最早的发射装置

    中国早在古代就发明了火药。到了宋代初期，就有人发明了世界上第一枚火箭——用火药做燃料的火箭。到13世纪，我国的火药及火箭技术传到阿拉伯国家，后来又传入欧洲。我们的祖先还曾试图利用火药的推力造登空飞船，可惜没有成功。历史表明，最早把火箭用于航天的是中国，中国是名副其实的火箭的故乡。尽管中国早期的火箭是原始的，但它的基本原理——反作用推进原理的生命力是旺盛的，现代火箭并没离开这一原理。可以说，火箭也是中国的一大发明。

    火箭

    1883年，宇宙航行理论奠基人、俄国科学家齐奥尔科夫斯基指出，能在太空真空中工作的火箭，可以做为宇宙航行的动力工具。

    到1903年，齐奥尔科夫斯基进一步提出火箭公式，指出火箭的飞行速度与火箭发动机的喷气速度成正比，并指出，黑色火药一类的固体火箭燃料，产能效率低，无法使火箭达到宇宙速度，应该使用液氢液氧这样的液体燃料。同时，火箭公式还表明，火箭的自身结构质量越小越好，燃料装得越多越好。这样，火箭公式就为发展现代火箭指明了方向。它被称为“齐奥尔科夫斯基公式”。

    在火箭公式的基础上，齐奥尔科夫斯基还运用他巧妙的思维指出，用多级火箭接替工作的办法，可使火箭逐级提高速度，最后达到所需的宇宙速度。

    火箭公式是把宇宙航行从理论、理想变为现实的转折点，后来人们将火箭公式誉为“宇宙航行第一公式”。

    1957年10月4日和1961年4月12日，苏联航天事业总设计师科·罗廖夫研制的火箭，分别将人类的第一颗人造地球卫星和第一名航天员送入太空轨道，建造了载人航天的巨大里程碑。

    民用火箭的种类

    民用火箭的种类很多，这里让我们给主要民用火箭画个像。

    气象火箭它把科学仪器送到低于120千米的高空，探测那里大气的温度、压力、密度和流动速度，以预测气象变化。这是很重要的气象探测，因为那里是气象卫星和一般探测气球都到不了的盲区。1960年2月19日，我国发射成功T-TM气象火箭。

    地球物理火箭它把科学仪器送到120千米以上的高空，探测那里的各种地球物理状况的数据资料。

    生物火箭它将生物和科学仪器送到高空，观测生物的生理等变化，研究高空环境对生物的影响。这是为载人航天活动服务的，在人类进入太空以前，科学家们发射了大量的生物火箭，而且至今仍在发射。在20世纪60年代，我国就用生物火箭把果蝇、大小白鼠等生物送到高空进行实验，最有名的是1966年7月15日和28日，分别将小狗“小豹”和“姗姗”送进几十千米的高空，并安全返回，后来它们还婚配产仔。

    科学实验火箭它把科学仪器和实验材料送到高空，进行各种科学实验。如日本在1980年和1981年，用火箭将小型炼钢炉送到高空，利用短暂的失重状态进行炼钢实验。1988年，日本还两次用德国火箭将微重力实验装置，送到240~270千米高空，利用6分钟的微重环境，进行半导体材料实验。

    防雷、除雹、降雨火箭大气中的雷电，常常会击毁电力设施、电子仪器、引起火灾，击毁竖立在发射台上和飞行中的航天运载火箭等，可用火箭将特定装置送到可能有雷电产生的空间，预先引发雷电，以达到防雷、避雷和减轻雷电损失的目的。用火箭将炸药送到有冰雹的云层中爆炸，可以消除冰雹或减轻雹灾。同样还可以用火箭把催化剂送到降雨云中，进行人工降雨。

    加速和减速动力火箭火箭可作为飞机和船舶的加速动力。火箭也可作为各种飞行器的减速动力，叫制动火箭。如航天器返回地球或在其他星球上着陆前，可用制动火箭降低速度。

    邮政火箭为交通不便的边远地区运送信件和物资，特别是运送紧急需要的药品、救灾物资和工程抢险材料等。1992年，俄罗斯曾用火箭将哥伦布航行到美洲500周年的纪念品发送到美国。

