走进火箭王国

人类自古以来就有飞天的梦想，但在生产力落后的时代，由于无法挣脱地球引力的樊篱，致使这个良好愿望一直无法实现。只有到了科学技术高度发展的20世纪，才将这一强烈追求逐渐变为现实。先是航空，使人类进入了大气层飞行；后是航天，使人类进入了太空飞行。这标志着人类的活动范围已从陆地和海洋扩展到大气层和宇宙空间。

正因为如此，陆地、海洋、大气层和宇宙空间被分别定义为人类的第一、第二、第三和第四环境。显而易见，人类的第四环境，是地球稠密大气层以外广袤无垠的区域，它是没有上限的。

要飞入太空，飞行器必须依靠本身具有的速度挣脱地球或太阳的强大引力，才能在极高真空的宇宙空间飞行。而要把飞行器送入太空，首先要研制具有巨大推力的运载火箭。

中国人发明了原始火箭

自从1957年10月4日世界上第一颗人造地球卫星升空以来，航天技术得到了突飞猛进的发展，成为20世纪中叶以来人类认识和改造自然进程中最活跃、最有影响的科学技术领域。这其中的决定因素，就是由于现代运载火箭的出现和不断改进。

值得骄傲的是，原始火箭是中国人发明的。它的出现与中国四大发明之一火药的问世是分不开的。唐朝初期孙思邈发明了火药，随着火药配方的改进，公元12世纪初研制成功了固体火药，并用于制造火器和焰火烟花。

在手持使用这些火器与烟花时，人们感到火药燃烧会产生很强的后座力，于是发明了新的火药玩具，于12世纪末出现的“穿天猴”就是真正意义上利用反作用原理的火箭。

将这种原理的火箭作为武器使用具有相当大的杀伤力，在战争中开始频繁地使用。

公元1161年11月，崛起于东北地区的金国侵略中原时，南宋军队第一次使用了“霹雳炮”重挫金军，这是人类历史上首次在战场上使用火箭武器。连年交战使火箭技术逐渐被金军和蒙古军所掌握，他们很注重制造火药武器，使火药的燃烧速度和爆炸力不断增强。13世纪蒙古军在先后三次的大举西征中，使用的火箭已有多箭齐发的火箭筒。这种集束式火箭发挥了巨大威力，使欧洲人大为吃惊。同时，阿拉伯人和印度人也从中掌握了火药和火箭技术，并将其传入西方。

明朝时期，中国出现了更多种类的火箭，除了单级火箭、各种集束式火箭，还发展了火箭弹和原始的多级火箭，并且对各种火箭的原料配比、加工制造、应用配备和发射操作都作了详细记叙。在当时的水、步、骑兵中，火箭已作为必备武器，甚至还有专门的火箭部队。这种火药火箭，以火药燃烧物向后喷出从而产生向前飞行的推力为动力，是一种极具实用价值的反作用推进装置。

勤劳勇敢的中华民族不但发明了火箭，还最早使用多级串连和捆绑并联技术，以提高火箭的运载能力。明代《史记》中记载的 “神火飞鸦”就是并联技术的体现；“火龙出水”就是串连、并联综合技术的具体运用。

“神火飞鸦”外型如乌鸦，用细竹或芦苇编成，内部填充火药，鸦身两侧各装两支“起火”，“起火”的药筒底部和鸦身内的火药用药线相连。作战时，用“起火”的推力将飞鸦射至330米外，飞鸦落地时内部装的火药被点燃爆炸。爆炸时的飞鸦宛如今日的火箭弹。

“火龙出水”是我国古代水陆两用的火箭。龙头下面和龙尾两侧，各装一个500克重的火药桶，将四个火箭引信汇总一起，并与火龙腹内火箭引信相连。水战时，面对敌舰，在离水面1米多处，点燃安装在火龙体外的四支火药筒——并联火箭，火龙就能飞行1—1.5千米远。待其燃烧完毕，就自动引燃火龙腹内火箭—— 串连火箭。这时，从龙口里先后射出数只火箭，直达目标，致使敌船烧毁。明军在抗倭援朝战争中曾用此武器摧毁许多日军战舰。

小贴士：为什么原始火箭是现代火箭的雏形？

原始火箭已经具有现代火箭的系统结构：战斗部即箭头，推进系统即火药筒，稳定系统即尾部羽毛，箭体结构即箭杆，完全是现代火箭的雏形。由于火箭不依赖空气工作，因此可发展成能冲出大气层并在太空中飞行的动力装置。古代火箭的基本工作原理沿袭至今。

