在千年前的古代，祖先發(fā)明的火箭就是給箭頭上加了個(gè)煙花。進(jìn)入工程實(shí)用階段以后，火箭用于遠(yuǎn)程攻擊，運(yùn)載火箭成為了國(guó)家力量的象征。而如今，我國(guó)的長(zhǎng)征二號(hào)F載人運(yùn)載火箭解決了成本和安全問(wèn)題，組成了一個(gè)非?？煽康南到y(tǒng)…
出品：格致論道講壇
以下內(nèi)容為中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員周炳紅演講實(shí)錄：
大家好，我是周炳紅。今天跟大家分享火箭是怎么演化成今天這樣的。
▲圖片來(lái)源：TylerSkrabek
這就是目前世界上主流的各種各樣的運(yùn)載火箭，圖中也包括我國(guó)的“長(zhǎng)征”系列火箭，還有航天飛機(jī)。通常的運(yùn)載火箭與經(jīng)典的力學(xué)與控制問(wèn)題相關(guān)?！敖?jīng)典”就是說(shuō)它不像量子糾纏、量子力學(xué)以及最近很火的超導(dǎo)等問(wèn)題一樣需要很多現(xiàn)代量子力學(xué)知識(shí)。
我在30年前考入了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的力學(xué)系，但很遺憾，那時(shí)候的力學(xué)還是一個(gè)“天坑”專業(yè)。那時(shí)候沒(méi)有像現(xiàn)在這么發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)，讓我可以和更多的朋友進(jìn)行交流。我上了這個(gè)“天坑”專業(yè)之后，它就改名為力學(xué)與機(jī)械工程系。因?yàn)樵谖覀兡且淮松洗髮W(xué)時(shí)，大家更關(guān)心各種各樣的機(jī)械，比如汽車，所以機(jī)械是研究熱門?，F(xiàn)在那個(gè)系的名字又變回了近代力學(xué)系。
火箭是一個(gè)很復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它的可靠性只能做到98%左右，也就是說(shuō)火箭發(fā)射100次，可能有2次就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。所以制造火箭是一件困難而又正確的事，我們要做的就是這種工作。
火箭的運(yùn)載能力有多大，航天的舞臺(tái)就有多大。火箭運(yùn)載能力的最高峰就體現(xiàn)在載人登月上。
也許等一萬(wàn)年以后，那時(shí)的人類已經(jīng)不記得當(dāng)時(shí)某個(gè)國(guó)家的領(lǐng)導(dǎo)人是誰(shuí)了，但是他們還會(huì)記得第一個(gè)登上月球的人是誰(shuí)。在50多年前，阿姆斯特朗成為了第一個(gè)登上月球的人。
最近美國(guó)提出了重返月球計(jì)劃，他們對(duì)這次重返月球提出了一個(gè)很重要的政治目標(biāo)：要讓第一個(gè)登上月球的女航天員是美國(guó)人。他們剛開(kāi)始預(yù)計(jì)在2024年登上月球表面，但后來(lái)又推遲到2025年，現(xiàn)在還要繼續(xù)推遲，可能要推遲到2028年。
我們中國(guó)也在近期公布了登月計(jì)劃，我國(guó)將用新一代載人運(yùn)載火箭將我們的航天員在2030年之前送上月球。
現(xiàn)階段的火箭在飛行時(shí)有個(gè)很重要的特點(diǎn)，就是會(huì)邊飛邊扔?xùn)|西。因?yàn)楹芏噙\(yùn)載火箭是分級(jí)的，當(dāng)一級(jí)火箭的燃料燃燒完，達(dá)到一定速度以后，就會(huì)級(jí)間分離：前面一級(jí)火箭會(huì)“砰”的一下把后面一級(jí)火箭往下推。后面一級(jí)火箭被扔了是一件很可惜的事。
▲失重現(xiàn)象
