【科普花园】《新世纪飞天梦》连载（8）火箭是实现飞天梦的推手（之一）
编者按：《新世纪飞天梦》是中国科学院力学研究所的王柏懿和林烈两位研究员撰写的一部科普小书。它图文并茂，以通俗的语言、严谨的分析和详实的史实，展示了人类不懈追求升空飞天的艰辛历程，说明了各类航天飞行器的基本原理和主要功能，还介绍了航天大师钱学森。承蒙作者的盛意，他们同意以网络书的形式在本网站上发表全书内容。该书主要是为小学高年级和初中的学生们编写的，有些较为专深的相关知识则采用“小贴士”“知识链接”和“你知道吗？”等框图形式在文中给出。
火箭是实现飞天梦的推手（之一）
王柏懿
3.1 火箭是怎样工作的
载人飞船和航天飞机终于圆了人类遨游太空的飞天梦：乘坐它们，航天员可
那么，载人飞船和航天飞机是靠什么才能飞出地球并且能够在轨道上绕着地球飞行呢？聪明的小朋友马上就会回答：靠火箭呗！对的，火箭为什么能把航天器送到轨道上呢？答案是靠一种特别的发动机——火箭发动机，它是火箭的心脏，主要由燃烧室和喷嘴（也常常叫做“喷管”）组成。这是一种自带推进剂（包括燃料和氧化剂）、不依赖外界空气的喷气发动机。在这个发动机的燃烧室内，燃料和氧化剂发生剧烈的化学反应，生成高温高压的气体产物，这个燃气通过特殊形状的喷管时不断加速，最终以高速（1500—5000 米/秒）从喷口排出。按照牛顿第三定律，火箭发动机向一个方向喷射燃气，结果会获得燃气产生的另一个方向的反作用力，这就是人们说的火箭推力。
目前用于发射航天器的火箭发动机都是化学火箭发动机，它们是利用推进剂的化学反应（燃烧）产生的热能来工作的，其中的推进剂可以是固体的（如聚氨酯、聚丁二烯），也可以是液体的（如煤油、液氢、液氧），还可以是固体、液体混合的。这就是咱们常常听到的固体火箭发动机、液体火箭发动机、固液混合火箭发动机等名字的由来。这几类发动机的燃烧室的结构会有些差别，但喷管的结构大体是相同的，都是要通过一个先收缩后膨胀的管道来加速燃烧产物，然后将高速气体喷射出去。
对于火箭发动机的工作原理，小朋友可以自己动手做一个小小的实验来验证。你先把一个气球充满气，口吹也行，打气筒也行；但不要把充气口封住，然后放开它；这时气球会满屋子乱飞，直到里面的空气泄漏完毕。是啊，就是这个道理：空气从气球的充气口中喷出来，气球就会向相反的方向运动。在这个实验中，由于空气喷出的方向没有受到控制，所以它对气球反作用力的方向也就不定了。但是在火箭发动机里，喷管的形状是仔细设计的，燃气喷流的方向是在喷管的轴线上，所以推力的方向也是沿着喷管轴线的。当然，有时希望让飞行器拐弯，就可以在喷管出口附近伸出一个挡板来改变燃气喷流的方向，这样推力的方向随之而变，飞行器运动方向也就变了。
其实，在工作原理上，航空器使用的涡轮喷气发动机和航天器使用的火箭发动机是一模一样的，区别是涡轮喷气发动机自身只带燃料（汽油或航空煤油）而氧化剂（空气）是取自大气的。所以，你们可以说，火箭发动机是航空喷气发动机的表兄弟。不过，提供主动力的火箭发动机要让航天器能够飞出地球，需要的能量大得多，所以需要采用高能的推进剂。由于火箭发动机自带氧化剂，因此可以在任意高度上工作，包括大气层外。但是这样也带来一个缺点：必须用一枚携带大量推进剂的巨大火箭才能将一个不大的有效载荷（航天员和货物）发射到太空。以美国的“土星-5”为例，它的起飞重量为3000吨，而有效载荷只有120吨（近地轨道）或45吨（月球轨道）。所以，你该明白，实现飞天梦是多么不容易的啊！
为什么呢？这和飞往太空必须克服地球引力有关系。你知道航天器需要有多高的速度才能飞离地球？科学家告诉我们：要能环绕地球飞行需要7.9千米/秒（这就是“第一宇宙速度”，也叫“环绕速度”），要能飞入太阳系需要11.2千米/秒（这就是“第二宇宙速度”，也叫“逃逸速度”）。所以，使用像飞机这样的工具是根本无法达到航天器需要的宇宙速度的。即使是使用运载火箭，单靠一级火箭也往往不能成功，特别是发射载人航天器的大型火箭，都是多级结构的，一般是2-4级。
