齐奥尔科夫斯基首先提出火箭列车的概念,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,以达到战胜地球引力的目的。多级火箭系列用一种质量抛扔原理,即火箭发射后,把已经完成任务的无用结构抛掉,使火箭发动机的能量最大限度地用于提高航天器的能量,从而间接地减轻火箭的结构质量,提高火箭的质量比。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世界各国研制的运载火箭已有数十种,其大小不等,形状各异,但其结构形式基本上分为两类:一类是各级首尾联结的串联式火箭,另一种是下面两级并联,上面一级串联的混合式火箭。运载火箭的大小,由其飞行任务要求的有效载荷和飞行轨道而定,若飞行轨道相同,有效载荷愈重,则火箭起飞质量也愈大;若有效载荷不变,飞行轨道愈高,火箭的起飞质量也愈大。由于卫星或飞船等航天器的轨道较高,本身质量也大,所以,运载火箭都是一些身高体重的庞然大物。它们的质量至少几十吨,一般为一百多吨到几百吨,有的甚至可达二三千吨。火箭高一般为三四十米,有的超过100米。火箭粗都在1米以上,一般为3米左右,最粗可到10米。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至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;阿波罗"飞船的质量只有41。5吨。这是目前世界上最长的“火箭列车”了。火箭列车
这种**"火箭列车"是如何驶出地球到太空去的呢它耸立在发射台上,首先由地面控制中心指令第一级火箭发动机点火,火箭徐徐上升,加速飞行,逐渐按预定方向转弯,一百多秒钟后,火箭大约达到70公里左右的高度,第一级燃料耗尽后火箭发动机关机,并脱离整个火箭列车坠落地面;第二级接着点火,继续加速飞行,火箭飞出稠密大气层,达到预定高度和速度时,第二级燃料用完后火箭发动机关机并分离,火箭靠获得的能量开始惯性飞行;第**火箭发动机点火工作,当加速到预定速度时,第**火箭发动机关机,航天器与火箭分离,最后把航天器推入预定轨道。当然,运载火箭也不是级数越多越好,因为多加一级,不仅制造工艺和级间分离技术多一层困难,而且所能增加的速度也有一定限制,最多只能比单级火箭的速度大70%。现在,一枚**火箭能达到的速度已超过单级火箭45%,因此限于各种因素的影响,"火箭列车"都选在二级至四级之间,一般用**的居多,也最为适宜。**著名航天总设计师科罗廖夫根据齐奥尔科夫斯基关于"火箭列车"的思想,首先提出用单级火箭串联和并联结合的方式组成多级火箭实现宇宙航行的设计方案。这个方案是用一枚较长的地球物理火箭作芯级,芯级长29。17米,直径2。95米,装一台pд—108液体火箭发动机;在其周围捆绑4台助推器组成助推级,助推级长19米,直径3米,各装一台pд+107液体发动机。这样把芯级和并联的助推级串联起来,组成一枚两级液体火箭,从而产生足够的推力和需要的速度,把安装在火箭最上面整流罩内的人造卫星送入地球轨道。这种火箭发射时,5台发动机同时点火,产生398吨力(3900千牛)的起飞推力,火箭飞行120秒后,4个捆绑的助推器工作完成与其脱离,并被抛掉,这时火箭飞行高度为50公里,飞行速度达到3。2公里/秒。然后芯级的火箭发动机继续工作180秒,使火箭加速到8公里/秒的速度,此时卫星与火箭脱离,被推进到环绕地球的预定轨道上飞行。人类靠这种"火箭列车"的接力加速,跨入了宇宙空间的门槛。**太空奇侠
