登天云梯——火箭

胡濱

火箭是一種靠發(fā)動機噴射工質（工作介質）產(chǎn)生的反作用力向前推進的飛行器，是人類沖出地球、探索太空的登天云梯，也是一項系統(tǒng)工程?！读x務教育小學科學課程標準））要求學生掌握“工程技術的關鍵是設計，工程是運用科學和技術進行設計，解決實際問題和制造產(chǎn)品的活動”“工程是以科學和技術為基礎的系統(tǒng)性工作”。在中國科技館，可以通過“太空探索”展區(qū)的展品“火箭解剖”體驗火箭是如何運用科學和技術進行系統(tǒng)設計的。

火箭解剖

我們經(jīng)常在電視上看到火箭發(fā)射時的場景，聽到介紹說某型火箭推力多大，能將多大的衛(wèi)星發(fā)射到什么軌道?？赡艽蠖鄶?shù)人不會知道這些數(shù)據(jù)和火箭自身結構有什么關系，也不知道火箭內(nèi)部到底是什么樣的?，F(xiàn)在，在中國科技館4層的“太空探索”展廳里有1件展品“火箭解剖”，在6米高的仿真模型前，你可以解剖長征二號F型火箭，一窺內(nèi)部結構。請大家思考一下火箭結構組成，為什么火箭發(fā)射后走一路丟一路？長征五號運載火箭結構和現(xiàn)在解剖開的長征二號F型結構一樣嗎？

長征二號F型火箭模型按照1：10的比例制作，它的助推器、芯一級火箭、芯二級火箭、整流罩、逃逸塔5個主要部位制作為動態(tài)結構，并裝置燈光及語音。操作臺上設有4個按鈕，可分別啟動火箭各個部位的動態(tài)結構、燈光及語音，演示其結構及功能。通過語音裝置，可收聽相關知識的語音講解。

助推器共4個，其中1個助推器的外殼制作為透明結構，內(nèi)部的發(fā)動機、燃料箱、氧化劑箱等主要結構均裝置燈光。參與者按下“助推器”按鈕，語音及燈光啟動，配合模型演示助推器的主要結構和功能。

芯一級火箭和芯二級火箭 它們的外殼為可自動開合結構，外殼打開，可展現(xiàn)其內(nèi)的發(fā)動機及噴管、燃料箱、氧化劑箱、級間段等結構，這些結構均裝置燈光。芯一級和芯二級火箭的發(fā)動機噴管都設有擺動功能，可驅動發(fā)動機噴管做單向擺動，擺動幅度模擬真實的噴管擺幅，其擺動角度分別為10°和60°，直觀演示火箭飛行姿態(tài)的調整方法。參與者操作按鈕，可分別打開芯一級和芯二級火箭的外殼。當它們的外殼打開時，相應的燈光及語音啟動，發(fā)動機噴管擺動。通過生動直觀的動態(tài)演示，參與者可了解芯一級火箭或芯二級火箭的主要結構、功能。演示結束，外殼自動關閉。

整流罩及逃逸塔 整流罩的外殼為可自動開合的結構，并裝置燈光，外殼打開可呈現(xiàn)保護在里面的飛船。整流罩上方的逃逸塔制作為動態(tài)機構，可攜帶飛船脫離火箭上升一定高度，直觀演示逃逸塔的功能。參與者按下“整流罩”按鈕，整流罩外殼打開，燈光亮起，參與者可看到整流罩內(nèi)的飛船。同時語音裝置啟動，介紹整流罩的作用及飛船的結構和功能。伴隨逃逸塔攜帶飛船脫離火箭的動態(tài)演示，語音會配合講解火箭發(fā)生危險時，逃逸塔攜帶飛船及航天員脫離險境的功能。讓公眾直觀認識整流罩、飛船及逃逸塔的結構和功能。

為什么火箭發(fā)射后一邊飛一邊丟東西

火箭是靠發(fā)動機噴射工作介質產(chǎn)生的反作用力向前推進的飛行器。它自身攜帶全部推進劑，不依賴外界工質產(chǎn)生推力，可以在稠密大氣層內(nèi)飛行，也可以在稠密大氣層外飛行。以長征二號F運載火箭為例，它由4個液體助推器、芯一級火箭、芯二級火箭、整流罩及飛船、逃逸塔等幾個部分組成。助推器、芯一級火箭、芯二級火箭均由氧化劑箱和燃燒劑箱及發(fā)動機構成，是火箭的“動力和心臟”。整流罩負責保護飛船免受來自大氣層的各種干擾。逃逸塔可在火箭發(fā)生故障時，拽著飛船與火箭分離，幫助飛船上的航天員脫離險境。

在火箭發(fā)射后，首先是芯一級和助推器點火工作，待燃料消耗完后就需要將其拋掉，以減輕重量。之后二級火箭發(fā)動機點火開始工作，繼續(xù)加速。以此類推，直到將航天器發(fā)送到預定軌道。所以，大家在看火箭介紹的時候，經(jīng)常有某火箭為二級或三級運載火箭，指的就是這個。一般來說，火箭級數(shù)越多，發(fā)射能力越強，但是隨著火箭級數(shù)的增加，其結構復雜性越來越大，對材料、燃料、控制等的要求成倍增加，所以現(xiàn)代火箭大多為二級或三級火箭。

通過前面的介紹，我們知道長征二號F型運載火箭是二級運載火箭，是目前我國載人飛船發(fā)射的唯一運載火箭，具有安全性、可靠性高等特點，先后將我國10艘“神舟”號載人飛船和“天宮一號”空間試驗室成功送入太空預定軌道。

和使用氫氧燃料的長征五號火箭相比，長征2F火箭結構有什么異同？

長征2F型運載火箭是使用四氧化二氮（N2O4）作為氧化劑、偏二甲肼（UDMH）為燃燒劑的液體火箭，發(fā)動機也是液體火箭發(fā)動機。而長征五號火箭主動力采用液氫、煤油、液氧等無毒、無污染推進劑，發(fā)動機也是新型大推力液氫液氧、液氧煤油發(fā)動機。使用燃料的不同使火箭發(fā)動機、內(nèi)部結構等均存在較大差異。例如燃料儲存結構，長征五號火箭有儲存低溫液氫、液氧的儲存罐。火箭發(fā)射時，由于長征五號主體采用了-252℃的液氫作燃料，比發(fā)動機殼體溫度低得多，所以最先進入發(fā)動機的氫就會升溫，變成專家所說的“熱氫”，火箭周圍會出現(xiàn)一些“霧氣”。

長征五號是我國當前最大的運載火箭，它采用了通用化、系列化、組合化思想設計。該系列由二級半構型的基本型長征五號運載火箭（CZ-5）、不加第二級的一級半構型長征五號乙運載火箭（C2-5B），以及添加上面級的長征五號/遠征二號運載火箭（ CZ-5/Y2-2）組成，地球同步轉移軌道和近地軌道運載能力分別達到14噸級和25噸級，以滿足中國未來天宮空間站、北斗導航系統(tǒng)的建設，以及探月三期工程及其他深空探測的需要。