空间科学-火箭如何产生宇宙速度

火箭如何产生宇宙速度

在齐奥尔科夫斯基提出火箭公式的 1903 年,自然无从谈及火箭发动机的设计水平,就是公认的理想燃料液氢在当时也制造不出来。计算表明,用液氧、煤油等作推进剂的单级火箭是无法达到宇宙速度的。即使用液氢液氧作推进剂,喷气速度也只能达到 4 . 2 千米／秒,其单级火箭还是无法达到约 8 千米／秒的第一宇宙速度。因为考虑到空气阻力,从地面起飞的火箭,实际上应达到 9 . 5<

千米／秒以上的速度。这样一来,火箭的质量比应达到 11 以上才行。也就是说,推进剂应占火箭总质量的 91 %以上,这比蛋清蛋黄占整枚鸡蛋的份量比例还大,像软皮蛋一样单薄的火箭是造不出来的,即使造出来了也无法使用。

但是,科学的思想不应钻牛角尖,退一步或拐个弯就海阔天空。齐奥尔科夫斯基正是这样。他设想用多级火箭接力的办法来达到宇宙速度,就是在火箭垂直发射时,让最下面一级先工作,完成任务后脱离,接着启动上面一级,进一步提高速度。这样轻装前进,逐级提高,总能达到所需要的宇宙速度。

采用多级火箭发射航天器,现在看来似乎是很平常的事,但在大约百年前,却是了不起的思想突破,是构筑宇宙航行大道石破天惊、振聋发聩的巨大里程碑。

当然,火箭的级数不可能无限制地增加,因为对下面一级火箭来说,前面的各级火箭都是它的有效载荷。理论计算和实践经验表明,每增加 1 份有效载荷,火箭需要增加 10 份以上的质量来承受,随着火箭级数的增加,使最下面的一级和随后的几级变得越来越庞大,以致于无法起飞。多级火箭一般不超过 4 级。

那么,现在为什么又在谈论甚至实施单级人轨技术呢？

现在的科学技术水平已比百年前大大提高了,我们不仅有了理想的液体火箭推进剂液氢／液氧,而且火箭的设计和制造技术已达到炉火纯青的地步。例如,发动机燃烧室的设计已可使推进剂最大限度地减少不完全燃烧的损失和燃气的离解损失,极大地提高了燃烧效率。发动机喷管设计,使燃气在收缩和膨胀过程中,最大限度地减少了摩擦损失、总压损失、化学不平衡损失、微波损失、散热损失和两相流动损失,极大地提高了喷管效率。发动机推进剂供应系统的设计,已经使它所必须消耗的动力给发动机带来的损失减少到最低程度,从而最大地提高了循环效率。

同时,火箭的形态也有了发展变化。如航天飞机和空天飞机就是一种变形的运载火箭。还有垂直起降的“三角快帆”和罗顿号等飞行器,也是形态发展了的火箭。

目前的航天飞机还不是单级入轨的,但已有设想和筹划中的单级入轨空天飞机。它从地面水平起飞,除有火箭发动机的推力外,还可像飞机一样凭借巨大的翅膀产生空气动力上升。

垂直起降、单级入轨的“三角快帆”和罗顿号飞行器,其形态变成了矮粗的锥体。它们除了借助于高性能的推进剂和高水平的设计制造技术外,还得益于强度高和质量轻的新型材料,这可以在满足结构强度需要的前提下减轻火箭的结构质量。同时,由于它们采用垂直起降方式,所以能省去航天飞机和空天飞机的巨大翅膀,这就大大地减轻了自身的结构质量。这些结构质量的减少,大大提高了它们的质量比,从而使它们可以单级入轨。