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        助推器火箭龍虎榜

        2023-12-28 10:56:22杜駿豪劉澤鑫
        百科探秘·航空航天 2023年12期
        關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機(jī)

        文/杜駿豪 圖/劉澤鑫

        俗話說(shuō)“內(nèi)行看門道”,當(dāng)我們?cè)u(píng)價(jià)一款火箭厲不厲害時(shí),主要看哪些指標(biāo)呢?除了一眼能看到的外形與大小,我們更應(yīng)該關(guān)注它的運(yùn)載能力。

        ◎多級(jí)火箭示意圖

        火箭的工作就是要把有效載荷發(fā)射到太空中去,所以它的運(yùn)載能力越強(qiáng),它的舞臺(tái)就越廣闊。提升火箭運(yùn)載能力的辦法有很多,比如使用推力更大的發(fā)動(dòng)機(jī),可這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的要求非常高,且實(shí)現(xiàn)難度大,成本高。與此相比,還有個(gè)更省時(shí)省力的辦法,那便是給一枚光桿火箭“綁”上幾枚小火箭——火箭的助推器。

        1903 年,現(xiàn)代航天和火箭理論的奠基人齊奧爾科夫斯基發(fā)表了一篇開創(chuàng)性的論文《利用火箭探索外層空間》,而54 年后,人類的首顆衛(wèi)星才發(fā)射上天。齊奧爾科夫斯基預(yù)見性地提出了多級(jí)火箭、助推器等概念。

        多級(jí)火箭就是把一級(jí)級(jí)火箭串聯(lián)起來(lái),第一級(jí)燃燒殆盡后立即與其他火箭分離、墜落,而后由第二級(jí)接力燃燒,以此類推,最終將有效載荷送入軌道。而助推器則是把多枚火箭并聯(lián)起來(lái),同時(shí)燃燒,提高同一時(shí)間內(nèi)火箭的推力。一般來(lái)說(shuō)助推器會(huì)先燃燒完畢,分離、墜落,而后由中間的芯級(jí)火箭繼續(xù)推進(jìn)。

        考考你

        “人類的首顆衛(wèi)星”是1957 年發(fā)射的哪顆衛(wèi)星呢?

        現(xiàn)代火箭的雛形是德國(guó)的V-2 導(dǎo)彈。它只有一級(jí)火箭。在二戰(zhàn)后,V-2 導(dǎo)彈的技術(shù)分別被美國(guó)、蘇聯(lián)繼承。為了提高運(yùn)載能力,美國(guó)先走了多級(jí)火箭的發(fā)展路線,為V-2導(dǎo)彈串聯(lián)上第二級(jí)火箭,而蘇聯(lián)同時(shí)發(fā)展了多級(jí)火箭與助推器。

        ◎美國(guó)早期的RTV-G-4火箭,相比V-2導(dǎo)彈,它串聯(lián)了第二級(jí)火箭

        助推器發(fā)展了幾十年,歷史上都有些什么特別的帶助推器的火箭呢?讓我們一起來(lái)看看吧。

        助推器數(shù)量最多的火箭

        美國(guó)的德爾塔-Ⅱ型和德爾塔-Ⅲ型運(yùn)載火箭最多可以捆綁9 枚固體助推器,是世界上可捆綁助推器最多的火箭。當(dāng)然,根據(jù)任務(wù)的不同,它也可以選擇捆綁3 枚或4 枚助推器。這款火箭總共發(fā)射了155次,其中成功153次,目前已經(jīng)退役。它曾把勇氣號(hào)與機(jī)遇號(hào)火星車、開普勒太空望遠(yuǎn)鏡等著名航天器發(fā)射升空。

        ◎分別捆綁4枚助推器與9枚助推器的德爾塔-Ⅱ型火箭

        知識(shí)鏈接

        根據(jù)燃料性質(zhì)的不同,火箭的助推器可分為液體助推器和固體助推器。液體助推器可以在必要時(shí)切斷推進(jìn)劑供應(yīng)來(lái)緊急停止。固體助推器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,生產(chǎn)和測(cè)試也更容易,推力更大,不需要制冷隔熱設(shè)備,但是整體造價(jià)相對(duì)較高,而且因點(diǎn)燃后很難在燃料耗盡前停下,對(duì)于航天器發(fā)射來(lái)說(shuō)存在風(fēng)險(xiǎn)。

