毛新愿

歡迎大家來到毛老師的火箭基地！今天我要為大家介紹很多火箭知識(shí)以及火箭家族，你們準(zhǔn)備好了嗎？！首先我們來聊一聊火箭的歷史。

據(jù)《三國志·魏略》記載，公元228年，蜀國的軍隊(duì)攻打陳倉，魏國守將郝昭用火箭逆射云梯，云梯發(fā)生燃燒，結(jié)果燒死云梯上的蜀兵。這是“火箭”一詞第一次出現(xiàn)在我國史籍中。不過，彼時(shí)的火箭是縱火箭，就是在箭桿上綁上柴草、棉布，然后澆上油，點(diǎn)燃，射出擊縱火，達(dá)到燒傷敵軍的目的。火藥發(fā)明之后，火箭發(fā)展成了“火藥箭”。北宋時(shí)期，火藥箭得到廣泛應(yīng)用，1044年的《武經(jīng)總要》記載了“弓弩火藥箭”與“火藥鞭箭”兩種火藥箭。

北宋宣和年問（1119 -1125），作為現(xiàn)代火箭先聲的反沖式火箭出現(xiàn)。7767年，宋金采石之戰(zhàn)中，宋軍將利用反作用原理的軍用火箭（霹靂砣）投入實(shí)戰(zhàn)。除此之外，明代史書上還記載了軍用火箭“神火色鴉”隊(duì)及專用于水戰(zhàn)的“火龍出水”。可以說，火箭誕生于中國，又在世界各地開花結(jié)果，形成一個(gè)個(gè)火箭家族?；鸺幕驹?/p>

火箭的發(fā)明當(dāng)然要感謝我國古代的發(fā)明家，但火箭的發(fā)展更離不開后世那些做出理論貢獻(xiàn)的科學(xué)家，比如牛頓和齊奧爾科夫斯基。下面我們就來看看他們?yōu)榛鸺陌l(fā)展貢獻(xiàn)了哪些經(jīng)典理論！

1 慣性原理

牛頓的慣性原理描述的是：“所有物體都將一直處于靜止或者勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到施加其上的力改變它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止。”也就是說，如果沒有外力作用的話，原本靜止的物體會(huì)一直靜止下去，原本運(yùn)動(dòng)著的物體會(huì)一直做勻速直線運(yùn)動(dòng)。所以，一枚造好的火箭架在發(fā)射塔上，如果我們不給它施加外力的話，它就動(dòng)不起來。所以，我們想要火箭飛起來，一定要對(duì)它施加一個(gè)力。

2“F=ma”

看，這個(gè)公式又叫牛頓第二定律，它告訴我們，如果一旦有外力作用于物體，物體不僅會(huì)動(dòng)起來，而且還會(huì)產(chǎn)生加速度。什么叫加速度呢？簡(jiǎn)單來說就是物體越跑越快。為什么火箭需要加速度呢？這很明顯，因?yàn)榈厍驅(qū)ξ矬w存在引力，那么我們必須使火箭達(dá)到一定的速度它才能“逃離”地球，這個(gè)逃離的速度就叫作逃逸速度。如此說來，就必須要有一定大的力作用在火箭上，產(chǎn)生一定的加速度，使火箭逐漸加速，才有可能飛離地球進(jìn)入太空。當(dāng)然，火箭的質(zhì)量越大，需要的推力就越大。

3 作用力與反作用力

按照前兩條定律，我們要給火箭施加足夠的力，才能使它飛上天。但是我們知道“力”不是憑空產(chǎn)生的，它一定是有一個(gè)事物推動(dòng)，而且這個(gè)事物對(duì)火箭施加一個(gè)力，同時(shí)它也會(huì)受到火箭給它的反作用力。所以，這個(gè)力不能只是推一下火箭，而必須讓它持續(xù)地作用，產(chǎn)生持續(xù)的推力，火箭才能持續(xù)地加速，最終離開地球。目前，我們使用的方式就是噴燃?xì)狻．?dāng)大量的熱量伴隨著燃?xì)鈴幕鸺膊繃姵龅臅r(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極大的力，且速度極快，這時(shí)這個(gè)力就會(huì)反推著火箭前進(jìn)了。