谁是现代火箭技术的缔造者？

20世纪初期，俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基、美国科学家罗伯特·戈达德和德国科学家赫尔曼·奥伯特，相继提出利用火箭能够开展航天活动的基本理论，从而奠定了现代火箭问世的基础。他们三人因此被称为现代航天学的奠基人和先驱者。

齐奥尔科夫斯基最先从理论上证明了多级火箭可以克服地球引力进入太空飞行，并建立了火箭运动的基本数学方程式。同时，他还肯定了液体火箭发动机是航天器最适宜的动力装置，为运载工具的发展指出了方向。

他有一句名言：“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。”

戈达德曾于1926年3月16日成功地点燃了历史上第一枚液体火箭，成为液体火箭的实际创始人。1935年他试验的火箭以超音速飞行，最大射程约20千米。戈达德一生获得212项火箭研究方面的专利，为火箭事业做出了重大贡献。液体燃料火箭的出现，为航天推进器的实现提供了技术保证，经过不断研究和试验，火箭作为太空飞行的推进装置逐渐得到证实，最终为人类通向太空架起了桥梁。

奥伯特的经典著作《通向航天之路》，对早期火箭技术的发展有较大影响。到了20世纪40年代，纳粹德国出于战争的需要，大大加快了火箭的发展及其军用步伐，并于1942年10月3日成功进行了A-4火箭的发射试验，后更名为V-2火箭，并投入作战使用。V-2是单级液体火箭，推进剂为液氧和酒精，推力达26.5吨，最大射程320千米。它虽未能挽救希特勒彻底覆灭的命运，但对现代大型火箭的发展起到了继往开来的作用。

德国战败后，美国和苏联分别缴获了V-2火箭实物、部分科研人员与设备资料，为各自后来迅速发展火箭技术创造了有利条件。世界上发射航天器的现代运载火箭，也是这两个国家首先研制出来的。

火箭的级数与速度

运载火箭只有使航天器达到一定速度，才算完成发射任务。根据航天器遨游太空的区域不同，这个速度亦有大小不同的区别。科学家们将其分别称为第一、第二、第三宇宙速度。

第一宇宙速度V1=7.9千米/秒，是人造航天器在太空沿地球表面作圆周运动时必须具备的速度，也叫环绕速度。第二宇宙速度V2=11.2千米/秒，是人造航天器脱离地球引力场，围绕太阳运行必须具备的速度，亦称逃逸速度。第三宇宙速度V3=16.7千米/秒，是从地面发射人造航天器，飞出太阳系到银河系漫游所需要的最小速度。

就现代火箭发动机的性能和结构水平来说，单级火箭所能达到的飞行速度不超过每秒6千米，还不能把航天器送上太空。为了达到和超越第一宇宙速度，就需用多级火箭。

用于发射人造卫星、载人飞船、空间站舱段和空间探测器等航天器的运载工具都是多级火箭。

多级火箭由两级以上的火箭组成，每级火箭都可独立工作。随着级数的增加，运载火箭变得更为复杂，致使其可靠性下降，因此常用的运载火箭多为2—4级。

发射载人航天器的火箭，对其可靠性要求更高，一般为2—2.5级。所谓2.5级火箭，就是在两级串联火箭的第一级周围再捆绑几个助推器，以增加起飞推力。进行发射时，助推器虽然和第一级火箭基本上同时点火，但其先工作完毕并脱离，故称为半级火箭。

我国已研制成功并使用了15种系列运载火箭，共进行了159次发射，成功率达90%以上，居于世界一流水平。

发射航天器时，垂直竖立在发射架旁的多级运载火箭，点火后逐级工作、熄火并被抛掉，每一级都使火箭的飞行速度增加一个数值，直到末级火箭脱离，将有效载荷增至所需速度并送入预定轨道运行为止。值得指出的是，人类研制的多种运载火箭，已分别成功发射了具有不同宇宙速度的近7000个航天器。

名目繁多的现代火箭

现代火箭顶端装载不同，用途也不同。当火箭顶端装载航天器时，就被称为运载火箭；当火箭顶端装载战斗部时，就称为导弹；当火箭顶端仪器舱内装载探空装置，用来探测大气层有关参数时，就一并称为探空火箭。

