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2025-02-21多级火箭构造

2025-02-21多级火箭构造

作者: 黑雨赋能 | 来源:发表于2025-02-23 08:50 被阅读0次

1957年,苏联在另一位天才火箭科学家谢尔盖·科罗廖夫的带领下,以V-2火箭为基础,设计制造出了更先进的R-7火箭。

这款火箭高34米,重280吨,率先采用了多级火箭构造。

多级火箭的理念由齐奥尔科夫斯基首创,它的意义在于,当火箭飞行一段时间后,燃料和氧化剂逐渐耗尽,这时燃料罐和发动机都会成为“死重”,影响火箭继续上升。

如果把火箭分成好几级,到达一定高度和速度后抛弃一级箭体,就能大幅提高火箭后续的飞行效率。

在R-7火箭诞生的同一年,由R-7略加修改而成的东方号运载火箭,把人类第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”送上了地球轨道。

眼看苏联航天技术迅速发展,美国人心急如焚,他们试射的火箭多次爆炸,发射人造卫星也接连失败。

不得已之下,美国重新起用了布劳恩及其团队,在此之前,布劳恩等人因为身份原因,已经被美国边缘化了很长时间。

但正所谓老将出马,一个顶俩,布劳恩复出后,仅用了89天就用“朱诺1号”火箭把美国第一颗人造卫星“探险者1号”成功送入地球轨道。

作为美国最早投入使用的运载火箭,“朱诺1号”使用的是固体燃料,而非此前更常见的液体燃料。

有朋友可能会觉得,火箭用哪种燃料还值得一说吗?

不就是燃料的状态不一样嘛。

其实,液体燃料火箭和固体燃料火箭的区别非常大。

简单来说,液体火箭有点像打火机,里面的液体燃料源源不断地燃烧,燃烧过程可以控制。

固体火箭则像一个大炮仗,燃料和氧化剂再加一些黏合剂被做成固体后,装在火箭的外壳里,燃料的燃烧顺序是从内侧到外侧,它的形状直接决定了火箭起飞后的飞行状态。

假如固体燃料的截面形状是均匀的圆形,那么刚点火时燃烧面积最小,推力就最低,随着截面的圆形不断扩大,推力也会越来越大。

如果把推进剂截面做成特殊形状,比如星形,那在最开始时燃烧面积最大,推力也最大,当星形结构的触角部分燃烧完后,燃烧面积变小,推力也会变小。

在固体火箭发射前,工程师会根据预期的发射轨迹设计燃料的截面形状,一旦成形就不可更改。

所以固体火箭是开弓没有回头箭,一旦点火就必须起飞,没有当场熄灭、推迟和再发射的可能,但它的优点是结构简单,保存方便,推力非常大。

两种技术路线各有所长,没有绝对的优劣。

话说回来,美苏两国各自成功发射人造卫星后,它们在载人航天领域又开启了一系列竞赛,苏联首先将宇航员送上太空,美国则首先把宇航员送上了月球。

把人类送上月球的那枚超级火箭——土星5号。

前往月球的路途遥远,而且还要携带许多登月设备,所以执行发射任务的火箭,必须有超强的运载能力,自身必定也是个庞然大物。

土星5号高110米,重量超过3000吨,要想驱动这个巨型火箭,发动机的总推力必须足够大。

单纯堆砌发动机的数量肯定不行,因为数量越多,每一个发动机都完美工作的概率就越低。

因此单个发动机的推力必须足够大,可是发动机做得越大,内部燃烧室压力不均匀、燃烧不稳定的现象就会越严重。

为此,布劳恩带领团队投入了大量资源,重新设计了发动机燃烧室的结构,才终于克服了燃烧不稳定的问题。

这款成功的发动机代号F-1,土星5号的第一级搭载了5台F-1发动机,它们每秒能烧掉13吨燃料和氧化剂,并以8马赫的速度喷出气体,产生高达3400吨的推力。

由这些发动机推送上天的土星5号,也成为人类发射过的最大的火箭之一。

美苏间的太空竞赛结束后,人类航天事业的发展进程更加理性、稳健,民营航天企业逐渐崛起。

比如埃隆·马斯克的Space-X公司已经在降低发射成本方面取得了很大进展,中国也有多家民营航天企业成功发射火箭。

这些民间力量的出现,无疑能在未来大幅降低航天发射的成本,增大航天发射规模,从长远看,对人类航天事业的发展是很有利的。

最后,我还想和你分享一下未来航天技术的发展方向。

人类未来要想登陆火星,或者走向更遥远的深空,必须大幅提高宇宙飞船的飞行速度,航行时间太久,宇航员的生存都会成为一个问题。

然而传统的推进火箭需要携带大量燃料,飞船不可能一直靠火箭驱动加速,这就意味着人们必须找到全新的推进方案。

目前来看,离子喷射发动机很有前景。

和传统的化学燃料发动机不同,离子喷射发动机的工作原理是先把推进剂电离成离子,然后再用电场把离子以超高速喷射出去形成推力。

这个过程不涉及化学反应,只用携带少量惰性气体推进剂就能进行,所需电力也能靠太阳能或核动力电池提供。

如今的离子发动机只能产生几十毫牛的推力,大约相当于一张纸的重量,但即便如此,它的推进效率也能达到传统化学火箭的10倍以上。

据估计,未来人类登陆火星时,如果用化学火箭,需要花费6个月的飞行时间,而离子发动机可以在39天内把飞船送到火星,应用潜力可见一斑。

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