在我國(guó)“嫦娥工程”開(kāi)始之初，我參與到了我們這一代人的火箭研究工作中。為了去月球，我們的火箭要對(duì)準(zhǔn)月球以后再加速，中間一段會(huì)關(guān)掉主發(fā)動(dòng)機(jī)。把發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)上以后，就會(huì)發(fā)生失重現(xiàn)象。就好像我們?cè)诘厍蛏贤姹臉O時(shí)或者電梯突然故障往下掉時(shí)，肚子里的東西就會(huì)像圖上失重飛機(jī)里的東西一樣飄起來(lái)?；鸺彩且粯樱亲永锏耐七M(jìn)劑也會(huì)飄起來(lái)，那么這時(shí)候火箭如果想要再次點(diǎn)火，就沒(méi)辦法成功。我做的工作就是利用流體力學(xué)知識(shí)，幫助我們國(guó)家的火箭在多次點(diǎn)火時(shí)成功點(diǎn)火。
我們這一代人已經(jīng)研制出了載人登月火箭，等各位小朋友們將來(lái)工作的時(shí)候，那時(shí)候的火箭會(huì)變成什么樣呢？將來(lái)火箭會(huì)不會(huì)像飛機(jī)一樣飛行呢？它會(huì)不會(huì)在發(fā)射完衛(wèi)星之后，還能自行飛回原來(lái)的發(fā)射場(chǎng)呢？加注推進(jìn)劑以后，可不可以像飛機(jī)一樣，換一批旅客繼續(xù)飛行呢？
古代的火箭像玩具
我們先看一下火箭是怎么樣一步步發(fā)展過(guò)來(lái)的。
▲世界上最早的火箭-宋朝
在大概1000年前的古代，那時(shí)候的火箭跟現(xiàn)在的很不一樣。我們的祖先發(fā)明的火箭類似于今天的玩具，像是給箭頭加上了一個(gè)煙花。
到后來(lái)，出現(xiàn)了更多關(guān)于火箭的各種各樣的傳說(shuō)，它們都記載在書(shū)籍里。其中的一個(gè)傳說(shuō)有一個(gè)很有詩(shī)意的名字，叫做火龍出水。據(jù)書(shū)里記載，它可以沿著水面在一兩米高的地方飛行，借助4支火箭把一個(gè)火龍推過(guò)去，快到敵人戰(zhàn)船的時(shí)候，龍的嘴巴里面就會(huì)吐出另外一個(gè)火箭，燒掉敵人的戰(zhàn)船。這個(gè)原理有點(diǎn)像多級(jí)火箭。
不過(guò)，我的母校中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)有一個(gè)科技考古系，那個(gè)專業(yè)的研究人員就考察過(guò)火龍出水。經(jīng)過(guò)各種驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)它的飛行不穩(wěn)定，很容易栽下來(lái)。從我的專業(yè)上來(lái)看，同樣認(rèn)為它的飛行很困難，很難持續(xù)飛行很遠(yuǎn)的距離。
▲蒂普蘇丹的“火箭”技術(shù)
隨著戰(zhàn)爭(zhēng)，我們國(guó)家的火箭技術(shù)擴(kuò)展到了世界各地。其中很著名的一個(gè)火箭是以前印度統(tǒng)治者跟英國(guó)東印度公司打仗的時(shí)候使用的鐵管式火箭。這種火箭能夠噴射得非常遠(yuǎn)，射程達(dá)到幾公里。
后來(lái)又有一個(gè)傳說(shuō)，說(shuō)有一個(gè)古人叫萬(wàn)戶，他就想自己能不能坐在火箭上飛往太空。最終他失敗了，而且失去了自己的生命。雖然只是個(gè)傳說(shuō)，但是人們?yōu)榧o(jì)念他，各個(gè)國(guó)家發(fā)行了與之相關(guān)郵票，月球的背面有一個(gè)撞擊坑也是用萬(wàn)戶的名字來(lái)命名的。
古代的火箭就是一種基于簡(jiǎn)單的工匠經(jīng)驗(yàn)做出來(lái)的火箭，能飛，但缺點(diǎn)是做不大又飛不穩(wěn)。
更科學(xué)的近現(xiàn)代火箭
進(jìn)入到科學(xué)的時(shí)代之后，近代的火箭會(huì)有什么不一樣呢？
▲圖片來(lái)源：Pinter
有一個(gè)很著名的俄羅斯科學(xué)家叫做齊奧爾科夫斯基。他最初是一位中學(xué)老師，后來(lái)發(fā)展了火箭科學(xué)的理論，在理論層面加入了很多數(shù)學(xué)的東西，包括各種公式。
圖上所示就是火箭公式。有了火箭公式之后，人類就抓住了火箭運(yùn)行的本質(zhì)，我們就知道什么時(shí)候可以進(jìn)入太空了。
齊奧爾科夫斯基還有一句很經(jīng)典的名言：“地球是人類的搖籃，但人類不會(huì)永遠(yuǎn)躺在搖籃里?！?/span>
光有科學(xué)的理論是不夠的。這時(shí)，美國(guó)的一位科學(xué)家戈達(dá)德做了實(shí)驗(yàn)，寫了一本書(shū)叫《達(dá)到極高高度的方法》。書(shū)中不僅有公式，還有一些與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的內(nèi)容。
