jí)火箭的工作狀態(tài)更為靈活。由于單級(jí)火箭只有一級(jí)推進(jìn)裝置，所以其發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)時(shí)間和動(dòng)力大小的調(diào)節(jié)范圍十分有限。而多級(jí)火箭卻因?yàn)檠b備多具推進(jìn)器，可以通過對(duì)不同推進(jìn)器進(jìn)行“個(gè)性”調(diào)節(jié)，使其適應(yīng)不同發(fā)射任務(wù)的不同軌道和過載要求。

為何航天青睞液體燃料

燃料作為發(fā)動(dòng)機(jī)的生命源泉，既是運(yùn)載火箭的動(dòng)力所依，又是穩(wěn)定飛行的根本保證。目前運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑主要采用液體和固體兩種燃料。然而，相較于液體燃料的諸多問題，固體燃料顯現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。例如，固體燃料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、儲(chǔ)存方便，并且推進(jìn)劑密度較大。在燃料的選擇上面，作為運(yùn)載火箭的“同門師兄”彈道導(dǎo)彈，就十分鐘情于固體燃料。

液體火箭結(jié)構(gòu)

究其原因，彈道導(dǎo)彈作為國家級(jí)戰(zhàn)略武器，擔(dān)負(fù)著威懾與反擊的重要使命，所以必須具備靈活機(jī)動(dòng)、快速反應(yīng)的作戰(zhàn)能力。而固體燃料的諸多特點(diǎn)正好滿足了彈道導(dǎo)彈的作戰(zhàn)需要：穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)可以大幅降低安全事故發(fā)生的概率，使其可以長期肩負(fù)戰(zhàn)備任務(wù);方便的儲(chǔ)存方式避免了臨時(shí)裝料的忙亂，使其具備快速反應(yīng)的能力。同時(shí)，又大幅減少了日常維護(hù)費(fèi)用;高密度的推進(jìn)劑提供了強(qiáng)勁的加速度，讓其可以高速突防，不易攔截。然而，具備諸多優(yōu)點(diǎn)的固體燃料，卻并不適用于航天飛行。

不同于彈道導(dǎo)彈鐘情于固體燃料，運(yùn)載火箭更加青睞于液體燃料。其原因在于：

首先，在和平時(shí)期執(zhí)行發(fā)射任務(wù)的運(yùn)載火箭無需縮短裝料時(shí)間。固體燃料的快捷在于其可以提前裝填，但是裝填過后會(huì)直接導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)無法改變，不能進(jìn)行二次裝料。這就使燃料數(shù)量難以更改，致使發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間相對(duì)固定，無法滿足航天任務(wù)多樣化的需求。

其次，液體燃料更易于運(yùn)載器進(jìn)行飛行姿態(tài)的修正。雖然固體燃料具有可機(jī)動(dòng)發(fā)射、操作簡單、發(fā)射速度快的特點(diǎn)，但是固體燃料火箭一旦點(diǎn)火，將無法改變其發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。而液體燃料火箭卻可以根據(jù)不同發(fā)射任務(wù)的需要，在發(fā)射前進(jìn)行燃料的添加，飛行過程中又可以進(jìn)行多次關(guān)機(jī)與點(diǎn)火，這就十分有利于運(yùn)載器進(jìn)行飛行姿態(tài)的修正。

最后，液體燃料的推進(jìn)力遠(yuǎn)大于固體燃料。為了將更大、更重的有效載荷送上太空，自然需要擁有更大推力的火箭。從實(shí)驗(yàn)情況看，當(dāng)前固體燃料推進(jìn)劑的海平面比沖為2600米/秒，但是液體燃料的海平面比沖卻高達(dá)2800米/秒。

為何航天材料要求更高

航空航天材料包括飛行器及其動(dòng)力裝置、附件、儀表所用的各類材料，它們宛如組成人體的成千上萬的基本細(xì)胞，其技術(shù)水準(zhǔn)與航空航天技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。同時(shí)，航空航天材料也是材料學(xué)中一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的重要分支。作為要飛上云霄的航空航天技術(shù)，其材料應(yīng)具備優(yōu)良的耐高（低）溫性、耐老化性和耐腐蝕性，并且能夠極好地適應(yīng)空間環(huán)境的變化。但在相同的性能特點(diǎn)上，航天材料卻更勝一籌。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，目前飛機(jī)蒙皮需要承受的溫度高達(dá)1000℃，其發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度更是高達(dá)2000℃。但是與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所承受的3000℃～4000℃的高溫相比，只能算小巫見大巫了。那么，為何航天材料的性能要求更為嚴(yán)苛？這是因?yàn)楹娇詹牧吓c航天材料雖然同為特種材料，但是航天材料的工作環(huán)境卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)劣于前者。

首先，運(yùn)載火箭的飛行高度對(duì)其材料提出了嚴(yán)格要求。目前，世界上航空飛機(jī)的最高升限紀(jì)錄是北美航空公司研制的X-15A試驗(yàn)機(jī)創(chuàng)造的10.8萬千米。但是相較于完成航天運(yùn)載器最低任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的20千米亞軌道飛行來說，航空飛機(jī)的最高升限真的不值一提。

其次，高超音速的飛行使得航天材料必須更加耐受磨損和腐蝕。據(jù)航天工作人員稱：“發(fā)射高度為500千米的太陽同步衛(wèi)星，火箭入軌速度需要達(dá)到7.6千米/秒;發(fā)射地球同步衛(wèi)星，火箭入軌速度需要到達(dá)10.1千米/秒;而將火箭發(fā)射至地月轉(zhuǎn)移軌道，則需要達(dá)到10.8千米/秒?！迸c火箭的入軌速度相比，航空飛機(jī)的飛行速度就如與獵豹進(jìn)行賽跑的烏龜。一般來說，普通民航客機(jī)的飛行速度為55.5米/秒到83.3米/秒，戰(zhàn)斗機(jī)的飛行速度通常為277.7米/秒左右。即便是世界上速度最快的SR-71“黑鳥”高空偵察機(jī)，其飛行速度也只能達(dá)到1020.9米/秒到1361.2米/秒。因此，不得不對(duì)航天材料提出更高的性能要求。

最后，空間環(huán)境的特殊性也對(duì)其提出了更高的性能要求。相較于航空飛機(jī)在大氣內(nèi)的飛行，航天器在太空環(huán)境中會(huì)受到高真空和宇宙射線輻照的影響。金屬材料在高真空環(huán)境下相互接觸，其表面被高真空環(huán)境所凈化，會(huì)導(dǎo)致分子擴(kuò)散過程加速，出現(xiàn)“冷焊”現(xiàn)象;而非金屬材料在高真空與宇宙射線輻照的共同作用下會(huì)加速揮發(fā)和老化;甚至在光學(xué)鏡頭上也會(huì)因揮發(fā)物堆積而被污染;航天器的密封結(jié)構(gòu)也會(huì)因?yàn)椴牧霞铀倮匣?。所以，航天材料作為一種處于特殊環(huán)境中的特種材料，通常要經(jīng)過嚴(yán)格的地面模擬試驗(yàn)來選擇和優(yōu)化，以求能夠更好地適應(yīng)空間環(huán)境對(duì)航天器的影響。

名詞卡片：

比沖：或稱比沖量，是用于衡量火箭或飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)效率的重要物理參數(shù)。其定義為單位推進(jìn)劑的量所產(chǎn)生的沖量。

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理圖