從這個(gè)公式中，我們可以了解到：公式左側(cè)是火箭的最終速度與初始速度之間的差值，其中初始速度一般來自地球自轉(zhuǎn)給予火箭的速度，右側(cè)是燃?xì)怆x開火箭的速度和對(duì)數(shù)公式里火箭初始質(zhì)量與最終質(zhì)量的對(duì)比。由于逃離地球所需的速度是固定的7.9千米/秒，公式左側(cè)必須達(dá)到這個(gè)值，且公式右側(cè)某種燃料的燃?xì)怆x開火箭速度（Ve）也是一定的，大約是每秒幾千米。因此火箭初始質(zhì)量與最終質(zhì)量的對(duì)比就是有極限的，而且初始質(zhì)量越大需要的燃料箱質(zhì)量和支撐結(jié)構(gòu)質(zhì)量就越大，最終能夠送上天空的有效質(zhì)量就大打折扣，更何況是對(duì)數(shù)關(guān)系，也就是說，即使把地球當(dāng)作一個(gè)大的燃料箱，把火箭發(fā)射出去，火箭逃出地球時(shí)的最終質(zhì)量都不能超過一定的極限。而目前人類使用的幾乎都是化學(xué)燃料火箭，它的燃?xì)馑俣忍停瑢?dǎo)致初始質(zhì)量和最終質(zhì)量的比例需要特別大才能滿足飛出地球的條件。比如中國的長征五號(hào)火箭，重達(dá)880噸，但只能運(yùn)輸25噸載荷離開地球，效率僅有2.8%。因此，如果人類要進(jìn)行太空移民，就必須得研究出除化學(xué)火箭之外的新型火箭。

現(xiàn)代火箭的先驅(qū)

火箭要上天，沒有理論支撐就飛不高，但光有理論沒有實(shí)踐也是無法成功的。所以，除了牛頓、齊奧爾科夫斯基這樣的理論家，火箭的發(fā)展還離不開勇于實(shí)踐的工程師們。

羅伯特.戈達(dá)德（1882-1945）

●第一枚液體火箭的制造者。

●戈達(dá)德一生共有214項(xiàng)發(fā)明專利，其中，多級(jí)火箭和液體燃料火箭是航天領(lǐng)域里程碑式的兩項(xiàng)發(fā)明。

●1919年，戈達(dá)德發(fā)表的專著《達(dá)到極端高度的方法》被認(rèn)為是20世紀(jì)火箭科學(xué)的經(jīng)典著作之一。

謝爾蓋.帕夫洛維奇.科羅摩夫（1907-1966）

●第一枚射程超過8 000千米的洲際火箭設(shè)計(jì)者。

●第一顆人造地球衛(wèi)星運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)者。

●第一艘載人航天飛船的總設(shè)計(jì)師。

韋納.馮.布勞恩（1912-1977）

●德國V-2火箭的總設(shè)計(jì)師。

●1969年，他領(lǐng)導(dǎo)研制的土星5號(hào)運(yùn)載火箭將第一艘載人登月飛船“阿波羅11號(hào)”送上了月球。

●1981年首次試飛成功的航天飛機(jī)也有布勞恩的功勞。

火箭的結(jié)構(gòu)

前文講到火箭的初始質(zhì)量和最終質(zhì)量之比非常重要，但火箭初始質(zhì)量越大用來裝燃料的燃料箱、殼體就越大，如果一直帶著它們飛就會(huì)徒然消耗很多能量。因此，幾乎所有的火箭都會(huì)設(shè)計(jì)成多級(jí)：當(dāng)一級(jí)中的燃料燃燒掉之后，就迅速扔掉發(fā)動(dòng)機(jī)、殼體和燃料箱等，減輕負(fù)重。火箭一邊飛一邊扔，而衛(wèi)星則穩(wěn)居最上部。整流罩是用來保護(hù)衛(wèi)星免受大氣沖擊的結(jié)構(gòu)，當(dāng)火箭飛出大氣層后（100千米左右），它也要被扔掉，以便及時(shí)“減負(fù)”。

火箭的燃料

火箭身上最重的就是燃料，它占據(jù)了90%左右的質(zhì)量，可以說燃料決定了火箭的異同，接下來我們就來好好介紹一下火箭的燃料。

大家知道蠟燭為什么能燃燒Ⅱ馬？這是因?yàn)橄灎T滿足了燃燒的兩個(gè)條件：氧化劑和還原劑。對(duì)于蠟燭來說氧化劑就是氧氣，還原劑就是蠟燭這種燃料本身。蠟燭在空氣中燃燒會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，二氧化碳和周邊空氣被加熱，就會(huì)加速逃離蠟燭（燃料）?；鸺彩抢孟嗤脑恚貉趸瘎┖瓦€原劑在火箭底部相遇后劇烈燃燒，產(chǎn)生的巨大熱量將燃燒產(chǎn)生的燃?xì)庋杆偻瞥?，它們從火箭底部加速逃離時(shí)就產(chǎn)生了推力。大家想想氣球被扎破時(shí)，漏出的氣體是不是也會(huì)推著氣球到處飛？！

