帶你認識運載火箭

甄敏

運載火箭是人類開展航天活動使用的一種重要的運輸工具，具有強大的推力。根據任務需要采用不同組合的運載火箭，可以帶著衛星、載人飛船、探測器和空間站突破地心引力的束縛，進入各自的運行軌道。

通常，運載火箭的起飛重量達幾百噸。讓這么重的“大家伙”飛起來，并經受住大氣層內各種氣流的沖擊，還要精準地送航天器進入預定軌道可不是一件容易的事情。

火箭是怎么飛起來的？

我們做一個簡單的實驗，如果把氣球吹鼓，然后放開出氣口，大家猜猜氣球會飛向哪個方向呢？答案是氣球會飛向出氣口排出氣體相反的方向。這就是作用力與反作用力原理，也就是牛頓第三定律。火箭飛行采用的就是這個原理。

舉個例子，使用液體推進劑的火箭在發射時，火箭發動機點火，發動機中的燃料迅速燃燒并產生高溫燃氣。大量的高溫燃氣經過發動機尾部的噴管進行膨脹加速，再以每秒1500到5000米的高速向著地面噴出，產生強大的反推力，就會將運載火箭反推上天。之后，在高溫燃氣的推動下，火箭就可以沖出地球大氣層了。可見，運載火箭是依靠發動機噴出的高溫燃氣推力飛行的。

火箭的故鄉在中國？

據古籍記載，“火箭”一詞最早出現在三國時期，指的是前端點燃易燃物的普通箭，需要靠弓弩射出。這種火箭與現代靠噴氣推力飛行的運載火箭原理上并不相同。后來，火藥出現了！它代替易燃物用在火箭上，但這些火箭仍然由弓弩射出。

中國歷史上真正稱得上火箭先祖的火箭出現于南宋孝宗年間，那時，它的名字叫作炮仗、煙火。不是開玩笑哦，這種火箭可是真正靠火藥燃燒產生噴氣推進的。例如“起火”，就是利用火藥緩慢燃燒產生反作用力向前推進，不僅戰時用作信號，平時還能用于慶祝喜事。

更有意思的是，“起火”之后，我國古代不僅出現了運載火箭的雛形，甚至出現了原始的捆綁火箭、多級火箭和可回收火箭。

在明代茅元儀編著的《武備志》中記載著這樣一種火箭：在“起火”的前端加一個箭頭，尾端裝上箭羽。別看只是簡簡單單的結構，但它可是現代火箭的雛形——具備戰斗部（箭頭）、推進系統（藥筒）、穩定系統（尾羽）和箭體結構（箭桿），是不是很厲害呢？

火箭“神火飛鴉”的“烏鴉”體內裝滿火藥，鴉體下方裝著4支“起火”，像極了現代火箭捆綁的助推器。

明朝時期世界上最先進的水戰武器“火龍出水”利用毛竹制成龍體，龍體內裝著數枚火箭，龍體下方裝著4支“起火”。使用時，點燃龍體下方的“起火”，“火龍出水”會向前騰飛。“起火”的火藥燃燒完后，火龍龍體內的火箭會自動點燃，從龍口噴出。這樣依次點火飛行的方式也被運用在了近代的多級火箭中。

我國古代火箭技術的發展時間早、技藝高，在世界上遙遙領先于其他國家。13世紀之后，火藥和火箭技術逐漸傳入歐洲，對后來西方的文明與進步產生了深遠的影響。

火箭為什么都是細長的？

古代火箭的樣子五花八門，但是現代火箭好像長得差不多，都是細細長長的。為什么火箭的外形是這樣的呢？

火箭發射后，首先是在地球的大氣層內飛行。在這個過程中，火箭的箭體會受到空氣氣流的一系列影響，比如會和空氣摩擦生熱等。這些影響左右著火箭的外形設計、飛行軌道設計、結構設計等。因此，為了保證飛行安全，滿足任務的需要，火箭對外形的設計要求很高。

早期，我國運載火箭的外形是簡單的椎柱段設計，后來由于要發射的衛星、飛船、探測器等航天器的尺寸越來越大，對火箭的運載能力的要求也越來越高，發展出了外形和特性都比較復雜的大鈍錐頭設計和捆綁助推外形。為了進一步減輕飛行的阻力，我國新一代運載火箭長征五號、長征七號等的整流罩還采用了馮·卡門曲線外形，形狀像水滴，流線型更好。

我國有哪些運載火箭？

1970年4月24日，我國第一個運載火箭長征一號成功托舉東方紅一號衛星發射升空并順利進入預定軌道，從此，中國成為世界上第五個用自制火箭成功發射本國衛星的國家。之后經過五十多年的發展，形成了包括約20個火箭型號的長征系列運載火箭。

長征系列運載火箭具備了發射低、中、高不同地球軌道、不同類型衛星及載人飛船的能力，具備發射無人深空探測器的能力。目前，長征系列運載火箭能夠向距離地面2000千米以內的低地球軌道發射25噸的航天器，向太陽同步軌道發射5噸的航天器，向地球同步轉移軌道發射14噸的航天器，入軌精度處于國際先進水平，能夠滿足不同任務的多種需求。截至2021年9月20日，長征系列運載火箭已發射389次。

在所有長征系列運載火箭中，想必大家最熟悉的就是長征五號運載火箭了。畢竟，天問一號火星探測器、嫦娥五號月球探測器都是由它送入太空的，是發射火星探測器和月球探測器的一把好手！

長征五號運載火箭身高57米，相當于20層樓的高度。芯級直徑5米，比長征系列火箭的其他型號大了將近一半，因此外形上“胖得可愛”，被大家親切地稱為“胖五”。

不僅外形可愛，長征五號運載火箭的運載能力還十分強大，能夠向近地軌道發射25噸的航天器，向地球同步轉移軌道發射14噸的航天器，使長征系列火箭家族的運載能力有了大幅提升。它的成功研制是中國航天由航天大國邁向航天強國的關鍵一步。

作為我國的新一代運載火箭，長征五號芯級發動機采用的是液氫液氧燃料，助推器采用的是液氧煤油燃料，全箭無毒無污染，滿足綠色、環保的需要。由于燃料中液氫和液氧的溫度都在零下兩百度左右，因此，長征五號還被稱為“冰箭”。

去年，“胖五”家族又添新成員，它就是長征五號B運載火箭，主要用于發射近地軌道的大型衛星和飛船，今年升空的空間站天和核心艙就是由長征五號B運載火箭發射的。它擁有我國目前最大的火箭整流罩，長度達到了20.5米，比長征五號12.5米的整流罩還大不少。

明年，“胖五”家族還將發射中國空間站工程的問天、夢天兩個實驗艙。期待它們能夠穩定發揮，發射成功，助力我們邁向星辰大海的腳步！

運載火箭就像蠟燭一樣，燃燒自己把探測器送到更高更遠的太空中。我們千千萬萬的航天科研工作者也是以這樣的犧牲精神、奉獻精神從事航天工作的，讓我們向運載火箭和航天工作者致敬！

（責任編輯 高博）