运载火箭
1970年4月24日,长征1号火箭成功地发射了我国第一颗人造地球卫星——东方红一号,使我国成为世界上第5个能独立发射卫星的国家。1974年开始使用长征2号火箭,用作我国可回收的往返型遥感卫星的运载工具。自 1975年以来,先后8次成功地发射并回收了科学探测和技术试验卫星,获得了许多遥感资料和其它空间探测数据。1984年和1986年,长征3号火箭分别将两颗通信卫星送入距地球表面36000公里的静止轨道上。使我国继美、俄、西欧、日本之后,跨入了具有发射地球静止卫星能力国家的行列。长征系列火箭是我国独立自主、自力更生发展起来的系列航天运载火箭。实践和多次发射证明其设计先进,技术性能稳定可靠,于1987年初我国正式宣布: 中国愿向国际用户出租整个可回收的科学探测和技术实验卫星,供他们装载试验仪器和进行科学实验,正式打入国际航天发射火箭的市场。
火箭有巨大的推力,主要来自它的心脏——发动机。我们知道,在火箭没有出现前,一切形式的发动机 (如螺旋浆发动机和喷气式发动机),都离不开空气,必须靠空气中的氧气来保证燃料燃烧。但火箭是在空气稀薄的高空或无空气的宇宙空间中飞行。因此,它不但带有燃料,而且还带有氧化剂。目前燃料多半用液体的,如煤油、酒精、液氢等。还有高能液体燃料,如液氧和煤油、四氧化二氮和偏二甲肼等混合起来使用。近来,又进一步发展新型固体燃料。氧化剂通常用纯氧或硝酸等。为了缩小它的体积,便于携带,必须把氧从通常的气体状态压缩成液体状态。火箭开始发动时,燃料在燃烧室里燃烧,产生了很高的压力,所以燃料和氧化剂分别从贮藏箱进入燃烧室,必须由输送泵用更高的压力把它们喷进燃烧室。燃料燃烧时产生高温气体,成为一股高压的燃气流,从喷管高速喷射出来。当高速气流朝后喷出的时候,就对火箭本身产生一种与气流喷出方向相反的强大的向前的反冲力。这就是火箭的推动力。
为了摆脱地球的引力,一定要靠火箭的升力,使它所装的飞行器达到第一宇宙速度 (每秒7.9公里),才能成为地球人造卫星。一般来说,单级火箭无法达到这么高的速度,既便有这么高的速度,卫星也不可能安然无恙。因为这样快地急剧上升,由于空气的摩擦,火箭将热得发光,温度会立即达到5000℃以上,把它燃烧成灰。因此采用多级火箭的好处是,随着燃料的消耗,把空下来的船舱逐级丢掉,减轻飞行途中的重量,使火箭速度加快遵循一个由慢到快的加速过程,到末级便大大提高飞行速度,到达每秒7.9公里第一宇宙速度。根据齐奥尔科夫斯基提出的原理,火箭的特征速度可以由各级子火箭的速度增量迭加而成。因此早期都采用纵向加级的办法可增加火箭的速度,改善运载火箭的总体性能,提高运载能力。我国的长征1号和3号都是三级火箭,长征2号是二级火箭。为了探索太阳系或其它星际世界,需要更高的速度,达到第二宇宙速度 (每秒11.2公里),可成为围绕太阳运动的人造行星; 达到第三宇宙速度 (每秒16.6公里),就可脱离太阳系,进入其它星系。要达到这么高的速度和大幅度提高运载能力,目前世界上都采用横向捆绑助推器技术,即不增加全箭轴向长度的情况下,在第一级横向捆绑助推器,起飞时该助推器与第一级在地面同时工作,以提高运载火箭第一级熄火时的末速度来达到此目的。世界上采用捆绑技术的运载火箭共有10余种,包括美国德尔仑、大力神火箭; 前苏联的联盟号和质子号火箭; 日本的N—1、N—2型火箭,以及西欧的阿里安号火箭。除前苏联采用液体燃料的助推器外,其它国家都采用固体燃料捆绑技术。美国航天飞机的发射成功,标志了80年代固体助推器与捆绑技术的新水平。其固体燃料助推器长45米直径3.7米,重587吨。工作时间125秒,是当前世界上最大的固体助推器。进一步发展方向是能使助推器回收,保证航天飞机成本降低,这必将促使捆绑技术向更深、更广的范围发展。
由于航天飞机的发射、飞行成功,作为运载火箭来讲,受到了严峻的挑战。因为它只能一次性使用,成本昂贵。目前除掉军事应用外,考虑到很多国家受到技术和财力限制,难以制成大型运载工具,因而形成了一个以发射卫星为主的国际航天发射市场。这个市场以其营业额大、赢利高而具有吸引力。不仅一些不具发射能力的国家,而且一些发达国家也愿意在航天市场上成为客户。除此之外,目前航天飞机的运载能力还远不如火箭的威力,可以说,运载火箭技术还将不断向前发展。