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苏联的宇宙火箭和进一步的发展

时间:2022-12-15 09:05:04 公文范文 来源:网友投稿

苏联在发射出一颗比一颗重的三颗人造地球卫星以后,于1959年1月2日,又划时代地发射出人类第一只宇宙火箭。如今这颗红色的行星正沿着椭圆形的轨道,环绕着太阳不停地运转,成为太阳系大家庭中的一个新的成员——第十位小兄弟。他虽然诞生不久,却已获得普世的欢呼。他的诞生标志着人类已经走入星空时代。人类乘火箭驾东风,拜访广寒宫内的嫦娥仙子和太白金星上的长庚老人的日子已经不远了。

这样一只无论在政治上和科学上,意义都是非常重大的宇宙火箭,其轨道和发射究竟是怎样的呢?在它之后下一步又将怎样办呢?人是怎样才能离开地球进入宇宙空间呢?这一连串问题,都值得我们思考。

图1 苏联宇宙火箭的轨道

苏联宇宙火箭的轨道是怎样的

1959年1月2日莫斯科时间晚上8点(北京时间1月3日清晨1点),在苏联辽阔国土的某处,响起雷鸣般的吼声,强大的火箭发动机喷出红色的火焰,巨型多级火箭划破夜空,开始历史上第一次宇宙飞行了。各级火箭一个个地烧完燃料然后脱落,整个火箭的速度愈来愈高,当最后一级火箭的燃料烧完时,它已把携带的仪器设备加速到比第二宇宙速度——11.2公里/秒还要大。这时火箭的方向正对着出现在东方天空上的半个月牙。

7小时后,宇宙火箭已爬升到离地球10万公里的高空,再过57分,即莫斯科时间1月3日清晨3时57分,在离地球11万3千公里处,火箭喷出了钠蒸气,形成了彗星。苏联南部的天文观察台还拍摄了钠星云的照片。1月4日5时59分,即在火箭起飞那个历史时刻之后34小时(不到一天半),宇宙火箭已飞行了37万公里,同月亮“擦身”而过。这时离月亮最近的距离约为5、6千公里,大致相当于月球直径的1倍半。1月5日10时火箭已离开地球59万7千公里。1月7日宇宙火箭已飞行了1,450万公里,离地球的直线距离约100万公里,这时地球对火箭的引力已经很小,几乎不再存在,起作用的主要是太阳的强大引力。换句话说,从1月7日起,宇宙火箭已经进入自己环绕太阳的轨道了。到1月12日,宇宙火箭从地球轨道上的出发点算起已经飞行了三千万公里,相当于在地球和月亮之间跑了约78次。

苏联宇宙火箭——人造行星的轨道和太阳系的其他行星相似,也是椭圆形的。轨道的平面几乎和地球的轨道重合,二者相差只有1度左右。人造行星轨道的长轴,即最远两点的距离约为3亿4,360万公里,与地球长轴相差15度。宇宙火箭已于1月14日进入轨道的近日点(最接近太阳的一点),这时它离太阳的距离最近,约1亿4,640万公里;飞行速度最大,约为每秒32公里。几个月后,大约在9月初,人造行星又将进入远日点,这时它离太阳的距离最远,约1亿9,720万公里(比地球远4700万公里);它的飞行速度最小,约每秒24公里。在近日点和远日点之间的平均飞行速度约为每秒27.75公里。人造行星环绕太阳走一圈的时间,也就是人造行星上一年的时间,比地球上的一年长一些,约为15个地球月,说的更准确一点是450个地球日。既然人造行星的轨道是椭圆形的,自然也有个椭圆度,表示这个椭圆度的偏心率是0.148,比地球轨道的偏心率(0.017)要大一些,也就是说它没有地球轨道那么圆,要更扁一些。