火箭按照有无控制，可分为无控火箭和有控火箭。航天活动和导弹都使用有控火箭。按照能源种类，可分为化学能火箭、电火箭、核火箭、太阳能火箭和光子火箭。

化学能火箭就是依靠自身携带的燃料即燃烧剂和氧化剂的化学反应释放热能工作的火箭。它又可分为固体、液体、固液混合三种类型的火箭，是目前使用最多的航天动力装置。电火箭、核火箭和太阳能火箭又统称为非化学能火箭。个别的电火箭和核火箭已在航天器上使用。太阳能火箭尚处于研制阶段。至于光子火箭，也属于非化学能火箭，目前仍处于探索阶段。

用于航天发射的运载火箭，都是由箭体结构、动力装置、飞行控制系统、有效载荷舱和电源构成的。迄今，各国已经和正在使用的运载火箭主要有：俄罗斯的东方号、上升号、联盟号、质子号、宇宙号、天顶号和能源号；美国的雷神系列、宇宙神系列、德尔塔系列、大力神系列、土星号系列；中国的长征号系列；欧洲空间局的欧里安系列；日本的H-1系列、H-2系列等。

火箭推力的比拼

在已经问世的所有火箭中，以美国土星号系列火箭中发射阿波罗号载人登月飞船的土星5号推力最大。

我国也在研制新一代名为长征五号、长征六号和长征七号的运载火箭，将形成高、低轨道火箭系列。其中，长征五号火箭地球同步转移轨道最高运载能力将达到14吨，近地轨道最高运载能力将达到25吨。这三种运载火箭有望在未来五年实现首飞。

长征五号火箭通过多种组合形成不同的构型。

优点突出的冷火箭

包括我国在内的各国新一代大推力运载火箭都是以液氢、液氧和煤油、液氧等液体为推进剂的。由于液氢沸点为零下253 C，液氧沸点为零下183 C，其极低的温度给生产、贮存、运输和使用帯来众多技术难题，但因其单位质量所产生的推力值即比冲较高，燃烧后的生成物是无毒无污染的水蒸气，故被世界各国视为一种重要的推进剂而采用，并将这种火箭称为低温高能运载火箭，简称为冷火箭。

我国是世界上第三个掌握氢氧火箭发动机技术的国家，长征三号火箭及长征三号甲系列火箭的第三级釆用的就是这种发动机。

新一代运载火箭将使氢氧发动机大型化，并保证其质量稳定和尽量降低制造成本，新研制的煤油、液氧发动机，使我国航天发射经济性好、竞争力强的优点更为突出。研制工作遵循“一个系列、两种发动机、三个模块”的总体思路，贯彻“通用化、组合化、系列化”的设计思想，通过模块化组合方式，可以形成包括5米直径大型运载火箭、3.35米直径中型运载火箭和小型运载火箭在内的火箭系列。

“十二五”期间，我国还要开展重型运载火箭的论证，其最大运载能力要略高于土星5号火箭，将达130吨，以满足后续载人登月、深空探测等发射任务的需求。

该项目需要攻克大量先进技术，例如大推力发动机技术、大直径箭体设计与制造技术、高精度制导、低温推进剂在轨管理等技术，在极大带动航天技术水平跃升的同时，还辐射带动国家基础工业、科学技术和民用产业的技术进步、能力升级，促进国民经济发展。

小贴士：世界上著名的航天发射场

位于哈萨克斯坦境内被俄罗斯租用的拜科努尔发射场，俄罗斯的普列谢茨克发射场、卡普斯丁亚尔发射场，美国的肯尼迪航天中心和范登堡发射场，中国的酒泉、西

昌、太原三个卫星发射中心，欧空局的法属圭亚那航天中心，日本的种子岛和鹿儿岛两

个航天中心等。

另外，我国正在建设海南省文昌航天发射中心，俄罗斯已开始在远东阿穆尔卅建设东方航天发射场。

火箭发射事故由哪些原因造成

一枚十分复杂的运载火箭，是由几十万个零件组成的。一般来说，组成机器的零件越多，可靠性越低。因此，尽管对火箭的研制生产要求和把关特别严格，但仍然避免不了事故的发生。

1960年10月23日，前苏联用SL-6火箭发射金星探测器时，发动机未按指令点火。按照规定应在泄掉燃料后，才能接近火箭查找原因。但当时国家领导人赫鲁晓夫正在纽约参加联合国大会，出于政治上的考虑，执行发射任务的导弹部队司令涅杰林元帅，未泄燃料即令工作台接近火箭，让几十名专家和工程师查找故障缘由。正在检查过程中，发动机突然喷火，由于工作台的阻挡，火箭无法升空，结果发生爆炸，造成涅杰林和近百名科学家与军人丧生。

