书城科普征服太空之路(神秘的太空世界丛书)
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第9章 载着人类梦想飞向太空的火箭(3)

“长征”系列火箭类型1975年,我国发射了第一颗人造地球卫星“东方红1”号,将这颗卫星送上太空的运载火箭是“长征”家族的长子“长征1”号运载火箭。这枚三级火箭全长近30米,最粗的地方直径有2米多,全部重量81.5吨,发动机点火时,产生的推力为104吨,能够将300多千克重的卫星送上离地面440千米高的轨道,环绕地球飞行。

“长征2”号是20世纪70年代由我国的远程战略导弹改装而成的。它只有二级,但却有32米长,最大的直径达到3.35米,能够产生280吨的推力。它的改进型更是出色。利用“长征2”号的改进型发射的9颗返回式卫星都十分成功,它百分之百的成功率赢得了全世界的普遍赞誉。1987年和1988年,“长征2”号还为外国公司的卫星进行了搭载服务,成为最先涉足国际市场的“长征”运载火箭。

“长征”火箭家庭中,个头最大的要数“长征3”号。它有44米长,是一枚三级火箭,起飞时的推力为284吨,能够将1.4吨的物体送入距地球36000千米的轨道,可以用来发射地球同步卫星。“长征3”号利用液氢、液氧作为推进燃料,具有其他燃料无法取代的优越性。目前只有少数几个国家掌握这一复杂的技术,我国是继美国、法国之后,世界上第3个掌握这种关键技术的国家。

将“长征2”号再加上第三级,那便是“长征4”号了,用它可以将1.5吨重的东西送上900千米高的轨道。它曾将我国的第一颗和第二颗气象卫星送上太空。

特别值得一提的是“长征2”号火箭的改进型“长征”2号E型。它由4个助推火箭围绕“长征”2号捆绑而成,是长征火箭系列中力气最大的运载火箭。它是由我国的科技人员在短短的18个月时间内研制出来的。它可以不费劲地将8.8吨的航天器送上环绕地球的低轨道,是一枚大有用武之地的运载火箭。

知识点地球同步卫星

地球同步卫星,又称地球同步轨道卫星,是运行在地球同步轨道上的人造卫星。静止轨道卫星距离地球的高度约为36000千米,运行方向与地球自转方向相同,运行轨道为位于地球赤道平面上圆形轨道,运行周期与地球自转一周的时间相等,即23时56分4秒。因此,人们从地球上仰望,它仿佛悬挂在太空静止不动。

倾斜轨道和极地轨道同步卫星从地球上看是移动的,但却每天可以经过特定的地区,因此,通常用于科研、气象或军事情报的搜集以及两极地区和高纬度地区的通信。

地球同步卫星一般用于通讯、气象、广播电视、导弹预警、数据中继等方面,以实现对同一地区的连续工作。

火箭升空的动力之源

火箭为何能够升空?那几十层楼高的庞然大物顷刻间就升上了天空,这是何等的奇妙。

其实,火箭的原理很简单,它是利用反作用的原理制成的。让我们举个例子来说明:当你把一只充满气的气球突然松开气嘴时,你会发现它嗤嗤地向外冒着气,并同时直往前冲,气球越大,它向前冲的距离也就越远。当气球内的气体从气嘴向外喷出的时候,这些喷出的气体给气球以相反的作用,就好像你用手捏成拳头击墙,也许你能把墙碰一个小坑,但同时你的手也感到很疼。为什么呢?当你给墙一个打击的时候,墙也给你一个相反的作用,大小是一样的。你碰墙用的力气越大,墙回敬给你的反作用也就越大,你的手也会越疼。

有一种叫“冲天炮”的烟花(也叫“钻天猴”),仔细瞧就是一支微型小火箭。当它被点燃时,它的火药燃烧,向后喷出一股热气,将它送到空中,这正是应用了反作用的原理。

火箭只不过是在尾部装上了发动机,它以非常高的速度向后排出燃烧后产生的物质(一般是气体,也可能是其他的物质),推动火箭升空。这种向上的推力必须大于整个火箭的重量。一般来说,推动几百吨的火箭升空,必须产生上千吨的推力。

