火箭这个名字最早出现在什么时期(如何让细长的火箭飞起来?说难也不难)

火箭这个名字最早出现在什么时期(如何让细长的火箭飞起来?说难也不难)

为庆祝中国共产党成立100周年,鼓励青少年学习航天科学知识,中国航天科普融媒体平台联合辽宁《新少年》杂志,启动《献礼建党百年——中国航天科技成就巡礼》专栏,我们将用8个月的时间,为青少年讲述中国航天科技取得的成果。

运载火箭

运载火箭是人类开展航天活动使用的一种重要的运输工具,具有强大的推力。根据任务需要采用不同组合的运载火箭,可以带着卫星、载人飞船、探测器和空间站突破地心引力的束缚,进入各自的运行轨道。

通常,运载火箭的起飞重量达几百吨。让这么重的“大家伙”飞起来,并经受住大气层内各种气流的冲击,还要精准地送航天器进入预定轨道可不是一件容易的事情。那么,火箭是如何完成这些高难度任务的呢?首先,我们来看看火箭的飞行原理。

火箭是怎么飞起来的?

我们做一个简单的实验,如果把一个气球吹鼓,然后放开出气口,大家猜猜气球会飞向哪个方向呢?答案是气球会飞向出气口排出气体相反的方向。这就是作用力与反作用力原理,也就是牛顿第三定律。火箭飞行采用的就是这个原理。

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放气的气球会沿着排气相反的方向飞行


举个例子,使用液体推进剂的火箭在发射时,火箭发动机点火,发动机中的燃料迅速燃烧并产生高温燃气。大量的高温燃气经过发动机尾部的喷管进行膨胀加速,再以每秒1500到5000米的高速向着地面喷出,产生强大的反推力,就会将运载火箭反推上天。之后,在高温燃气的推动下,火箭就可以冲出地球大气层了。可见,运载火箭是依靠发动机喷出的高温燃气推力飞行的。

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液体火箭发动机推力室示意图


理解了火箭的飞行原理,我们不得不叹服火箭创造者的巧思。那么,你知道运载火箭的起源是哪里吗?又是谁创造了它?

火箭的故乡在中国是真的吗?

据古籍记载,“火箭”一词最早出现在三国时期,指的是前端点燃易燃物的普通箭,需要靠弓弩射出。这种火箭与现代靠喷气推力飞行的运载火箭原理上并不相同。后来,火药出现了!它代替易燃物用在火箭上,但这些火箭仍然由弓弩射出。

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火箭最早出现在三国时期

中国历史上真正称得上火箭先祖的火箭出现于南宋孝宗年间,那时,它的名字叫做炮仗、烟火。不是开玩笑哦,这种火箭可是真正靠火药燃烧产生喷气推进的。例如“起火”,就是利用火药缓慢燃烧产生反作用力向前推进,不仅战时用作信号,平时还能用于庆祝喜事。

更有意思的是,“起火”之后,我国古代不仅出现了运载火箭的雏形,甚至出现了原始的捆绑火箭、多级火箭和可回收火箭。

在明代茅元仪编著的《武备志》中记载着这样一种火箭。在“起火”的前端加一个箭头,尾端装上箭羽。别看只是简简单单的结构,但它可是现代火箭的雏形——具备战斗部(箭头)、推进系统(药筒)、稳定系统(尾羽)和箭体结构(箭杆),是不是很厉害呢?

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《武备志》上画的火箭


火箭“神火飞鸦”的“乌鸦”体内装满火药,鸦体下方装着4支“起火”,像极了现代火箭捆绑的助推器。

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神火飞鸦与发射神舟飞船的长征2F运载火箭


明朝时期世界上最先进的水战武器“火龙出水”利用毛竹制成龙体,龙体内装着数枚火箭,龙体下方装着4支“起火”。使用时,点燃龙体下方的“起火”,“火龙出水”会向前腾飞。“起火”的火药燃烧完后,火龙龙体内的火箭会自动点燃,从龙口喷出。这样依次点火飞行的方式也被运用在了近代的多级火箭中。

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火龙出水


我国古代还有一种可回收火箭,叫做“飞空砂筒”。火箭箭身上绑着两个火药药筒。一个筒口向后,另一个筒口向前。使用时先点燃筒口向后的药筒,“飞空砂筒”发射飞向敌方。火药烧完后自动点燃药筒前端装有细砂的爆竹,细砂随之喷出,能够伤害敌人的双目。然后筒口向前的药筒点燃,将火箭送回,设计的十分巧妙。

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飞空砂筒


我国古代火箭技术的发展时间早、技艺高,在世界上遥遥领先于其他国家。13世纪之后,火药和火箭技术逐渐传入欧洲,对后来西方的文明与进步产生了深远的影响。古代火箭的样子五花八门,但是现代火箭好像长得都差不多,都是细细长长的。为什么火箭的外形是这样的呢?