當(dāng)然火箭想要進(jìn)入太空，燃料的使用是很有講究的，專業(yè)術(shù)語稱其為“推進(jìn)劑”?，F(xiàn)代火箭主要使用四種推進(jìn)劑：固體推進(jìn)劑、液氧煤油推進(jìn)劑、液氧液氫推進(jìn)劑以及四氧化二氮一肼類推進(jìn)劑。下面我們來看看這四種推進(jìn)劑都有什么特點(diǎn)吧！

關(guān)于推進(jìn)劑，大家要知道一些基本原則：第一，推進(jìn)劑的體積越小越好；第二，推進(jìn)劑能夠存儲(chǔ)越久越好；第三，發(fā)動(dòng)機(jī)越簡(jiǎn)單越好；最后，比沖就是單位質(zhì)量的燃料產(chǎn)生的推進(jìn)能力或速度改變量，所以它越大越好。

現(xiàn)在我們先來看看固體推進(jìn)劑，這種推進(jìn)劑因?yàn)槊芏群艽?，所以體積相應(yīng)的就很小，而且這種推進(jìn)劑做好后，只要儲(chǔ)存環(huán)境沒有太大變化，它的儲(chǔ)存時(shí)間是非常久的。但是固體推進(jìn)劑的問題是，一旦點(diǎn)燃，就很難令其停下來，無法像液體推進(jìn)劑一樣可以通過開關(guān)控制推力的變化，所以固體推進(jìn)劑很難控制。綜合這些特點(diǎn)，固體推進(jìn)劑被大量運(yùn)用于導(dǎo)彈以及大型火箭的助推器。

在其余三種推進(jìn)劑中，液氧和四氧化二氮都是氧化劑，煤油、液氫以及肼類都是還原劑。將這三種推進(jìn)劑進(jìn)行比較，液氧液氫的體積極大，而且液氧和液氫需要分別儲(chǔ)存在大約零下183℃和零下252℃的環(huán)境中（這也是為什么我國使用了這兩種燃料的長征五號(hào)被叫作“冰箭”的原因），所以這種推進(jìn)劑可以說極難儲(chǔ)存。通常使用液氧液氫做推進(jìn)劑的火箭在發(fā)射的前幾個(gè)小時(shí)才能灌注燃料。但是液氧液氫的好處是，它的比沖是最高的，能力是最強(qiáng)的，也是目前世界上應(yīng)用最難、最體現(xiàn)航天技術(shù)的火箭燃料。再來看看液氧煤油，因?yàn)檫@種推進(jìn)劑中含有大量的碳，在超高溫下，它會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)上形成積碳，很難清除。所以，使用液氧煤油做推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)很難回收，除非使用一些特制的低硫、更加純凈的煤油，降低積碳效應(yīng)。最后，因?yàn)樗难趸浑骂愡@種推進(jìn)劑有劇毒，所以一旦發(fā)生泄漏，泄漏發(fā)生地將會(huì)寸草不生。目前，各國正在逐步淘汰這種燃料。

世界火箭家族

現(xiàn)在，我們先來看看蘇聯(lián)/俄羅斯有哪些了不起的火箭

大冢知道嗎，蘇聯(lián)人給火箭取名字的方式十分簡(jiǎn)單，這支火箭運(yùn)送什么上天，他們就把這支火箭以這個(gè)“貨物”的名字命名。比如，運(yùn)送衛(wèi)星號(hào)上天的火箭就被稱作衛(wèi)星號(hào)火箭，運(yùn)送聯(lián)盟號(hào)飛船上天的火箭就被稱為聯(lián)盟號(hào)火箭。

蘇聯(lián)最著名的火箭，也是至今應(yīng)用最多的當(dāng)屬由R7洲際導(dǎo)彈改良而來的聯(lián)盟號(hào)火箭（Soyuz）了。這型火箭現(xiàn)在是用于運(yùn)送聯(lián)盟號(hào)飛船進(jìn)入國際空間站的唯一選擇。作為科羅廖夫的成名作，從1966年首飛成功以來，五十多年了，它依然是絕對(duì)的主流。

蘇聯(lián)還有一位專家名叫切洛梅，他所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)制造了UD-X系列火箭家庭，因其第一次發(fā)射了一顆質(zhì)子1號(hào)衛(wèi)星，所以這型火箭從此就叫作質(zhì)子號(hào)了。目前，這個(gè)系列的火箭也是俄羅斯的主力火箭。但是，比起科羅廖夫制造的液氧液氫火箭，質(zhì)子號(hào)使用的推進(jìn)劑是四氧化二氮一偏二甲肼。