1986年1月28日，美国“挑战者”号航天飞机从肯尼迪航天中心发射进行第10次飞行时，开始一切正常，不料升空73秒后，突然发生爆炸，出现了机毁人亡的悲惨景象，致使七名航天员全部遇难。

经调查分析，事故是由机体右侧固体火箭助推器连接处的合成橡胶“o型”密封圈失效引起的。这个密封圈因设计上存在缺陷和当日气温过低，未能起到密封作用，使连接处出现裂缝，让固体推进剂燃烧的火焰漏射出来，加热了液氢液氧贮箱，结果引起剧烈爆炸，航天飞机瞬间被炸成碎片，造成了空前悲剧。

1990年2月22日，欧里安火箭进行第36次发射时，一名工作人员不慎将一块擦拭布遗留在一级火箭发动机的水循环系统中，堵塞了管道，结果引起火箭爆炸。

1992年3月22日，我国用长征二号E火箭从西昌发射澳大利亚通信卫星时，由于点

火控制器中零点几毫克金属屑引起电路短路，使火箭发动机熄火，未能腾空。这点金

属屑是在拧紧点火控制器的螺帽时，从螺钉上旋削下来的。这次事故，虽然星箭无毁，但仍被高度重视，航天系统从此开始将每年的3月22日定为航天质量日。

2003年11月29日13点33分，日本用Ｈ—2Ａ运载火箭从种子岛宇宙中心起飞发射两颗间谍卫星时，升空至13点43分53秒，在第二级火箭发动机点火之前，发射现场的指挥人员确认火箭已无法完成使命，于是下达了引爆指令，火箭爆炸，星箭俱毁。

尽管如此，与其他交通工具和机器相比，火箭发射事故率仍是最低的。统计表明，

在100个汽车、机床、飞机、火箭中，平均有2.5辆汽车发生事故，事故率最高；其次是机床，事故率为2.4％；再次是飞机，事故率为2.21％；火箭事故率最低，为0.9％。

光子火箭让“天上方一日，世上已千年”

按照我国航天事业奠基人、著名科学家钱学森的见解，人类在太阳系内的活动称为航天，而到太阳系外的活动则称为航宇。由于银河系恒星之间距离遥远，如有地外智慧生物又被发现，人类要去探视他们，目前使用的火箭推动技术就显得速度太慢了，必须采用光子火箭作动力、以接近光速的速度飞行才能实现。

光子火箭是建立在正物质与反物质相遇时会立即发生质量湮灭并产生大量光子流的原理上的。

目前仍处于探索阶段的光子火箭技术，虽然理论上可行，但是诸如如何获取大量反物质和怎样贮存它们等问题尚无法解决。只有等到科学家们攻克了这些难关之后，光子火箭才能在工程层面上予以实现，并被用作开展恒星际间载人航行的动力装置，实现人类对地外文明直接进行访问的愿望。

光子火箭的问世将会创造出出乎人们意料的奇迹。当航宇员乘坐以光子火箭推进的载人飞船在广袤无垠的太空航行时，由于飞船速度接近或达到光速，其飞行时间和地面上生活的人们的时间长短就不一样了，两者的计时值会出现巨大差异。这是爱因斯坦的相对论揭示的时间也有相对性、时间随速度变化而改变给出的答案。好在速度越高时间就变得越慢，不然的话，人类探视遥远的地外智慧生物的夙愿就只能停留在想象中了。

相对论揭示时间的相对性，在未来的恒星际航行中会引发怎样的神奇情况呢？我们可用新发现的类地行星作为设想的一个具体实例来说明。2011年12月5日，美国航宇局宣布，该局通过开普勒太空望远镜，在太阳系外发现了第一颗最小类似地球的、可适合居住的行星开普勒-22b。假如今后在开普勒-22b行星上发现了高级智慧生物，人类派出两名航宇员乘坐以光子火箭推进的飞船去探访，情况会怎么样呢？

由于目标星体距离地球600光年，约5676.48万亿公里，当飞船以接近光速飞行，完成全程航行只需73小时。两名航宇员周一在地球上用过早点后上午8点动身的话，周四的9点半即达目的地。到下午6点半，他俩握别主人，乘船返回，到周日晚上8点即可回到地球。

虽然两名航宇员感到只用了7天时间，但是回到家后却惊讶地发现，家乡情况大变，己经没有自己认识的人了，因为地球上已经过去了1200年！

这种美好的前景，使人类不必为宇宙的浩瀚和生命短促而叹息，反而增添了寻找地外文明并与之交往的勇气。

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