神奇的天梯——火箭的介绍是什么?
为了找到这个通往天空的“天梯”,现代火箭的先驱们进行了不懈的探索。到了40年代,火箭终于诞生了。现代火箭技术直接受到中国古代火箭的启发。
举世公认,火箭的发源地是中国。一千多年前,中国的人们发明了一种武器,将装有火药的竹筒绑在箭杆中间。导火索点燃,火药剧烈燃烧,向后猛烈喷吐烟雾,箭体被向前推,带着烟雾飞向敌人阵地。人们称这种武器为“火箭”。火箭比其他箭飞得更快、更远、更致命。中国明朝是古代火箭发展的鼎盛时期。当时火箭已经发展到十几枚,也发展成多级火箭,这是火箭发展史上的重大突破。
在火箭发展史上,中国做出了卓越的贡献。但是在漫长的封建社会,火箭技术并不发达,那些闪光的想法都被埋没了。西方国家在掌握了原始火箭技术后,走在了现代火箭发展的前列。
现代火箭理论的创始人是俄罗斯的齐奥尔科夫斯基。他出生在俄罗斯的一个小镇。10岁时,他不幸患上了严重的猩红热,病后失聪。他不得不呆在家里自学,后来成了一名中学老师。39岁开始系统研究火箭。1903年,他发表了一篇名为《用火箭飞船探索宇宙》的论文,在这篇论文中,他提出了液体火箭理论。
他认为,火箭过去使用的是固体燃料,这种燃料一旦点燃就无法控制。在星际旅行中,火箭的推力应该像油门一样可调,于是他大胆设想用液氧作为氧化剂,煤油作为推进剂,通过泵来调节进入燃烧室的推进剂量。
这篇论文指出了人类航天的道路,所以俄罗斯人称他为“火箭之父”。由于当时的技术条件和背景的限制,这些理论成果在实验中得不到支持,在他的有生之年也造不出具有现代特色的火箭。
20年后,一个叫哥达的美国人开始试制齐奥尔科夫斯基的液体火箭。1919哥达发表论文《到达真空的方法》,讨论火箭可以在没有空气的宇宙中飞行。1920年开始液体火箭的试制。这项工作极其困难,他付出了巨大的努力。1926年3月16日成功发射世界上第一枚液体火箭,25秒内上升12米,飞行56米。
二战中,战争对武器的需求推动了火箭的发展。二战中,法西斯德国首先研制出液体火箭,命名为V-2,全长14m,直径1.65m,总重5.4吨。火箭前端为弹头,炸药重1吨,射程330公里,飞行速度6倍音速。
1944年9月的一个晚上,德军从被占领的荷兰向英国伦敦发射了这枚V-2火箭。很快,伦敦市区各处警报响起,火光冲天,巨大的爆炸声震耳欲聋。伦敦的防空部队打开了所有的探照灯,让夜晚看起来像白天。奇怪的是空中没有一架敌机。后来查明,这次袭击伦敦的不是德国飞机,而是一种叫做V-2导弹的新武器。它是在荷兰海岸发射的,它可以飞越英吉利海峡并在几分钟内到达伦敦。
1945年5月7日,德国宣布无条件投降,被盟军和苏军占领。美军捷足先登,迅速将德国150名高级研究人员和整批V-2部件运回美国。前苏联也不甘示弱,但毕竟他们来晚了,只带了部分总参谋部,却带走了全部装备。相当于搬了一个完整的V-2工厂。后来美国和前苏联的巨型火箭都和V-2关系密切,也可以说是V-2的真传。人们戏称“美国和前苏联的火箭在空中相遇时用德语互相问候”,形象地说明了这段历史。
此后,苏联和美国展开了激烈的太空之战,而这场战争的核心部分就是火箭的竞争。1955前苏联制造了一种可以携带核武器的导弹,威力很大。此时,前苏联的火箭技术领先于美国。10月4日,前苏联在科努尔发射场用代号为“T3A”的运载火箭成功地将一颗人造地球卫星送入轨道。
这些消息震惊了美国,最终批准了卫星计划。从那时起,美国科学家迅速开发了一系列火箭。1969年7月登月计划顺利实现。这无疑说明了美国火箭在飞行精度和安全性上的领先水平,也说明美国在航天领域取得了优势。1971年,美国成功发射了一颗绕火星飞行的卫星。此时,人类已经达到并能够准确把握第二宇宙的速度。1987年,“先锋10”成为第一个飞离太阳系的人造天体,火箭的速度超越告一段落。
如果火箭能在空中飞行,必须解决两个问题:燃烧所需的氧气从哪里来?推力从何而来?
燃烧是一个化学反应过程,必须有燃料和助燃剂。因为人们熟悉在空气中燃烧,燃烧不需要提供专门的氧气,所以想当然地认为只要有燃料就可以燃烧,忽略了助燃剂的作用。飞机的喷气发动机只需要携带汽油,发动机工作时从空气中获得助燃剂——氧气。那么要让这个发动机在真空中工作,就必须自带氧气。
火箭发动机既携带燃料又携带助燃剂。这两种剂量合在一起称为推进剂。火箭只有携带全部口粮才能在太空飞行。当然它也可以在大气层中飞行。
第二个问题是如何获得“推力”。牛顿第三定律告诉人们,当物体A对物体B施加一个力时,物体B也必须同时对物体A施加一个反作用力。这两个力大小相等,方向相反。自然界最生动的例子是章鱼。当它在危险中逃跑时,它会急剧收缩体内充满液体的内套管。液体被挤压后,从其身体后面的喷嘴喷出。同时喷射出来的液体也给了章鱼一个向前的推力,章鱼如箭一般逃跑了。
火箭发动机的原理也差不多。推进剂在火箭发动机燃烧室内燃烧产生高温高压气体,从喷管高速向后喷射,同时火箭受到一个向前的推力。当燃烧继续时,火箭将被持续的反向喷流推动。在这种推力的作用下,火箭速度会不断提高,垂直起飞冲出大气层。