升入太空的宇宙火箭

葉　寧　郭　憲

怎樣才能脫離地球引力范圍？

在成功地發(fā)射了開辟人類歷史紀(jì)元的第一顆和第二三顆人造地球衛(wèi)星之后，蘇聯(lián)又發(fā)射了一只巨大的宇宙火箭，直向月宮奔去。如果說，人造地球衛(wèi)星還受著地球引力的無形束縛而環(huán)繞地球運(yùn)動的話，那么，這只宇宙火箭卻脫離了地球的引力場而向太空飛去，即將成為太陽系的第一顆人造行星。

我們知道，要發(fā)射人造地球衛(wèi)星，必須使衛(wèi)星進(jìn)入軌道時(shí)具有每秒八公里的第一宇宙速度，也就是說，要使衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)動時(shí)的離心力剛好等于地球?qū)λ囊Α＿@樣，衛(wèi)星就不會落下來。

要向星際發(fā)射宇宙火箭，可能有幾種方式：或者火箭發(fā)射出去后落在月球上或星球上，或者火箭繞過月球后再返回地球，或者火箭飛過月球后即向星際空間飛去而不再返回地球。

第一種月球火箭所需要的速度較小?？墒怯傻厍虻皆铝恋木嚯x很大(約384000公里)，火箭要克服地球的引力而飛向月球所需要的動能還是很大的。粗略計(jì)算可知，所需的最大速度約為每秒11公里，即略小于第二宇宙速度。

如果要火箭繞過月亮后再回到地球上來，所需要的速度就要控制得比較嚴(yán)格。計(jì)算表明，速度應(yīng)在0.99V2和1.0001V2之間(V2是第二宇宙速度)。如果速度小于0.99V2，火箭即會落到月球上去，如果大于1.0001V2，火箭即飛向宇宙空間不再回來了。除此之外，還要嚴(yán)格地控制發(fā)射方向。從目前的水平看來，控制角度困難并不太大，而嚴(yán)格控制速度卻較難。必須用特殊的輔助火箭發(fā)動機(jī)。

蘇聯(lián)這次所發(fā)射的是第三種類型的宇宙火箭。它的最大速度應(yīng)比第二宇宙速度略大。飛過月球區(qū)域之后，地球引力的影響漸小，而太陽的引力影響漸增，最后變?yōu)榄h(huán)繞太陽的人造行星。

總的說來，無論發(fā)射那種宇宙火箭，都要使它具有接近或超過第二宇宙速度的最大速度。

什么是第二宇宙速度呢？

圖1四級火箭簡單示意圖

根據(jù)萬有引力定律，我們知道，任何兩個(gè)有質(zhì)量的物體之間都有引力。在地球上或其附近的物體都受地球的吸引，(當(dāng)然，地球也受該物體的吸引，但是因?yàn)榈厍蚝艽?，其他物體對地球的引力不易察覺。)要想使物體離開地球上升，必須勝過引力作功。上升的愈高，所作的功愈多?？墒请S著物體的升高，地球的引力也在逐漸減弱(因?yàn)橐蛢烧呔嚯x的平方成反比)。當(dāng)距離非常大時(shí)，引力趨近于零，這時(shí)物體即脫離了地球的引力場。這樣，物體由地球上升至無限遠(yuǎn)處所需的功是有一定的有限數(shù)值的。

怎樣才可以使物體具有所需的能量呢？使它具有一定的動能(也就是具有一定的速度，因?yàn)閯幽芎退俣鹊钠椒匠烧?是一種方法。當(dāng)物體具有的速度可以使自己勝過地心引力而飛向無限遠(yuǎn)處時(shí)，這個(gè)速度就稱為第二宇宙速度。在不考慮太陽系其他星球引力的影響時(shí)，在地球表面，這個(gè)速度等于每秒11.2公里。