航天运载火箭扮演太空奇侠的角色,在征服宇宙的舞台上演出了一幕幕令人瞠目结舌的活剧。它集当今多种高新科学技术于一身,综合了众多学科的成果,是一个庞大复杂的系统工程。火箭这位太空奇侠大闹天宫,全靠它本身各个部分拥有的一套神奇本领。这位太空奇侠一般由箭体结构,动力装置和控制系统三大部分组成。箭体结构即火箭的壳体,它犹如奇侠的骨架,系火箭各个受力和支承构件的总成,通常包括头部的有效载荷整流罩,仪器舱,推进剂贮箱,发动机舱和尾段,有的大型运载火箭还有尾翼。火箭壳体内可以安装连接有效载荷,仪器设备和动力装置,贮存推进剂,承受地面操作和飞行中的载荷,可以使火箭有良好的空气动力外形,把火箭的各个部件牢固地组成一个整体。火箭头部的整流罩,用以保护所载物体和减小空气阻力。火箭头部飞出大气层时,整流罩即被抛掉,以减轻火箭质量,把有效载荷送入预定轨道;仪器舱集中安装控制设备;推进剂贮箱用于装载推进剂,要占火箭质量的80%～90%,体积也要占绝大部分,因此为了加大运载能力,要千方百计减轻推进剂贮箱的质量;发动机舱除装火箭发动机外,还用来在发射架上支撑整个火箭保持飞行时的外形。火箭结构所用的材料,对火箭至关重要。铝合金是火箭必不可少的常用材料,它很轻,结实,耐用,防腐蚀,加工容易,广泛用于火箭壳体的蒙皮和骨架零件,但它抗变形的刚度还不很理想。钛合金,强度高,具有优良的抗腐蚀和耐温性能。它在500℃高温下不变形,在—100℃时不变脆,在海水里泡几天也不生锈,因此它是制作火箭发动机壳体,高压气瓶,低温贮箱和各种管路的最佳材料。但它的切削加工性较差,需要加热成型。镁合金减震性能好,常用来制造火箭壁板结构的翼面,舱段及其他骨架零件。铍合金刚性最大,用它制成零件尺寸特别稳定。火箭上一些变形限制非常严格的零部件,如陀螺导航系统,常用铍合金复合材料是新兴的材料,它用不同的纤维边缠绕边用树酯粘连而成。玻璃纤维,有机纤维的强度特别高;碳纤维的刚度非常高;硼纤维则刚,强兼备;碳化硅,陶瓷纤维能耐高温,它们配以不同的树酯制成不同的复合材料,其性能一般大大超过现有的许多金属材料。动力装置包括火箭发动机和推进剂输送系统,犹如奇侠的心脏,是使运载火箭产生运动的动力来源。液体火箭有发动机和推进剂输送系统,固体火箭则没有推进剂输送系统。动力装置能产生强大的推力,使运载火箭达到预定的速度。液体火箭发动机由燃烧室,喷管,涡轮泵和活门四部分组成。燃烧室是推进剂混合燃烧的地方,产生高温高压气体,以高速从喷管排出,形成强大的推力;喷管要经受住高温高压,必须选用高强度耐热合金材料,而且还要有冷却措施;涡轮泵是利用燃气发生器产生的气体吹动涡轮,带动离心泵,使燃料和氧化剂注入燃烧室;活门则控制发动机的启开和关闭,调节进入管路中推进剂的流量。整个输送系统保证推进剂具有必要的泵入口压力,使离心泵正常工作。火箭发动机使用的燃料由氧化剂和燃料两部分组成,它们很大程度地影响着发动机性能,在一枚火箭的总质量中,燃料占了90%以上。目前液体运载火箭大多使用中能(常规)可贮存推进剂,包括氧化剂中的硝酸,四氧化二氮,燃料中的混肼50,偏二甲肼。作为高能推进剂的液氢,液氧,最近十多年来发展迅速,一般用作顶级火箭的推进剂。