        助推器最不對(duì)稱的火箭

        美國(guó)的宇宙神-Ⅴ運(yùn)載火箭可攜帶1~5 枚固體助推器,覆蓋8.2~18.8 噸的近地軌道運(yùn)力、4.75~8.9 噸的地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力。

        這款火箭是“令強(qiáng)迫癥患者發(fā)狂的杰作”:其他火箭的助推器幾乎都在芯級(jí)火箭周圍平均分布,而宇宙神-Ⅴ火箭不論攜帶幾枚助推器,總是不對(duì)稱的。最令人叫絕的是只攜帶1 枚助推器的構(gòu)型,它可以通過調(diào)控芯級(jí)火箭和助推器的矢量方向來(lái)平衡推力。

        助推器數(shù)量可變的中國(guó)火箭

        中國(guó)長(zhǎng)征三號(hào)系列火箭是中國(guó)目前唯一一款可調(diào)節(jié)助推器數(shù)量的運(yùn)載火箭?;鸺焕壷破鲿r(shí),被稱作長(zhǎng)征三號(hào)甲(CZ-3A),捆綁2 枚、4 枚助推器時(shí)分別被稱作長(zhǎng)征三號(hào)丙(CZ-3C)、長(zhǎng)征三號(hào)乙(CZ-3B)。為什么2、4 對(duì)應(yīng)的是丙、乙而不是乙、丙呢?是因?yàn)殚L(zhǎng)征三號(hào)的乙型比丙型研制時(shí)間更早。

        ◎沒有助推器、有4枚助推器、有2枚助推器的長(zhǎng)征三號(hào)甲、乙、丙

        通用助推器核心型火箭

        為了進(jìn)一步降低火箭設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,提高零件的通用性,有些火箭的助推器與芯級(jí)火箭是通用的,這被稱作通用助推器核心(Common Booster Core,簡(jiǎn)稱CBC)型火箭。

        美國(guó)德爾塔-Ⅳ重型運(yùn)載火箭是世界上第一款采取CBC型的火箭,助推器與芯級(jí)的設(shè)計(jì)是一致的,每枚助推器只需要使用一臺(tái)RS-68 液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī),就可以達(dá)到28 噸的近地軌道運(yùn)力。

        美國(guó)商業(yè)航天公司SpaceX 的重型獵鷹運(yùn)載火箭是由3 枚獵鷹9 號(hào)運(yùn)載火箭組裝而來(lái)。每一枚獵鷹9 號(hào)使用了多達(dá)9 臺(tái)梅林-1D 液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。這樣設(shè)計(jì)的好處是即使有某臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)射時(shí)失效,火箭整體的推力也不會(huì)受太大影響。值得一提的是,重型獵鷹的3 枚火箭都具有重復(fù)使用能力。

        俄羅斯最新一代運(yùn)載火箭安加拉-A5 是另一款很有特點(diǎn)的CBC 型火箭。除了芯級(jí)外,捆綁了4 枚與芯級(jí)一致的助推器,每臺(tái)助推器都由單個(gè)RD-191 液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn),力量感十足。未來(lái),我們還有機(jī)會(huì)看到帶有6 枚通用助推器的安加拉-A7 火箭。

        中國(guó)的新一代載人運(yùn)載火箭也采取了CBC 型的設(shè)計(jì),每枚助推器都有7 部YF-100K液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī),近地軌道運(yùn)力將達(dá)到70 噸。未來(lái)幾年我們將看到這一大國(guó)重器飛上云霄,實(shí)現(xiàn)中國(guó)人載人登月的夢(mèng)想,讓我們拭目以待!

        ◎俄羅斯安加拉-A5運(yùn)載火箭

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