為什么一定要利用火箭？

正像發(fā)射人造衛(wèi)星一樣，要發(fā)射具有第二宇宙速度的飛向月球的物體，只有利用火箭。因?yàn)?，現(xiàn)有的各種發(fā)動機(jī)(例如空氣噴氣發(fā)動機(jī))，它的燃料燃燒，都需要有空氣中的氧來助燃，沒有空氣就不能工作；而在高空，在距地面50－60公里以上，空氣就極為稀薄了，其中含有的氧量就更少，到100公里以上，就已經(jīng)近乎真空了。所以，普通的發(fā)動機(jī)是不可能把衛(wèi)星送上軌道的，更不用說發(fā)射飛向宇宙的行星了。然而，火箭本身既攜帶有燃料，又?jǐn)y帶有助燃的氧化劑，它不需要空氣來助燃，相反，火箭發(fā)動機(jī)的效率，在空氣愈稀薄處愈高，在真空中達(dá)到最高。火箭又能在極短的時(shí)間內(nèi)，發(fā)出很大的推力，一般火箭發(fā)動機(jī)的工作時(shí)間，只有幾十秒鐘至多一兩分鐘，就在這樣短的時(shí)間內(nèi)，把大量的燃料燃燒變成氣體，并以很快速度噴射出去，從而產(chǎn)生出極大的推力。飛行時(shí)，火箭的燃料很快地減少，就使它得到很大的加速度，因而，火箭也就得到了很大的飛行速度。當(dāng)火箭的最大速度達(dá)到第一宇宙速度時(shí)，它就可以發(fā)射出人造衛(wèi)星；當(dāng)它的最大速度達(dá)到第二宇宙速度時(shí)，它就可以脫離開地球，而成為人造行星，也就是人造太陽衛(wèi)星。

一般多級火箭的構(gòu)造

也如發(fā)射人造衛(wèi)星一樣，發(fā)射宇宙火箭也要用多級火箭，如果發(fā)射人造衛(wèi)星，使其達(dá)到每秒8公里的速度，一般需要三級火箭才能實(shí)現(xiàn)的話，那么，在目前，要達(dá)到第二宇宙速度(即每秒11.2公里)而飛向月球，則一般需要三級以上的火箭。(見圖一)現(xiàn)有發(fā)射人造衛(wèi)星的三級火箭，一般它的第一級和第二級是液體燃料火箭，而第三級是固體燃料火箭。

圖2單級火箭構(gòu)造簡圖

多級火箭的各級是由構(gòu)造類似、大小不同的單獨(dú)火箭組成的，每一級火箭都包含有下列幾個(gè)主要組成部分(見圖二)：(1)動力裝置，包括發(fā)動機(jī)燃燒室、噴管及燃料輸送系統(tǒng)等。(2)燃料倉，包括燃燒劑儲箱與氧化劑儲箱。(3)操縱機(jī)構(gòu)，一般使用的有空氣舵、燃?xì)舛?，或利用操縱小噴管、擺動發(fā)動機(jī)。(4)操縱儀表倉，放置各種飛行操縱儀表及其能源，一般只在需要操縱的最后一級才放置儀表倉，其他各級只有操縱機(jī)構(gòu)和在其附近的其他操縱裝置。各級之間用可卸連接或固定連接(分離時(shí)炸斷)而連接在一起。在飛行過程中，當(dāng)?shù)谝患壦鶐У娜剂嫌猛陼r(shí)，第一級火箭就自動脫落，同時(shí)第二級的發(fā)動機(jī)開始工作。同樣，等到第二級的燃料用完時(shí)，第二級火箭也自動脫落，第三級火箭開始工作，這樣，最后火箭就達(dá)到所要求的最大飛行速度。