图2 宇宙火箭发射示意图

人造行星在飞行一段时间以后,可能又同到原来发射的地点。据估计,在绕太阳飞行125圈(即过了一百五十多年)以后,约在公元2113年,人造行星又将和地球相遇。但这时由于受月球和其他行星引力的影响,并不致碰上地球。二者相距最近的距离也会有一百万公里。最近一二十年内,大概在1975年人造行星和地球相距最近,但也有1500公里,所以我们尽可放心,不必害怕火箭会碰上地球发生危险。

怎样把人造行星送上轨道

苏联的人造行星,作为一个被发射的物体来说,是个“庞然大物”。单单八种科学测量仪器和形成钠云的仪器,三台无线电发射机,电源,苏联国徽标志以及容器就有361.3公斤。再加上最后一级火箭,总重量共达1,472公斤,几乎有一吨半。最后一级火箭的燃料还不算在内。把这样重的物体,从地面上发射到大于每秒11.2公里的速度的确不是一件简单的事。要做到这一点必须要解决三个科学技术问题,就是:用什么工具来发射?怎样准确地控制它进入预定的轨道?发射时选择什么样的时间和方向?

首先我们来看究竟用什么发射工具?

图3 一种多级火箭的飞行和脱离示意图

这个问题的正确答案,我们都已很熟悉,那就是用我们中国人首先发明的火箭,当然现在的火箭要进步的多,但是基本原理却是完全相同的。

按照苏联的伟大科学家乔尔可夫斯基的理论,要想达到第二宇宙速度用单级火箭是不行的,必须用多级火箭,用化学燃料火箭发射人造地球卫星,达到每秒8公里的速度,如果三级火箭就够了的话,那么要获得第二宇宙速度,至少要四级。由于苏联火箭技术的先进,用的不会是一般的燃料如酒精、汽油之类,必然是含能量很高的燃料;像液氢,液氟或其他的化合物。氧化剂也必然是高能的。再加上火箭采用重量轻强度高的结构材料,这样就可把整个多级火箭做的比较轻。虽然如此,但由于有效重量很大,要求的速度又很高,多级火箭的起飞总重量可能仍然是非常惊人的。初步估计至少有好几百吨,也许是五六百吨。那么第一级火箭的推力自然比这个数值还要大——也许近一千吨,否则无法使这个“巨人”离开地面。由这种巨型火箭所产生的巨大推力,可以看出苏联火箭技术的进展是多么迅速!十几年前第二次世界大战快结束时,纳粹德国的V-2火箭的推力才25吨多,曾几何时,苏联的科学家和工程师们就把火箭的推力提高到几十倍了。

要做出能够产生几百吨、甚至千吨推力的巨型火箭,需要许多门高度发展的科学技术的密切配合。例如耐高温的材料,设计得极为完善的燃料供应系统,高效率的液压泵,高温度的合金材料,含能量极高的化学燃料和氧化剂等等,都是必不可少的。而造出这些复杂的设备和贵重的器材,必须拥有一系列的现代化工业和极先进的科学技术。

图4 火箭利用向下喷气的办法在月球面上着陆的情况

强有力的发射工具——多级火箭是必须具备的基本条件。但是光有它还不够,还必须把这种多级火箭准确地控制着使它进入预定的轨道。

这就必须具备一套准确而完善的自动控制系统和操纵设备。此外,为了把科学仪器测量的数据送回地面,还必须安装成套的工作可靠的遥测装置。

多级火箭可用陀螺仪表来控制。这些陀螺仪表当火箭飞行时可定出三个方向——俯仰,偏航和滚转的基本座标轴。火箭飞行的位置以及方向和速度都可根据这个座标轴来确定。如果火箭不按预定的方案飞行,这套控制仪表就可自动地进行修正。这种利用陀螺仪表工作的叫惯性自动控制系统。此外还可利用无线电和天文来进行自动控制。

