【航天甲子年50讲】 28 运载器漫谈



文:晟宇(视频讲解)

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前言


这次主要是做一次真正的知识的搬运工,火箭实际上并不在我的知识范畴之内,不过既然是航天总是绕不过去的一块内容。所以我选择一种比较有取舍的方式,就是用数量来掩盖质量,既然我们人类已经研发的火箭型号已经如此众多,我就报报菜名了。


由于火箭现在还是我们进入太空的唯一手段,所以在报菜名之前,还是要简单的讲一下火箭的原理和一些要素。





火箭的原理和吹饱了气球放开气嘴就会飞走一样,利用的是气体的反推。不同的是气球的力量来自气球的收缩,火箭的动力来源于燃料在有限空间中燃烧带来的高压。


衡量火箭的能力一般考虑几个要素。首先是推力,表示能推动多大的东西,也就是能把多少东西送入太空,所以这是火箭的核心指标。但是由于重型的火箭需要用很多燃料推动剩余的燃料来进行不断的飞行,所以意味着推力越大的火箭,携带燃料增加的量就会更多。


然后是质量比,就是火箭充满燃料和排空燃料的比值,比值越大以为只火箭能带的燃料也就越多,能获得的速度也就越大。


最后是比冲,衡量的是推进剂的能力,也就是推力除以1秒内推进剂的消耗质量的数值。当然这个数值越高,说明获得同样推力消耗的推进比较少,那推进剂就比较好了。



一切始于V2


其实一战之后,德国就开始这种神秘武器的研究了,在二战期间时机遇上了天才,冯布劳恩带领的团队获得了大量的资金和资源的支持,成功研发了V2。随着二战结束,美国和苏联开始了V2主要研发人员的争夺,当然美国占了优势。





美国并没有在一开始就发挥出其获得如此多资料和专家的优势,不慌不忙地开展了导弹和火箭的研制,从红石导弹开始,开始了火箭研发之旅。而与此同时的苏联显然在科罗廖夫的带领下利用充足的资源快速发展,并利用R-7取得了领先。而一开始的冯布劳恩显然还没有完全受到重视,直到美国落后了。



美国的火箭发展


从红石开始衍生除了另外几种火箭,其中包括朱庇特-C探空火箭,改造之后成为朱诺1号,把美国的第一颗人造卫星探险者1号送入太空。算是美国火箭的起步了。






在卫星的第一争夺中失败了,美国开始积极发展载人航天计划,也就是水星计划,计划使用的就是宇宙神火箭。虽然还是苏联拿下了第一,不过速度已经很接近了。宇宙神本来已经退役,后来在航天飞机失败后再起启用,并不断地提高发射能力,采用了和半人马座火箭的结合,提升了运载能力,并一直发展到宇宙神5号,实现了同步轨道13吨的运载能力。另外新视野和好奇号都是它发射的。


大力神最早使用来做替代导弹的,最后也发展出来了自己的特色,它采用2级发射,从大力神2号开始美国的导弹都采用惯性导航装置。大力神支持了水星计划的实现,和阿波罗计划完成对接。大力神号系列火箭长生了很多的子型号,也说明其重要性,不但在军事,也承担了很多商业和科学发射。包括著名的旅行者号就是由大力神3号E型火箭发射的。另外大力神4号将卡西尼号送入土星轨道。


德尔塔系列火箭和大力神,宇宙神并称三大火箭,是美国发射数量最多的火箭约300多枚。日本在研制N-1等火箭时也引入了德尔塔的技术。发展到4号的德尔塔火箭身形巨大发射质量却很低,很灵巧。





当然还有天才研制的土星系列,是的美国远远甩开苏联实现了载人登月。F-1发动机更是让人惊叹。大有大的问题,随着空间竞赛的胜利,土星V号没了用武之地,所停止了建设。


接下来出现的航天飞机可以说是非常革命性的,本来也预计能实现低成本的重复进入太空,结果是成本高昂,加上几次重大事故,是的该计划以失败告终。但是也创造了很多奇迹,包括对哈勃望远镜的多次维修。


之后的战神和飞马座火箭分别面向载人航天和小型快速发射,前者后来搁置,后者的应用空间也比较有限。


现在最吸引眼球的就是SpaceX的猎鹰系列火箭,通过一些列的回收试验的成功,开始了运载的低成本打造,具有革命性意义。



俄罗斯(苏联)的火箭发展


苏联在早期充足资源支持和天才科学家的合力下,完成了R-7这个非常成功的火箭型号的研制,不但高可靠,能力也非常出色,完成了早期优势的建立。并一直使用到今天。


另外还有除了试验阶段几乎没有失败过的联盟号火箭,发射了1800多次,可以说是非常的惊人了。


此外还有多次发射的宇宙号火箭虽然和宇宙号卫星系列重名,但是并没有多少关系。宇宙号也发射了700多枚。


接下来就是和闪电卫星非常有关系的闪电火箭,专门发射闪电轨道的卫星的4级火箭,可以说非常有特色,该火箭也发射过火星等行星探测器,于2010年退役。





接下来就是专门用于空间站建设的质子号火箭,质子号火箭不但成功的保障了苏联的空间站建设,后来也华丽转身完成了商业化,发挥了其高可靠和低成本的优势。


剩下的就是失败的大工程了,一个是用于载人登月和火星的N-1火箭,最后缺钱却资源,多次失败后被放弃了。同样的还有用于航天飞机暴风雪号的能源号火箭,虽然也很有特色,也是由于资源和苏联国家进程的变化而被终止。



其他国际的发展


法国是第三个发射人造卫星国家。曾经在法国读书时老师说美国搞了1000个德国科学家,苏联搞了500个,法国只抢到12个,不过也成了第三强。从钻石号火箭开始,法国可以说以一己之力撑起了欧洲的太空探索事业,最终形成了阿丽亚娜系列火箭,在国家发射市场上占据牢固的地位。


我们国家的长征系列火箭是自力更生,艰苦奋斗的产物,使得我国迈入航天大国的行列,之后我会专门找一期来进行介绍。






另外印度也发展出了自己低成本的PSLV和高运力GSLV结合的运载体系,在世界上接到了很多商业订单,算是走出了自己的道路。


日本的运载器发展也非常有特色,首先是系列固体燃料火箭的研发,拥有世界最大的固体燃料火箭M-V。同时在液体火箭上也研发出了运力很强的可用于载人航天的H系列火箭。另外在轻小型火箭方面也颇有建树。


接着运载器这个话题,我们下一次就聊聊航天器的推进系统,看看再火箭的推力结束后,航天器自己还能做些什么,欢迎继续关注。


本文主要参考《火箭的科学》一书。


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张晟宇- 中科院微小卫星创新研究院高级主管 | 到「在行」来约见我www.zaih.com图标