火箭为什么都是细长的?

火箭发射后,首先是在地球的大气层内飞行。在这个过程中,火箭的箭体会受到空气气流的一系列影响,比如会和空气摩擦生热等。这些影响左右着火箭的一系列设计,比如外形设计、飞行轨道设计、结构设计等。因此,为了保证飞行安全,满足任务的需要,火箭对外形的设计要求很高。

早期,我国运载火箭的外形是简单的椎-柱段设计,后来由于要发射的卫星、飞船、探测器等航天器的尺寸越来越大,对火箭的运载能力的要求也越来越高,发展出了外形和特性都比较复杂的大钝锥头设计和捆绑助推外形。为了进一步减轻飞行的阻力,我国新一代运载火箭长征五号、长征七号等的整流罩还采用了冯·卡门曲线外形,形状像水滴,流线型更好。

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准备执行嫦娥五号发射任务的长征五号运载火箭


今天,我国火箭外形是这样确定的:首先,设计人员根据火箭的总体指标和要求,在与飞行弹道、发动机等专业人员协调后,设计出初步的外形方案;然后,通过大量专业人员的分析、计算,并进行风洞试验,获得火箭的测试数据以及预测初步方案可能出现的问题;接着,把数据和预测结果提供给相关的专业人员进行进一步分析,如果发现问题,就对火箭外形进行修改;最后,经过一轮或多轮的迭代更新,就能确定满足各项要求的火箭外形啦!

有专家预测,未来火箭的外形将变得更长,可能会达到100米左右;芯级直径更粗,大概在8~10米;助推器也会更多。你期待吗?

我国有哪些运载火箭?

1970年4月24日,我国第一个运载火箭长征一号成功托举东方红一号卫星发射升空并顺利进入预定轨道,从此,中国成为世界上第五个用自制火箭成功发射本国卫星的国家。之后经过五十多年的发展,形成了包括约20个火箭型号的长征系列运载火箭。

长征系列运载火箭具备了发射低、中、高不同地球轨道、不同类型卫星及载人飞船的能力,具备发射无人深空探测器的能力。目前,长征系列运载火箭能够向距离地面2000千米以内的低地球轨道发射25吨的航天器,向太阳同步轨道发射5吨的航天器,向地球同步转移轨道发射14吨的航天器,入轨精度处于国际先进水平,能够满足不同任务的多种需求。截至2021年9月20日,长征系列运载火箭已发射389次。

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中国现役运载火箭型谱


在所有长征系列运载火箭中,想必大家最熟悉的就是长征五号运载火箭了。毕竟,天问一号火星探测器、嫦娥五号月球探测器都是由它送入太空的,是发射火星探测器和月球探测器的一把好手!

长征五号运载火箭身高57米,相当于20层楼的高度。芯级直径5米,比长征系列火箭的其他型号大了将近一半,因此外形上“胖得可爱”,被大家亲切地称为“胖五”。

不仅外形可爱,长征五号运载火箭的运载能力还十分强大,能够向近地轨道发射25吨的航天器,向地球同步转移轨道发射14吨的航天器,使长征系列火箭家族的运载能力有了大幅提升。它的成功研制是中国航天由航天大国迈向航天强国的关键一步。

作为我国的新一代运载火箭,长征五号芯级发动机采用的是液氢液氧燃料,助推器采用的是液氧煤油燃料,全箭无毒无污染,满足绿色、环保的需要。由于燃料中液氢和液氧的温度都在零下两百度左右,因此,长征五号还被称为“冰箭”。

去年,“胖五”家族又添新成员,它就是长征五号B运载火箭,主要用于发射近地轨道的大型卫星和飞船,今年升空的空间站天和核心舱就是由长征五号B运载火箭发射的。它拥有我国目前最大的火箭整流罩,长度达到了20.5米,比长征五号12.5米的整流罩还大不少。

火箭这个名字最早出现在什么时期(如何让细长的火箭飞起来?说难也不难)

长征五号B运载火箭拥有我国最大的整流罩

明年,“胖五”家族还将发射中国空间站工程的问天、梦天两个实验舱。期待它们能够稳定发挥,发射成功,助力我们迈向星辰大海的脚步!

运载火箭就像蜡烛一样,燃烧自己把探测器送到更高更远的太空中。我们千千万万的航天科研工作者也是以这样的牺牲精神、奉献精神从事航天工作的,让我们向运载火箭和航天工作者致敬!

运载火箭的知识,你看懂了吗?期待未来运载中国空间站、载人飞船、星际探测器的运载火箭,也有你贡献一份力量!


文/甄敏

编辑/杨斯爽

审核/杨洁

监制/曹晓勇


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