那么,火箭是燃烧什么物质而产生这么大的推力呢?一般的大型火箭是用汽油、煤油或者液态的可燃气体,也有的火箭升空用固体状态的燃料。只有很小型的火箭,如火箭弹等才用火药发射。

我们知道,大自然中的木头、枯草以及汽油等很多东西,在燃烧时都需要空气中的氧气。因为氧可以帮助物质燃烧,没有氧,这些东西就不会燃烧,即使是燃烧起来了,没有了氧气,也会自动熄灭。如果将一个大玻璃罩罩在一支正在燃烧着的蜡烛上,不一会儿,你就会看到火焰慢慢地熄灭了。原因是玻璃罩内的氧气已被燃烧掉了,又没法补充进新的氧气,所以蜡烛就自动地熄灭了。很多灭火器就是利用这个原理来设计的,它们总是想方设法使燃烧着的东西与周围的空气隔绝开来,以达到灭火的目的。

火箭发动机点火启动也与燃烧一样,需要氧来帮助燃料的燃烧。它主要有两种类型:一类是携带可以燃烧的物质(比如汽油、煤油等),利用空气中的氧进行燃烧的发动机。它将汽油等化成雾状,喷向发动机的燃烧室,使之与空气中的氧充分燃烧,不断地产生高温气体向后喷去,推动火箭向前飞行。由于这种发动机需要空气,因而只能装在在大气层中飞行的火箭上,无法在没有空气的大气层外产生燃烧。另一类是利用火箭自身携带的两种物质进行燃烧的发动机。这两种物质中有一种是燃料,如汽油、煤油或者液态氧气,另一种是含有氧的物质,用来帮助燃料的燃烧,人们常称它们为氧化剂,如液态的氧气或其他物质。这两种物质一混合就能很充分地燃烧起来,比如液氢和液氧一相遇就会很好地燃烧,并产生水蒸气向火箭外喷出,以推动火箭。这种发动机常用于飞出大气层的火箭。

从燃料是液体的还是固态的情况来分,又可以将火箭分为液体火箭和固体火箭。一般大型的火箭比较多使用液体燃料,因为这种燃料产生的推力要比固体燃料大得多。它适合用于发射卫星、宇宙飞船,空间站和航天飞机等重量很大的航天器。多级火箭的最下面一级,往往是液体火箭。如果你看到过火箭发射的实况就会知道,在火箭发射之前,先要将火箭加满燃料,这个过程叫“加注燃料”。由于有的液体燃料和氧化剂有剧毒,工作人员必须全身穿带保护服和防毒面具,才能加注燃料,而且出不得一点纰漏,一丁点的火花就可能酿成大爆炸。

为了装上更多的燃料,人们将氢气和氧气冷冻到零下几百摄氏度,这时它们的形态就变得跟水一样,成为可以流动的液体;再冻下去,液态的氢甚至可以变成冰块一样,成为固态的氢。这样一来,同样重量的气体,所占的体积就大大地缩小了,这就是人们要用液态燃料的原因。为防止燃料渗漏,一定要将贮存它们的箱子做成一个密封性能很好的保温瓶,保持住低温,以免在常温下变成气体。美国的航天飞机发射时,就随身携带了一个巨大的液体燃料贮箱,供应3台液体火箭主发动机液氢和液氧。

固体火箭的燃料一般是固态的,它的推力相对液体火箭而言较小,更多的是用于较小的火箭和导弹,如反坦克导弹,地对地近、中程导弹和空对空导弹;也有的大型火箭是固体火箭。美国人的固体燃料技术较先进,生产了一些固体燃料的大型火箭,如发射航天飞机用的固体燃料助推火箭。