火箭在空中飛行，會遇到一些外界的干擾(如風(fēng)、雪等)，如何能保證它完全按照預(yù)定的軌道飛行呢？這就要設(shè)計(jì)一套自動控制的設(shè)備放到火箭上，使火箭能自動導(dǎo)航，這就是上面所提到的操縱儀表與操縱機(jī)構(gòu)?；鸺诳臻g飛行，有三個(gè)方向(俯仰，偏航，傾斜)需要控制，由于要使火箭按預(yù)定軌道運(yùn)行，所以俯仰角要隨飛行時(shí)間而改變，但對偏航、傾斜則要求很嚴(yán)。這三個(gè)方向可以三個(gè)角度來表示，就是俯仰角，偏航角，傾斜(滾轉(zhuǎn))角。這三個(gè)角度都由安裝在火箭上的三個(gè)陀螺儀表來感受其變化，陀螺儀表的轉(zhuǎn)軸對應(yīng)著三個(gè)方向的座標(biāo)軸。當(dāng)火箭的軸向不與陀螺指向一致時(shí)，它就會發(fā)出訊號，傳遞到操縱機(jī)構(gòu)來修正火箭的方向，使火箭回到正常的飛行方向。至于俯仰角，是由裝在火箭上的鐘表機(jī)構(gòu)，使俯仰陀螺儀的軸架的方向不斷地隨時(shí)間而改變，使陀螺儀的指示方向隨時(shí)指向所需的飛行方向。這樣，就可以保證火箭按預(yù)定的航向飛行而進(jìn)入所要求的軌道。

宇宙火箭發(fā)射成功說明蘇聯(lián)科學(xué)技術(shù)達(dá)到高度水平

如大家所知道的，火箭技術(shù)是綜合了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)各方面的最新成就，要發(fā)射一個(gè)宇宙火箭比起發(fā)射人造衛(wèi)星來，需要克服更多的困難，需要解決更多更復(fù)雜更困難的科學(xué)技術(shù)問題。除了諸如高超音速空氣動力學(xué)、火箭運(yùn)動彈道理論，空氣彈性，波動力學(xué)等等問題以外，在制造與發(fā)射這樣巨大的宇宙火箭上，需要解決的問題有火箭的新燃料，新的合金以及制造大推力火箭發(fā)動機(jī)等。蘇聯(lián)這次發(fā)射的巨型宇宙火箭的最后一級不帶燃料重達(dá)1472公斤，如按四級火箭并用最新燃料估計(jì)，它的整個(gè)火箭最初起飛重量就要達(dá)到一千噸以上，而它的發(fā)動機(jī)推力更要達(dá)到近二千噸。如果按現(xiàn)有一般所用的熱值較高的火箭燃料來估計(jì)，則其總重要達(dá)到三千多噸，而其推力將要達(dá)到五六千噸以上。這樣大的推力的發(fā)動機(jī)(即使是一二千噸推力的)，在制造和試驗(yàn)中，都會有許多需要解決的復(fù)雜而困難的技術(shù)問題，如果不是采用了新的燃料，新的合金，要制造成功這樣大推力的發(fā)動機(jī)，這樣巨大的宇宙火箭，是難以想像的。從這里我們也可以看出蘇聯(lián)在科學(xué)技術(shù)上已經(jīng)達(dá)到怎樣高度的水平。

作太空的主人

宇宙火箭的發(fā)射成功意味著人類作宇宙航行已不是遙遠(yuǎn)將來的事了。

那么人類征服宇宙的第一個(gè)對象將會是什么地方呢？最可能是月亮，因?yàn)樗x地球只有三十八萬多公里，約為地球到金星(離地球最近的一顆行星)距離的百分之一。

在人們直接飛往月亮之前，首先要對月亮作充分的了解，要對宇宙空間的一些物理現(xiàn)象以及人類如何能適應(yīng)于宇宙飛行等問題作充分研究。蘇聯(lián)成功發(fā)射的三顆人造地球衛(wèi)星在這方面已提供了許多寶貴的資料，但是更多的工作將由這次蘇聯(lián)發(fā)射的宇宙火箭以及以后一系列的宇宙火箭及月球衛(wèi)星來完成。當(dāng)人們充分掌握了有關(guān)宇宙航行和月亮的資料以后，下一步將是發(fā)射載人的更巨大的宇宙船。