    观察和摄影火箭用火箭把电视摄像机送到空中，然后用降落伞吊挂着对地面摄影，这比卫星对地面拍照更清晰、灵活和及时得多，可用于观察火山爆发、森林火灾、地震和洪水等灾情，观测地球南北两极、百慕大“黑三角”等不易到达和有危险的地区，海滩、空难现场的观察和指挥营救、野生动物跟踪，对体育比赛进行现场摄影和报道等。

    体育运动火箭即模型火箭，它是一种重要的体育器材，深受青少年的喜爱，模型火箭竞赛已成为一项国际性的体育竞赛活动。模型火箭运动参加者，可以动手制作模型火箭，可以用模型火箭进行科学探测、实验和研究，把体育与教学、科研、科学普及活动结合起来，对小学、中学、大学和自学计划中的数学、空气动力学、物理学、工艺学、甚至文学的形象教学都有很大帮助。

    这里顺便说一下模型火箭与火箭模型的区别。火箭模型是真实火箭的缩小比例的模型，如“长征二号E”火箭模型、“长征三号”火箭模型等等，它们一般用作陈设和观赏。模型火箭的外形既可以是真实火箭的缩比模型，也可以根据需要来设计，它们可以像真实火箭一样地点火发射。

    军用火箭的种类

    军用火箭和导弹是一个庞大的队伍，只有让它们列队来点卯。

    火箭武器有火箭炮。前苏联在第二次世界大战中使用的“喀秋莎”，就是一种火箭炮，它曾经使德国法西斯军队丧胆。中国制造的70式火箭炮，射程达10000多米。还有火箭筒。中国制造的70式火箭筒，可穿透300毫米厚的装甲。还有火箭弹，是由发射装置发射，由火箭发动机推动的爆破、燃烧和杀伤武器。还有火箭增程弹，它像普通炮弹那样发射出去，然后由火箭发动机的推力来增加射程。如我国的130毫米的加农炮，就配备了火箭增程弹。还有航空火箭弹，即从飞机上发射的火箭武器。在越南战争中，美国曾大量使用航空火箭弹。此外，还有布雷火箭、照明火箭、干扰火箭、侦察摄影火箭和战场上运送紧急军政邮件的火箭等等。

    导弹导弹的种类很多，有打击战略目标的战略导弹；有战役中战场上使用的战术导弹；有像飞机一样带巨大翅膀，可在大气层中巡航飞行的巡航导弹；有反弹道导弹，即截击弹道导弹的导弹等等。

    在战略导弹中，有从陆地上发射，打击遥远陆地目标的地地战略导弹，它们沿弹道轨迹飞行，所以叫地地战略弹道导弹，一般是洲际（射程8000千米以上）导弹。如美国的“民兵”、MX，前苏联——俄罗斯的SS-18、SS-19等，我国在1980年5月，也从内陆基地向南太平洋海域进行了洲际导弹发射飞行试验。

    还有从水下潜艇上发射，打击陆地上战略目标的潜地战略弹道导弹。如美国的“北极星”、“海神”、“三叉戟”，前苏联——俄罗斯的“SS-N-20”、“SS-N-23”，法国的M-4、M-20等。它们有中程（1000千米以上）的，也有远程（4000千米以上）的。1982年10月，我国也从潜艇水下发射导弹成功。潜射导弹是一种重要的战略武器，因为潜艇在水下航行，可驶向有利位置发射导弹，然后遁去，隐蔽性好，机动性强，有很强的生存能力。

    战术导弹的种类繁多，有从地面发射，打击地面目标的地地战术弹道导弹；有从地面和海面发射，打击空中目标的面空导弹（也叫防空导弹）；有从空中发射打击空中目标的空空导弹；有从空中发射，打击地面目标的空地导弹；有专门对付舰艇的反舰导弹；还有专门对付坦克的反坦克导弹；专门袭击雷达的反雷达导弹（又叫反辐射导弹）等等。