固体火箭有一个不好的方面,它不能像液体火箭一样可以随时关闭发动机,一旦点火,就不能熄灭,直到所有的固体燃料全部烧光。这一点在发射台上出现故障时,尤其不好处理,要么让它在发射台上将燃料烧光,要么让它升空,在空中人为地引爆。正是由于这种原因,美国人在发射航天飞机时,先点燃的是液体火箭发动机,待发现它工作正常以后,才让两个固体助推火箭点火工作。

火箭和导弹的安全自毁

无论是飞行试验还是真正的实弹射击,运载火箭和导弹的自毁系统是必须具有的,这种装置常被称为安全自毁装置。

在火箭的发射过程中,由于一些故障,有时会使火箭大大偏离预定的飞行轨道,这时,如果不能纠正偏差,就可能使火箭落在不该落的地方。试想,如果这枚出了差错的导弹落在人口上百万的城市里,造成的后果将不堪设想。因此,为了不危及地上居民的生命安全,就要启动安全自毁装置,使火箭在空中自我爆炸。

1980年5月23日,欧洲空间局进行了一次“阿里安”火箭试验。在地面上一切测试正常,指挥人员开始倒计数计时“10,9,……3,2,1”,火箭呼啸着腾空而起,按预定轨道上升。飞行了108秒钟以后,火箭出现异常的滚动,偏离了航线,迫于无奈,指挥人员只好发出了自毁的指令,使火箭在空中爆炸,碎片散落在离发射场30多千米的大西洋中,试验没有成功。类似这样的情况,美国、前苏联和日本也发生过多次。美国的“宇宙神”火箭87次发射中,就有10次失败,“大力神”火箭61次发射中,失败了13次,占试验总次数的20%左右,这是一个不小的数字。由此可见,火箭发射失败是在所难免的事情,因而安全自毁装置就变得十分重要,它关系到人的安危。

一般自毁装置是在火箭的一些部位安装上起爆装置,当自毁指令发出以后,这些装置就被起爆,将火箭炸成许许多多的碎片。也许你会问,万一这套自毁装置出了故障,不接受指令,火箭不爆炸那该多可怕,如落在地上引起爆炸后果将十分严重。设计师早就想到了这一点,专门准备了另一套安全自毁设备,以防万一。

由于洲际导弹和运载火箭的危险性,因而人们在选择试验航向的时候格外小心慎重,根据火箭飞行允许偏离的偏差确定了一条安全边界,尽量使飞行航线上的城市和重要设施在安全边界以外。通常,这条火箭飞行的安全边界沿着航线呈带条状,只要火箭实际的飞行航线不超出这条安全边界,就可以不干预火箭,让它继续飞行;如果一旦发现火箭偏离了预定轨道,并超出了安全边界,指挥人员就要下达“自毁”的命令,强迫火箭在空中爆炸。

一般自毁都在空中,即使火箭偏离轨道后落到海洋的可能性很大,也让偏离轨道的火箭在空中自毁。这主要是火箭在空中爆炸可以使火箭燃料所蕴藏的巨大能量在空中四面八方自由释放,不致引起严重的环境污染和破坏,同时当火箭自毁爆炸成许多大大小小的碎片以后,在返回稠密大气层时会自己烧蚀掉,使碎片对地面的破坏大大降低。

安全自毁系统是在任何大、中型火箭和导弹中都必须装备的设备。

知识点欧洲空间局

欧洲空间局是一个欧洲数国政府间的空间探测和开发组织,总部设在法国首都巴黎,其前身是欧洲航天研究组织。1962年6月14日,欧洲几个国家签署了一项协议,于1964年3月20日建立了欧洲航天研究组织。

1975年,欧洲空间局正式成立,航天研究组织作为其一个下属机构仍存在。空间局的目标是专门为和平目的提供和促进欧洲各国在空间研究、空间技术和应用方面的合作。欧洲空间局现有19个成员国,欧洲主要国家都参加了。另外,加拿大和匈牙利等国也参与了该机构的一些合作项目。

欧洲空间局的发射中心是位于法属圭亚那的圭亚那发射中心。因为那里相对于赤道较近,使卫星发射至地球同步轨道较为经济。控制中心位于德国的达姆施塔特。