图5 一种巨型的空间站的设计

除了自动控制系统外,火箭本身还得安装操纵机构,来执行操纵讯号所给的命令。火箭上最常用的操纵机构是燃气舵和可改变喷气方向的喷气管(小型火箭)。燃气舵是耐热的板子,把它放在火箭发动机的喷口处,通过改变燃气喷流的方向来改变推力的方向,这样也就改变了火箭飞行的方向。此外,在低层大气中还可利用和普通飞机尾舵相似的空气舵来操纵。

图6 宇宙火箭在空中加油

图7 降落在月球表面上的宇宙火箭

自动控制系统,操纵机构和遥测系统都需要高度发达的仪表制造工业,无线电电子工业和一系列其他精密工业。显然,苏联在这一方面也获得了极高的成就。

有了强有力的发射工具和准确控制飞行的自动控制系统以后,就可发射人造行星了。但是问题又来了:如何安排多级火箭的工作?到底选择什么时间和方向发射最好?轨道又该如何选择?

首先看多级火箭工作的情况。假定用的是四级火箭。火箭起飞时是垂直立在地面上的。在规定的时刻,一声令下,第一级火箭便开始点火工作,发出强大的推力,整个火箭便垂直上升。开始时由于火箭本身很重,惯性很大,积累的速度是不很高的。等火箭飞出稠密的大气层时,自动控制仪表便使火箭缓缓倾斜,达到规定的速度和方向,燃料烧完,于是第一级火箭就自动脱落。接着第二级火箭就点火工作,把速度再行提高。等第二级火箭燃料烧完自动脱离,第三级再接下去工作。这样,速度逐级累积增高,到最后一级时,它的最终速度和方向完全符合预定的飞行方案,恰好使火箭进入预定的轨道。若是最终速度的大小和方向稍有差错,就会错过预定的轨道,使飞行失败。例如1958年10月美国发射的月球火箭,在速度上只减少了百分之二,就使火箭重新坠入大气焚毁。

在多级火箭发射之先,必须计划好发射的时间和方向,计算好轨道。苏联宇宙火箭在这方面的选择是十分聪明的。火箭发射的时间是下弦月,这时月亮离地球最近(约37万公里),并且走在地球轨道的前头(见图1)。火箭向月亮发射恰好是沿着地球绕太阳公转轨道的切线方向飞行,因而它除本身的第二宇宙速度外,还获得地球公转的速度(约每秒30公里)。另外,发射的时刻是晚间八点,月牙刚从东方升起不久。火箭向东方发射,又获得地球自转的速度(这个速度在赤道处最大,约每秒0.456公里,地球自转的方向是自西朝东)。因此,宇宙火箭在起飞后不久所获得的总速度应该是三个速度之和——第二宇宙速度(11.2公里/秒),加地球公转速度(30公里/秒),再加上地球自转速度(小于0.456公里/秒,因为苏联火箭发射地区不会在赤道),总共可能达到每秒40公里以上。但是这个速度由于地球引力和月球引力的作用,随着火箭飞离地球而逐渐减小。到1月7日火箭进入自己的轨道时,它的速度已是克服地球和月球引力之后剩余的速度,这时略大于每秒30公里。到1月14日进入近日点时,它的速度约为每秒32公里,数值最大。

如果使宇宙火箭变成月球的人造卫星,那么当火箭到达月球引力区时,使它的速度等于月球的第一宇宙速度(约每秒1.65公里)就行了。

行星际航行的轨道的计算远较人造卫星复杂,因为各行星和太阳的引力都对火箭起作用。只有在天体力学,宇宙航行学,弹道学和空气动力学等方面有深湛的研究才能解决这个复杂的计算问题。当然计算时必须依靠电子计算机,别的计算器械是无法完成庞大而又繁难的计算任务的。

宇宙航行的下一步

苏联的宇宙火箭打开了行星际宇宙航行的大门。下一步将怎样办呢?