    巡航导弹有战略的，也有战术的。如海湾战争前后，美国从海面舰艇上发射后，飞行2000多千米，攻击伊拉克的“战斧”巡航导弹，就是战略巡航导弹；一些从陆地和空中发射的反舰巡航导弹，则是战术巡航导弹。

    反弹道导弹的导弹，是防御战略导弹进攻的导弹。20世纪60年代前苏联开始在莫斯科周围部署“橡皮套鞋”反导弹系统。接着，美国也搞了“奈基——宇斯”反导弹系统。到80年代实施“星球大战计划”时，美国的反弹道导弹导弹研制达到了高潮。

    捆绑式火箭

    为了战胜地球引力进入太空，我们必须利用火箭。然而单级火箭是达不到这个目的的。俄国科学家齐奥尔科夫斯基首先提出了“火箭列车”的概念，就是把两节以上的火箭串联或并联起来，组成一列多级火箭来提高火箭的速度，最终使末级火箭达到第一宇宙速度。

    多级火箭利用了一种质量抛扔原理，即火箭发射后，把已经完成任务的无用的结构抛掉，使火箭发动机的能量最大限度地用于提高火箭的动能，从而间接地减轻火箭的结构质量，实现“轻装前进”。这样，在使用同样性能的火箭发动机和相同技术水平的箭体结构的条件下，用单级火箭无法达到的第一宇宙速度，而用多级火箭就能实现。

    世界各国现有运载火箭数十种，其大小不等，形状各异，但其结构形式基本上分为两类：一类是各级首尾相连的串联式火箭；另一类是下面两级并联、上面一级串联的火箭，也称捆绑式火箭。运载火箭的大小，由其飞行任务的有效载荷和飞行轨道而定。若飞行轨道相同，有效载荷越重，则火箭起飞质量也越大；若有效载荷不变，飞行轨道越高，火箭的起飞质量也越大。在通常情况下，发射一颗质量为1吨的卫星，运载火箭质量为50～100吨。如美国发射阿波罗载人登月飞船的“土星5号”运载火箭，全长110.7米，直径10米，起飞质量为2840吨；而阿波罗飞船的质量只有41.5吨。“土星5号”是目前世界上最长的“火箭列车”，它由三级火箭串联而成。

    大多数“火箭列车”都属于串联式多级火箭，因为这种火箭的级间分离容易实现，成为运载火箭首选的结构。而捆绑式火箭是把若干助推火箭均匀地成双捆绑在芯级火箭的四周，火箭发射后助推火箭首先工作，完毕后再与芯级火箭分离。捆绑式火箭的最大优点是可以明显缩短整个火箭的长度，因为助推火箭不单独占有火箭的长度，从而避免了因火箭细长比太大而给结构制造和飞行所带来的种种困难。由于捆绑上去的火箭不增加火箭的总长，我们也把这部分的火箭称为半级火箭，如两级火箭加上捆绑，就称作两级半火箭。

    但是，捆绑式火箭在技术上难度更大。因为火箭在飞行中级间分离，一要绝对安全可靠，二要不因分离而影响芯级火箭的工作和姿态。捆绑式火箭采用侧向分离，相对串联式火箭的纵向分离，技术复杂性要高得多了。我国的“长征二号E”和“长征三号B”运载火箭，就是在原有的二级和三级火箭基础上，分别在芯级增加了四个捆绑上去的助推火箭。相对未捆绑的火箭，它们的运载能力都提高了3倍多。

    首次把捆绑技术应用在火箭上的，是前苏联著名的航天总设计师科罗廖夫。1957年，他用一枚洲际导弹作芯级，在其周围捆绑4台助推火箭，成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星。