安加拉火箭是俄羅斯最新一代火箭，其名字來源于俄羅斯的安加拉河。這型火箭采用液氧煤油推進(jìn)劑，目標(biāo)就是替代質(zhì)子號(hào)。這型火箭已于2014年制造成功，未來這型火箭還要發(fā)展成龐大的火箭家族，成為俄羅斯的航天主力。

接下來我們看看美國的火箭家庭。

現(xiàn)在大家看到這型火箭就是著名的德爾塔運(yùn)載火箭，它又名三角洲，是美國目前最主流的火箭。德爾塔運(yùn)載火箭是由美國第一枚戰(zhàn)略導(dǎo)彈“雷神”改裝而來。因?yàn)椤袄咨瘛笔嵌嗉?jí)導(dǎo)彈，按照希臘語排序方式，第四級(jí)被叫作“德爾塔”。后來，美國人在“雷神”第四級(jí)的基礎(chǔ)上發(fā)展出火箭，于是這型火箭就被命名為德爾塔了。德爾塔運(yùn)載火箭外形特別粗壯，因?yàn)樗褂玫囊貉跻簹渫七M(jìn)劑體積很大。我們之前已經(jīng)講過，液氧液氫推進(jìn)劑的好處是比沖大，推進(jìn)效率很高，但代價(jià)是體積也很大。

講美國火箭，如果不講土星5號(hào)那就太說不過去了！土星5號(hào)是馮·布勞恩的得意之作，也是人類史上最強(qiáng)大的火箭，它的起飛重量是3 000噸，它可以將130—150噸的載荷推到近地軌道，還可以將45噸左右的載荷推到月球轉(zhuǎn)移軌道。它的特點(diǎn)在于：下面一級(jí)運(yùn)用液氧煤油推進(jìn)劑，上面一級(jí)運(yùn)用液氧液氫推進(jìn)劑。另外，它的發(fā)動(dòng)機(jī)十分強(qiáng)大。火箭整體非常穩(wěn)定，是全世界目前唯一一型載人登月火箭。后來，隨著航天飛機(jī)的運(yùn)用，土星5號(hào)逐步退出了歷史舞臺(tái)，目前僅剩3枚保存在博物館中。

現(xiàn)在美國主流的三種火箭是：德爾塔、宇宙神以及獵鷹系列火箭。宇宙神（Atlas）就是美國在德爾塔發(fā)展到一定程度之后，研制的新一代主力火箭。這個(gè)系列的火箭主要使用的是液氧液氫和液氧煤油推進(jìn)劑。2002年起，宇宙神開始服役。

在進(jìn)入新世紀(jì)之后，美國開始注重扶植私營航天，這就誕生了如今炙手可熱的私營航天公司——美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）。2008年，SpaceX制造的獵鷹系列火箭發(fā)射成功。這個(gè)系列的火箭使用的是液氧煤油推進(jìn)劑，但SpaceX也在不斷開發(fā)新型燃料，研制一些重型火箭。2018年2月7日，他們研制的未來打算比肩土星5號(hào)的重型獵鷹運(yùn)載火箭成功發(fā)射，并完成了部分箭體的回收。作為一個(gè)以盈利為目的的私營航天公司，SpaceX的火箭相較于“德爾塔”和“宇宙神”要便宜很多。2016年4月9日，SpaceX成功在大西洋上回收了獵鷹9號(hào)一級(jí)火箭。2017年3月30日，SpaceX成功將“回收”的獵鷹9號(hào)火箭再次送入太空，并在無人船上成功回收。SpaceX的首席執(zhí)行官伊隆·馬斯克曾說：“每次發(fā)射后扔掉火箭與多次重復(fù)使用它們是完全不同的，制造新火箭成本巨大，成功發(fā)射和回收它們將會(huì)改變一切。”目前，一枚嶄新獵鷹9號(hào)火箭的價(jià)格約為6000萬美元，但回收過的二手火箭的價(jià)格就變成七折左右，非常具有競(jìng)爭(zhēng)力。

大家知道火箭身上什么最值錢嗎？前面講了很多關(guān)于推進(jìn)劑的事，你可能會(huì)認(rèn)為最貴的是推進(jìn)劑。其實(shí)不然，推進(jìn)劑雖然最重，但費(fèi)用只占火箭成本的2%，而火箭97%的費(fèi)用都花在發(fā)動(dòng)機(jī)和殼體上?；鸺患?jí)中就包含發(fā)動(dòng)機(jī)和殼體，可以說火箭一級(jí)的費(fèi)用能夠達(dá)到總成本的一半以上。所以，能夠回收這部分再利用，就能大大降低火箭的發(fā)射成本。就像很多人所說，SpaceX完成了火箭回收任務(wù)，標(biāo)志著人類向廉價(jià)太空時(shí)代又邁進(jìn)了一步。