到了這個(gè)時(shí)代，戈達(dá)德做火箭實(shí)驗(yàn)就跟我們古代不一樣了。萬(wàn)戶是自己直接坐到火箭上面，而戈達(dá)德是利用一個(gè)小望遠(yuǎn)鏡在很遠(yuǎn)的地方觀察火箭，由此測(cè)量計(jì)算這個(gè)火箭能達(dá)到的高度。現(xiàn)在，還有一個(gè)研究中心以他的名字命名，叫戈達(dá)德研究中心。
這個(gè)時(shí)候，火箭的發(fā)展就進(jìn)入了第二個(gè)時(shí)代。我們知道了為什么火箭能夠飛行、怎么樣才能夠進(jìn)入太空。但是這個(gè)時(shí)期的火箭還是太小了、不實(shí)用、沒(méi)法載人。
所以接著進(jìn)入了火箭發(fā)展進(jìn)程中的第三個(gè)時(shí)代，那么現(xiàn)代的火箭從哪里開(kāi)始發(fā)展呢？
現(xiàn)代火箭的鼻祖誕生于德國(guó)，起源于德國(guó)的“V2”導(dǎo)彈，“V”的意思是“報(bào)復(fù)者”。在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，德國(guó)人用它來(lái)進(jìn)攻。導(dǎo)彈和火箭的區(qū)別在于，如果運(yùn)載的物品是炸彈或者原子彈，我們就叫它導(dǎo)彈；如果運(yùn)的是衛(wèi)星或者人，我們就叫它運(yùn)載火箭。
德國(guó)人發(fā)展的現(xiàn)代火箭實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)突破：一個(gè)就是火箭有了制導(dǎo)系統(tǒng)，想去什么地方制導(dǎo)系統(tǒng)就能帶領(lǐng)它去什么地方；另一個(gè)是火箭配備了一個(gè)耐高溫高壓的渦輪增壓泵。因?yàn)榛鸺l(fā)射時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的推力，就需要在單位時(shí)間內(nèi)利用渦輪增壓泵把很多的推進(jìn)劑擠入火箭的燃燒室里。
火箭最重要的難點(diǎn)就是，如何控制這么多炸藥又能穩(wěn)定燃燒不發(fā)生爆炸，又能保證火箭往前推進(jìn)。渦輪增壓泵使用的技術(shù)就是內(nèi)燃機(jī)，內(nèi)燃機(jī)就是在內(nèi)部燃燒并產(chǎn)生動(dòng)力的機(jī)器，能耐高溫高壓。
德國(guó)人在八九十年前發(fā)展出了領(lǐng)先于整個(gè)世界的渦輪增壓泵，并做出實(shí)用的運(yùn)載火箭，也就是V2導(dǎo)彈。這就是運(yùn)載火箭的前身。
這時(shí)候的火箭就進(jìn)入了工程實(shí)用階段。但這時(shí)候它的用處是破壞性的，用來(lái)遠(yuǎn)程攻擊，火箭制造技術(shù)也被壞人最先掌握。
在這之后，美國(guó)人就把后來(lái)被稱為“火箭科學(xué)之父”和“美國(guó)月球計(jì)劃之父”的V2導(dǎo)彈設(shè)計(jì)師馮·布勞恩抓到美國(guó)，進(jìn)行登月火箭“土星5號(hào)”的研究。
蘇聯(lián)人作為第二次世界大戰(zhàn)中勝利方也來(lái)到了德國(guó)，但是比美國(guó)晚了一步。于是他們把還沒(méi)有被抓走的工程師，還沒(méi)有被運(yùn)走的“V2導(dǎo)彈”零部件運(yùn)到了大興安嶺以北的寒冷的西伯利亞。
蘇聯(lián)人做出了世界上第一個(gè)用于航天的運(yùn)載火箭，這使整個(gè)西方都感到恐懼。因?yàn)樵谀菚r(shí)候蘇聯(lián)用這個(gè)火箭把衛(wèi)星發(fā)射到太空里。美國(guó)人就因此說(shuō)，這使我們每天都暴露在蘇聯(lián)人的眼皮底下，因?yàn)樾l(wèi)星可以觀察地面的活動(dòng)。
于是在世界歷史上產(chǎn)生了一個(gè)新的政治學(xué)名詞：斯普特尼克時(shí)刻。這個(gè)時(shí)刻意味著整個(gè)世界不同國(guó)家之間的力量對(duì)比發(fā)生了根本性變化。這個(gè)名詞也就來(lái)源于第一顆人造衛(wèi)星的名字“斯普特尼克”，所以運(yùn)載火箭也是一個(gè)國(guó)家力量的象征。