    捆绑技术除在运载火箭上广泛使用外，某些导弹武器也有采用。

    未来的火箭

    为了满足未来发射任务的需要，运载火箭除了要有足够的运载能力外，还应具备下列特征：首先，发射成本要低，以利于市场竞争，就整个航天界来说，有利于开拓应用领域，扩大市场需求。其次，要提高可靠性和安全性。对于不载人的发射任务，设计的可靠性要达到98％，发射成功率要达到96％，对于载人发射任务，可靠性和安全性要求更高。再次，要缩短发射工作时间，这需要火箭要有良好的操作性。对于一次性火箭，用户提前预订火箭的时间尽量缩短。发射场地面操作时间也应尽可能地缩短。对于重复使用的运载火箭也要尽量缩短维修时间。另外，还要求减小火箭对环境的危害。采用无毒推进剂，消除对大气环境的污染，采用有效手段，减少空间碎片，减轻对空间环境的危害。

    现在大中型运载火箭的低轨运载能力为5～25吨，发射价格为2600～23000美元／千克。今后随着通信技术的不断发展，卫星有不断增大的趋势，美国等许多国家正在对原有火箭进行改进，新型运载火箭将采用全新的技术，包括新型的发动机和先进的电子设备等，从而形成与原来完全不同的大型运载火箭。

    新型的大型运载火箭一般采用一台或几台大推动力发动机，液氢、液氧发动机将普遍得到应用，这种发动机具有燃烧值高、推动力大、无毒、无污染等优点，一般都可以一次发射多颗卫星。

    在新型运载火箭研制中，积极发展了自动化和智能化的地面操作系统。运载火箭的各个部分尽可能在总装大厅组装好后再转运到发射台上，这样不仅可以提高操作效率，而且还可以大幅度降低操作费用。

    20世纪80年代后期，出现了一大批利用高新技术研制成的功能全、容量大、质量只有几十至几百千克的小型卫星。用大型运载火箭发射这种小型卫星简直是“大材小用”，而且大型运载火箭多发射地球同步轨道卫星，与众多小卫星的轨道不匹配，因此，搭载的机会也比较少。为适应发射小型卫星的需要，未来将会研制出专门用来发射小型卫星的小型运载火箭。另外移动通信、数据传输等对近地轨道卫星网的需求，也极大地促进了小型运载火箭的研制。

    正在研制的小型运载火箭有十多种，它们有从空中发射的，有从陆地发射的，也有从海上发射的。随着各种在研制的小型运载火箭相继投入使用，小型卫星的发射将变得更加经济、便捷。

    光子火箭

    为了提高火箭在宇宙航行中的飞行速度，科学家一直在寻找新的能源。1953年，一位德国科学家提出了光子火箭的设想。光子，就是构成光的粒子。当它从火箭的尾部喷出来的时候，就具有光的速度，每秒可以达到30万千米。如果用光子来作为火箭的推力，我们到达太阳的近邻——比邻星就只要4～5年的时间，那有多好！

    可是，光子火箭的设想还只是停留在理论上，制造它的困难在于它的结构。

    我们已经知道，原子是物质化学变化中最小的微粒，原子又是由带正电的原子核和围绕原子核运动的带负电的电子组成的。原子核由带正电的质子和不带电的中子组成。质子、中子和电子还可以分成许多微小的粒子，如中微子、介子、超子等等。

    科学家还发现，宇宙中还存在着和这些粒子对应的、电荷相等而符号相反的粒子，如带正电的“反电子”、带负电的“反质子”等，这些粒子被称为“反粒子”。科学家预言，在宇宙空间还存在着“反粒子”组成的“反物质”，当粒子与“反粒子”、物质和“反物质”相遇的时候，就会发生湮灭，同时就会产生大得惊人的能量：500克的粒子和500克的“反粒子”湮灭，所产生的能量就相当于1000千克铀核反应时释放的能量。

    如果我们把宇宙中存在的丰富的氢收集起来，让它和其“反物质”在火箭发动机内湮灭，产生光子流，从喷管中喷出，从而推动火箭，这种火箭就是“光子火箭”，它将达到光的速度，以30万千米／秒的速度前进。

    虽然湮灭得到的能量十分诱人，科学家在实验室里，也已获得了各种“反粒子”，如“反氢”、“反氚”和“反氦”。但是，它们瞬息即逝，无影无踪。按目前的科学技术水平，不可能将它们贮存起来，更难以用于推动火箭的飞行。