下一步工作的可能性有好几种,也许会分两方面齐头并进。一方面是用不带人的宇宙探测火箭继续向月亮和靠近地球的其他行星,如金星和火星进行探测,以便在科学上累积更多的资料,对它们作更确切的了解,为人向这些天体进军打下坚实的基础。另一方面是积极进行宇宙飞行中生命问题的研究。具体地说就是研究:人在宇宙间怎样才能生存和正常的生活与工作;人怎样才能返回地球和在其他星球上降落;怎样才能把燃料和器材运送到空间去等等问题。这一工作其实早在好几年前就在苏联开始了,比如用单级高空探测火箭把动物(如狗)送上天,研究超重、失重等反常现象对动物机体所起的影响。第二颗苏联人造地球卫星上就载有一个为科学研究贡献出生命的小狗——莱伊卡。

在不带人的宇宙探测火箭方面,也许不久就会出现人造月球卫星。以火箭的威力来说,其实目前立刻就可进行这项工作。假如某个早晨我们听到苏联又发射了一颗这样的卫星,大可不必惊异。这种火箭上面如果带了电视,就可把月球老是“背人”的那面的景象显示给我们了。

这次苏联发射的人造行星如果把速度稍稍再增大一些,比如说再增加每秒点二公里,就可飞到火星了。因为目前的人造行星轨道和火星轨道最近处,相距只有1,500万公里。飞往地球内圈的金星也不是什么难事,只要速度稍稍增大些,飞行方向调整一下,就可做到。在这些飞往行星的探测火箭上安装电视和其他考察仪器,也可把这些星球的表面现象弄清楚,看看上面有没有生命,并且可以寻觅最适合的着陆地点。

人要飞出地球应该做好两种准备工作。首先应该研究出最稳妥的返回地球的办法。比较方便的办法是利用地球低层厚密大气的掣动作用。回返地球的宇宙航行器如果能用适当的、产生空气阻力的机构把速度降低,然后再用面积很大的翅膀,像只滑翔机似的滑翔下来,那就比较方便了。凡是周围包着一层厚密大气的星球,似乎都可采用这个办法着陆。另一个办法是着陆时把火箭头掉转过来,头上尾下,向下喷气,利用推力来支承重量,缓缓着陆(图4)。不过这种办法要多带为着陆用的燃料,使火箭的重量增加,是一个缺点。

另一种准备工作似乎是建立一个空间站——即巨大的人造地球卫星。如果人造卫星的轨道安置在地球上空几千公里的高处,由于那儿几乎是真空,没有空气阻力,卫星的速度不会降低,所以它可永远在轨道上环绕着地球运转。只要这种卫星相当大,能容纳人在里面生活和工作(当然这时已经解决了人在空间的生存问题),这就成为一个空间站。这个空间站愈大愈好,可以多容纳人和器材,更便于工作,图5就是这样一个空间站的设计,它里面可住七八十人。

有了空间站,可以储集器材,准备好宇宙火箭,装足燃料,向月球出发。由于空间站已经有了每秒8公里的速度,所以宇宙火箭从这儿飞起再加上每秒3公里多一点的速度就可飞往月球了。从这儿出发没有地球表面厚密大气层的阻碍,所以要容易的多。如果不用空间站,还可采取在空中向宇宙火箭加油(增加燃料)的办法,如图6所示。这样也可使火箭飞的更快,跑的更远。

在做好回返地球和建立空间站这两项准备工作以后,人飞往月球就更有把握了。那时可源源不断地把器材和燃料运往月球,把月球作为我们外层空间的永久基地(图7)。从那儿我们可以更方便地飞往其他行星,从比较近的金星和火星开始,然后再去比较远的水星、木星、土星等。等到我们征服了太阳系的行星后,下一步就将是跨出太阳系,飞往更广阔的宇宙空间——恒星世界,在银河星系里面遨游。由于旅程辽阔,化学火箭速度太低,那时必须采用新的宇宙航空器——光子火箭,而这却属于远程宇宙航行的范畴了。

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