当前,液体推进剂正向两个方向发展,一是对现有推进剂进行改性,如美国在"阿金纳"火箭上采用高密度的改性酸,四氧化二氮含量由原来的13%～15%提高为44%～46%,密度增大0。1～15,使发动机比冲提高了6秒,可以提高火箭的有效载荷。另一个发展方向是研究新型推进剂,比如用液氟与肼组合,比冲可达376秒。固体火箭的推进剂一般分为双基推进剂,改性双基推进剂和复合固体推进剂。目前各国固体火箭大都用的是复合固体推进剂,比冲在230～260秒左右。这种推进剂由粘合剂系统,氧化剂,填料和各种助燃剂组成。固体推进剂要根据不同的需要浇铸成不同形状的**柱,供发动机使用。比如端面燃料**柱适用于低推力,长时间工作的发动机;星孔形侧面**多在主发动机上使用。控制系统犹如奇侠的神经中枢,能实时测量和控制火箭的飞行姿态,位置和速度,保证火箭姿态稳定,使其按预定弹道飞行,并控制火箭发动机关机,使有效载荷精确入轨运行。火箭的稳定飞行,要靠控制系统。这个系统包括制导,姿态控制等。运载火箭的制导,通常有惯性制导和无线电制导两种。惯性制导是依靠运载火箭内的仪器测量火箭的加速度而进行工作,主要部件有陀螺仪,加速度表,计算机等;无线电制导由地面用雷达或无线电将测出的运载火箭的方位及速度,经过计算比较,把修正飞行误差的指令送到运载火箭上,通过运载火箭上的控制系统来修正飞行航线,以及接收地面发出的发动机熄火信号来关闭发动机。这种控制系统有两大作用:一是控制火箭向前飞行,即控制火箭的质心沿预定的弹道运动;二是控制火箭的姿态,也就是控制火箭质心的运动。火箭一般装上尾翼,就可在大气中稳定飞行。但现代大型运载火箭往往在几十公里到几百公里的高空飞行,那里空气非常稀薄,尾翼就显得无所作为。所以,现代火箭的稳定飞行不能单靠尾翼的作用,必须在火箭上安装专门的自动控制设备。当火箭偏离航向时,自动控制设备就能发出信号,调整火箭的推力方向,使火箭回到预定的航线上稳定飞行。火箭上的自动控制设备,由敏感元件,中间装置和执行机构三大部分组成。敏感元件就像人的眼睛和神经,观测和感知火箭的飞行状态是否正常,发现火箭是否偏离航线。在早期的火箭上,敏感元件一般用陀螺仪。陀螺高速旋转时,它的旋转轴方向保持不变,因此,当火箭改变飞行方向时,火箭轴与陀螺旋转轴之间的夹角就发生变化。然后通过电位器,把这个角度改变量转换成电信号,并传给中间装置,经过比较和放大以后,经中间线路驱动执行机构发出指令,把火箭修正到预定的航线上来。火箭的执行机构通常有空气舵,燃气舵,摇摆发动机,游动发动机等几种。大型运载火箭大部分时间在大气层外飞行,用尾翼作空气舵,效率很低,控制常用可动喷管和二次喷射的方式来实现。所以,现代大型运载火箭都没有尾翼,或者尾翼很小。在现代运载火箭上,敏感元件多改用惯性平台。由惯性平台测出火箭飞行中的姿态,传送到箭上计算机,经计算机运算后又传送给自动驾驶仪。自动驾驶仪根据计算机提供的火箭飞行姿态角,速率,去控制各级发动机,**燃烧室和喷管,从而改变推力方向,修正火箭的航行。此外,从广义上讲,运载火箭还包括安全,遥测和发射系统。安全系统用于火箭在飞行中出现故障,落点超出允许范围而危及地面安全时,对火箭实施控制,终止火箭飞行并令其自毁。遥测系统是把火箭飞行过程中各系统的工作性能参数,环境条件以及飞行故障参数,通过无线电多路通信方式传到地面,然后分析故障,鉴定和改进火箭性能。发射系统包括火箭实施发射的运输,起竖,控制,**,供电,通信,消防,瞄准,跟踪等装置,保证火箭按预定程序成功飞行。