發(fā)射載人宇宙船的工作要比現(xiàn)在發(fā)射的無人宇宙火箭還復(fù)雜得多。由于有人，宇宙船應(yīng)作得十分安全可靠，而且還應(yīng)適應(yīng)人的生理要求，例如：宇宙船應(yīng)該是密閉的，人與外界完全隔絕起來；密封倉內(nèi)空氣的成分、壓力、濕度、溫度都要有專門的裝置來調(diào)節(jié)；外殼應(yīng)能擋住對人體有害的太陽紫外線的照射；要能防止與小流星相撞時(shí)撞壞；在宇宙船上還應(yīng)有足夠的燃料以便宇宙航行人員能返回地球上來，等等。這樣一來就要把宇宙船作得十分龐大而復(fù)雜，發(fā)射宇宙船的火箭那就更大了。例如從地面發(fā)射一艘重10噸的宇宙船，那么光是它的燃料重就得要一千多噸以上，制造這樣巨大的火箭顯然是有許多困難的。比較適當(dāng)?shù)霓k法是讓宇宙船從星際航行站(也是人造地球衛(wèi)星)起飛，這樣，所需的燃料大約二十五噸左右就夠了。

另一個(gè)可能的方案是制造核燃料的宇宙船，蘇聯(lián)在和平利用原子能方面所獲得的成就也提供了實(shí)現(xiàn)這種方案的可能性。

月球上是缺乏大氣的，因此宇宙船降落時(shí)不能利用大氣來制動，在降落時(shí)它要開動專門的發(fā)動機(jī)來減低降落速度，以免宇宙船撞毀。由于月球缺乏大氣，宇宙飛行人員在月球上要居住在密閉的屋子里，外出時(shí)也要穿上專門的“潛水服”。

人們對于火星、金星都感到極大的興趣，因?yàn)樗鼈冊谛行侵须x地球是最近的，而且物理?xiàng)l件也與地球相似，因此一旦人類征服了月亮之后，下一步旅行的目的地將是這些星球了。

隨著火箭技術(shù)的發(fā)展，不單是到月球、火星和金星去的幻想有了現(xiàn)實(shí)的前景，而且也可以進(jìn)一步設(shè)想飛到太陽系的其它行星上去，甚至飛出太陽系以外。不過這個(gè)任務(wù)將更加復(fù)雜得多，旅途也遙遠(yuǎn)多了。

美國已經(jīng)越落越遠(yuǎn)了

蘇聯(lián)宇宙火箭的發(fā)射成功，又一次證明了蘇聯(lián)的火箭技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過了美國。

大家都知道，蘇聯(lián)先后發(fā)射了三顆人造地球衛(wèi)星，第三顆衛(wèi)星重量竟達(dá)一三二七公斤，直到現(xiàn)在它還圍繞著地球旋轉(zhuǎn)。

美國正式發(fā)射人造地球衛(wèi)星達(dá)十四次之多，但只有五次發(fā)射成功，每顆衛(wèi)星的重量都很小。五顆衛(wèi)星的重量總加起來也不過是蘇聯(lián)第三顆衛(wèi)星重量的十四分之一，而且壽命都很短。去年美國又企圖僥幸用中程火箭發(fā)射“世界上第一個(gè)”人造月球衛(wèi)星，但是發(fā)射了四次都遭到了失敗。

過去美國的火箭專家布勞恩曾說：“美國還需要五年時(shí)間才能在火箭方面趕上蘇聯(lián)”。實(shí)際上，因?yàn)槊绹嗟馁Y本主義制度阻礙著美國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，而蘇聯(lián)優(yōu)越的社會主義制度使蘇聯(lián)的科學(xué)技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，因此，在火箭技術(shù)上美國不是五年能趕上蘇聯(lián)，而是愈拉愈遠(yuǎn)。這正如毛主席所說的：“敵人一天天爛下去，我們一天天好起來”。

(原載北京日報(bào))