这是苏联的齐奥尔科夫斯基想出来的一个绝妙办法。他从小体弱多病，在9岁时耳朵就聋了，只好辍学在家，但依靠自修中学和大学课程而完成了学业，在担任中学数学老师期间又潜心研究宇宙航行理论，终于成为一名著名航天科学家。齐奥尔科夫斯基建议造一个“火箭列车”，就是把几个能单独工作的火箭发动机一节一节地连起来，其中每级火箭的燃料用完时就自动关机并脱落，下一级火箭接着开机工作，直到速度达到所需要的数值，把航天器送入预定轨道。有的科学家做过计算，二级火箭比单级火箭的最终速度可以提高50%。其实，想想这里面的道理也不难解释嘛！火箭运载的重量越大，所需消耗的燃料就越多，如果及时把燃料已经烧完的火箭壳体扔掉，火箭的整体重量降低，就可以利用较小的能量进一步推动火箭的剩余部分。
多级火箭各级之间的联接方式，有串联、并联和串并联几种。“串联”就是把几枚单级火箭首尾相连在一条直线上；“并联”是把一枚较大的单级火箭放在中间（叫“芯级”），在它的周围捆绑几个较小的火箭（叫“助推级”）；“串并联”就是上面两种方式的结合，第一级是并联式，上面再串联第二级或第三级。有时人们把助推级叫做“半级”，所以你可以听到“二级半”或者“三级半”的说法。这里还要告诉你，多级火箭各级之间可不是随随便便“拼搭”起来的，而是通过“连接—分离机构”实现连接和分离的。这个连接机构得很牢固，不然在发射期间，级间一旦断开，火箭就不能完成任务了。分离机构由爆炸螺栓（或爆炸索）和弹射装置（或小火箭）组成。需要分离时，爆炸螺栓或爆炸索就发生爆炸，使连接断开，然后由弹射装置或小火箭将两部分分开，也有借助前面一级火箭发动机启动后的强大射流分开的。
这样，就不难答复小朋友的问题了：火箭的级数是不是越多越好呢？当然不是啰！因为增加级数会使得级间连接和分离结构相应地增加。这样，一方面增加了结构重量，另一方面降低了可靠性。所以，咱们要明白，很多事情都是有正反两个方面，有优点也有缺点，必须反复比较、选择，才能找到最优化的方案。
这里，还要告诉小朋友们，火箭发动机除了用来发射航天器以外，还可以完成姿态修正与控制、轨道转移等任务，这也是保证航天员能够安全可靠地完成飞天任务的重要方面。例如，航天器上的太阳电池帆板要时刻对准太阳，航天器对接时要严格对准靶目标，航天器返回大气层时制动防热面要对准迎面气流方向，别小看这些动作，做不好的话，也可能就毁掉了航天器。现代的航天器上都会设置一些小型火箭发动机，来承担姿态控制、轨道转移等功能。这类发动机不追求大推力，而是追求控制的精密，要求总工作时间长，可以多次启动。除了化学火箭发动机，也有使用其它类型的，例如离子发动机。它是先利用电能把气态的工质电离成为带有电荷的物质，然后在强电场作用下加速喷出，通过反作用力推动航天器改变原来的运动状态。
小朋友们，你们是否听到过一个“星坚强”的故事？2017年6月19日0时11分，中国在西昌卫星发射中心由“长征三号乙”运载火箭发射了一颗卫星“中星9A”，刚飞出地球后不久，它就被遗落在“半路”上。这是由于火箭出现异常，把它仍在距地面16000千米的半空中，这里离开预定轨道的高度还有20000多千米呢！然而令人惊异的是，它靠着自带的燃料独自在太空中“徒步”行进、爬升，完成了一次长达16天的“太空自救”。原来，卫星上的地球敏感器和变轨发动机都可以正常使用，在地面的工作人员控制下，变轨发动机先后完成了10次重新点火，准确进行了轨道调整，多次频繁穿越地球周边的中、低轨道的辐射带，最终成功定点于东经101.4°赤道上空的预定轨道。尽管因为消耗了过多的燃料，卫星“折寿”了，但它毕竟还可以工作5年，变轨发动机拯救了一颗卫星！
（未完待续）
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