系統(tǒng)工程時(shí)代的一次性火箭
在國(guó)慶閱兵的時(shí)候，大家可能會(huì)發(fā)現(xiàn)每次最后一個(gè)方陣都是DF-5B。
“東風(fēng)5號(hào)”是戰(zhàn)略導(dǎo)彈，它能運(yùn)載原子彈到全世界的任何一個(gè)角落，是國(guó)家安全的保證。我們國(guó)家的系列運(yùn)載火箭最初都是從導(dǎo)彈改裝過(guò)來(lái)的。
我國(guó)的火箭之父、航天之父是錢學(xué)森先生。錢學(xué)森當(dāng)時(shí)在美國(guó)加州理工學(xué)院留學(xué)，這個(gè)學(xué)校很小，但是他有著強(qiáng)烈的創(chuàng)新精神。在那里，錢學(xué)森和其他幾位同學(xué)共同組建了一個(gè)5個(gè)人的“自殺小分隊(duì)”。為什么呢？因?yàn)樗麄冄芯楷F(xiàn)代火箭需要不斷做實(shí)驗(yàn)，經(jīng)常發(fā)生爆炸。
后來(lái)學(xué)校就把他們趕了出去，于是他們就在加州理工學(xué)院旁邊的山溝里面創(chuàng)建了目前世界上最著名的航天實(shí)驗(yàn)室：噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，英文叫JPL（Jet Propulsion Laboratory）。美國(guó)的火星探測(cè)器、飛出太陽(yáng)系的“旅行者號(hào)”等都是由JPL進(jìn)行總體設(shè)計(jì)的。
為什么錢學(xué)森能領(lǐng)導(dǎo)中國(guó)的火箭呢？其實(shí)他不僅僅領(lǐng)導(dǎo)了最早的美國(guó)火箭研究，還負(fù)責(zé)當(dāng)時(shí)去德國(guó)抓馮·布勞恩并審問(wèn)的工作。這就意味著他早就知道了火箭的前沿技術(shù)，也參與過(guò)相關(guān)的研究。
在他們那一代人的領(lǐng)導(dǎo)下，我們國(guó)家發(fā)展了“長(zhǎng)征”系列運(yùn)載火箭。我開(kāi)始參加工作的時(shí)候，就參與了新一代運(yùn)載火箭“長(zhǎng)征5號(hào)”“長(zhǎng)征6號(hào)”和“長(zhǎng)征7號(hào)”系列的研發(fā)。比如，我參與了“長(zhǎng)征5號(hào)”的級(jí)間分離的設(shè)計(jì)，研究怎么讓推進(jìn)劑穩(wěn)定地沉到火箭底部，使二級(jí)點(diǎn)火的時(shí)候能夠成功。
錢學(xué)森時(shí)代的火箭有一個(gè)特點(diǎn)，所使用的推進(jìn)劑都是劇毒的，含有四氧化氮和偏二甲肼，接觸多了會(huì)引起皮膚癌癥。
那為什么上一代人要用這種推進(jìn)劑？是因?yàn)閯偛盘岬降?，火箭是?guó)家力量的象征，保證我們的安全是那時(shí)候它的主要用途。
在最開(kāi)始，“東風(fēng)5號(hào)”導(dǎo)彈是用來(lái)發(fā)射原子彈的。因此它有一個(gè)要求，就是在有需要的時(shí)候，要在一秒鐘之內(nèi)發(fā)射。如果用現(xiàn)在的新一代液氫液氧推進(jìn)劑就無(wú)法做到這一點(diǎn)，它們不能長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，需要用到時(shí)只能臨時(shí)加注。因?yàn)橐貉鯐?huì)蒸發(fā)，會(huì)讓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)像高壓鍋一樣，不得不把推進(jìn)劑給排出來(lái)。
這時(shí)候的火箭就進(jìn)入了系統(tǒng)工程時(shí)代?；鸺苓M(jìn)入太空了，而且能給我們帶來(lái)很多的好處，因?yàn)槟苷镜酶咄眠h(yuǎn)。但它是一次性的，成本很高也不可靠。那么未來(lái)的火箭，就應(yīng)該是可以重復(fù)使用的。
讓火箭像飛機(jī)一樣便捷
美國(guó)很早就開(kāi)始嘗試研發(fā)可以重復(fù)使用的火箭，于是研制了航天飛機(jī)，但是它很不可靠。
航天飛機(jī)的可靠性只有98%左右，在5架航天飛機(jī)執(zhí)行的130多次任務(wù)中，就有2次發(fā)生了爆炸，每次犧牲了7名航天員。我們說(shuō)航天員是航天英雄，就是因?yàn)楹教煸诂F(xiàn)在還是一件很困難、不夠可靠的事情。