    然而，科学家还是乐观地认为，光子火箭的理想一定会实现。他们设想，在未来的光子火箭里，最前面的是航天员工作和生活的座舱，中间是粒子和“反粒子”的贮存舱，最后面是一面巨大的凹面反射镜。粒子和“反粒子”在凹面镜的焦点处相遇湮灭，将全部的能量转换成光能，产生光子流。凹面镜反射光子流，推动火箭前进。

    当然，在这样的光子火箭里，航天员的座舱必须有防辐射保护。否则，航天员的生命就会受到伤害。

    探空火箭

    发射探空火箭的目的是在近地空间进行探测和科学试验。探空火箭能探测大气各层结构、成分和参数，研究电离层、地磁场、宇宙线、太阳紫外线和X射线、陨尘等多种日地物理现象。

    探空火箭所获得的资料可以用于天气预报、地球和天文物理研究，为弹道导弹、运载火箭、人造卫星、载人飞船等飞行器的研制提供必要的环境参数。其次，探空火箭还可以用于某些特殊研究，如利用探空火箭进行生物机体在失重状态下的生理变化和适应性研究，或者用探空火箭进行新技术和仪器设备的验证性试验。

    世界上第一枚探空火箭是美国在1945年研制成功的，它叫“女兵下士火箭”。它能将11千克的有效载荷送到70千米的高空。在50年代以后，世界上开始研制探空火箭的国家越来越多。例如美国、苏联以及其他发达国家都在搞探空火箭。目前世界上已有20多个国家向太空发射了几千枚探空火箭。我国于1958年开始正式研制探空火箭。

    多级火箭

    探空火箭一般为无控制火箭，具有结构简单、成本低廉、发射方便等优点。多级火箭空间运载火箭的任务是将空中飞行器发射到空中某一区域，这就需要火箭发射的速度很快。而在空中飞行的人造卫星，只有达到每秒7.9公里才不会掉向地面，飞到月球或其他星球上的人造卫星速度要达到每秒11.2公里左右。火箭是靠往后喷发出的气体产生的反作用前进的，气体喷出的越快，火箭向前的速度越快，这需要携带大量燃料，如果再加上地球的引力和空气的阻力，单级火箭是完不成这个任务的。为了满足空间飞行器速度只有用多级火箭。多级火箭是由若干个单级火箭组成，每个单级火箭组成一级，每级火箭有自己单独的火箭发动机和推进剂，并且每一级火箭都在前一级火箭已经达到的速度基础上开始工作。每级火箭的燃料用尽之后会自动掉下来，最后一级火箭所达到的速度，完全可以把空中飞行器送到空中，我国的火箭发射技术已达到世界先进水平。

    一箭三星

    “一箭三星”就是用一枚运载火箭发射三颗卫星。1981年9月20日，我国成功地发射了一组空间物理探测卫星，这是我国首次用一枚运载火箭发射3颗卫星——“实践”2号、“实践”2号甲、“实践”2号乙。卫星准确入轨，各系统工作正常，并不断地向地面发送各种科学探测和试验数据。

    我国在一九七七年提出“一箭三星”的想法。一箭多星发射技术非常复杂，它必须具备两个重要条件，一是具有大推力的运载火箭，二是掌握稳定可靠的星箭分离技术。我国很快就掌握了这两个重要条件。

    1981年9月20日，酒泉卫星发射场区天气晴朗，清晨5时28分40秒，随着指挥员一声令下，携带着“实践”2号、“实践”2号甲和“实践”2号乙3颗卫星的运载火箭，从发射台上腾空而起。这时，地处祖国西北的发射场还在黎明前的夜空笼罩下，从几千米外的了望哨所，只能看到一束长长的明亮的火焰，在夜空中缓缓升起。7秒种后，火箭开始朝东南方向拐弯，3分钟后，火箭从人们的视野中消失。

    起飞后7分20秒，“实践”2号甲、“实践”2号乙与运载火箭分离，3秒后，“实践”2号也和运载火箭分离，3颗卫星都安全地进入预定的地球轨道遨游。

    “一箭三星”的成功发射，使我国的卫星研制技术又上了一个台阶。

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