▲圖片來(lái)自wikipedia
航天飛機(jī)重復(fù)使用也是為了節(jié)約成本，結(jié)果這個(gè)可以重復(fù)使用的航天飛機(jī)平均一次的使用成本高達(dá)15億美元，因此在后來(lái)被淘汰了。
我國(guó)的長(zhǎng)征二號(hào)F載人運(yùn)載火箭將兩個(gè)不可靠的方法并行組合，盡力解決航天員的安全問(wèn)題。
假設(shè)我們發(fā)射10000次載人運(yùn)載火箭，由于火箭底下兩級(jí)只有98%的可靠性，所以這10000次里面就可能有200次會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。如果航天員在這200次錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)位于火箭里面，豈不是太危險(xiǎn)了嗎？
載人運(yùn)載火箭上面還有一個(gè)尖尖，在圖片里看起來(lái)很小，其實(shí)有兩層樓高，甚至可以有10來(lái)米高。它其實(shí)是一個(gè)固體火箭，這個(gè)火箭的可靠性也有98%。所以將這兩個(gè)系統(tǒng)結(jié)合之后，這200次里面就有196次能夠把航天員安全帶回地面。
這就是錢學(xué)森時(shí)代的方法，他們用這兩個(gè)不可靠的系統(tǒng)組成了一個(gè)非?？煽康南到y(tǒng)。這其實(shí)也給同學(xué)們一個(gè)啟示，像我考數(shù)學(xué)的時(shí)候，我做一遍只能得90分。想要得更高的分?jǐn)?shù)，可以用兩種完全不同的方法，或者有時(shí)候把答案代到題目里面去倒著算一遍，這樣大概就能得到99分。考試跟這個(gè)道理其實(shí)是一樣的。
現(xiàn)在SpaceX公司在發(fā)展它們的可重復(fù)使用運(yùn)載火箭，第一級(jí)能夠像圖中那樣垂直降落。
▲劉佳璽,劉黨輝.可重復(fù)使用航天運(yùn)載器及其關(guān)鍵技術(shù)
國(guó)際航空航天科學(xué),2019
我們國(guó)家現(xiàn)在也在發(fā)展可重復(fù)使用的火箭。目前參與工作的我們這一代人，不管是運(yùn)載火箭研究院還是各家民營(yíng)火箭公司里的研究人員，都在研究可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭。
未來(lái)的可重復(fù)使用火箭能不能像飛機(jī)一樣飛行呢？
我想，每一代人有每一代人的使命。我們每一個(gè)人在龐大的時(shí)代當(dāng)中就像一粒沙子。像我，在研發(fā)火箭的領(lǐng)域里面只能做很渺小的一點(diǎn)點(diǎn)工作。但是一代人的力量匯集在一起，我相信未來(lái)就能做出不但能像飛機(jī)一樣快速飛行，還能在發(fā)射衛(wèi)星以后返回地面的火箭。
現(xiàn)在，我們國(guó)家已經(jīng)有了一些關(guān)于具體發(fā)展的規(guī)劃，但是這些都還具有不確定性。我們等待著各位同學(xué)們、所有對(duì)火箭有興趣的人，等著你們這一代人參與進(jìn)來(lái)，一起見(jiàn)證這樣一個(gè)新的時(shí)代。
謝謝大家。
“格致論道”，原稱“SELF格致論道”，是中國(guó)科學(xué)院全力推出的科學(xué)文化講壇，由中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心和中國(guó)科學(xué)院科學(xué)傳播局聯(lián)合主辦，中國(guó)科普博覽承辦。致力于非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來(lái)的發(fā)展。獲取更多信息。本文出品自“格致論道講壇”公眾號(hào)（SELFtalks），轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明公眾號(hào)出處，未經(jīng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載。
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