书城科普读物突破卡门线——运载火箭
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第14章 逼上太空——美国火箭(2)

洛克达因公司花了近10年时间,推出目前推力最大的氢氧火箭发动机——RS-68发动机。这种质优价廉的发动机采用燃气发生器循环系统,内置两台独立的涡轮泵。燃烧室采用了苏联发明的通道壁技术,即在燃烧室外层装一层壳,中空层是冷却通道。对比其他发动机采用的数百根铜管缠绕燃烧室的设计,这种设计更重,但成本大幅降低。喷管内壁采用烧蚀材料,可以带走燃烧产生的大量热量。

“德尔塔-4”号运载火箭配备了RS-68发动机,如虎添翼。RS-68发动机的重量为6600千克,长2.43米,推进剂为液氧和液氢,推力达到3312千牛,足以将重型卫星推上太空。

美国波音公司设计制造的“德尔塔-4”号重型火箭,由一枚标准芯级火箭和2枚助推器组成,地球低轨道运载能力达22.5吨,同步转移轨道的运载能力在13吨左右。拥有如此强大的功能,为什么不发射宇宙飞船呢?美国国家航空航天局曾设想使用“德尔塔-4”号重型火箭发射宇宙飞船,这个想法与波音公司不谋而合。

然而,由于波音公司缺乏载人飞船的技术,设计的飞船未被选上,波音公司只能看着煮熟的“鸭子”飞走了。“德尔塔-4”号重型运载火箭也失去了创造航天新纪元的机会。“德尔塔-4”号重型运载火箭只能在肯尼迪航天中心和范登堡空军基地发射一些重型、大型军事卫星。

“土星”号运载火箭

冷战时期,在“看谁先把第一颗人造卫星送上天”和“看谁先把人送入太空”的太空竞赛中,美国连连败北。此后,“看谁先登上月球”的太空竞赛又拉开序幕。

1961年,时任美国总统的肯尼迪宣布10年之内将把美国人送上月球,再返回地球。这就是历时11年耗资255亿美元的“阿波罗”计划。在布劳恩的主持下,开始大规模实施“土星”巨型登月火箭研制计划。苏、美两国都加紧研制登月火箭、登月飞船、试验机动飞行和航天器的交会对接等登月试验。

登月,必须要有一枚好火箭。美国“土星”火箭家族是一种将航天器发射飞出地球轨道的重型运载火箭。“土星”家族中最重要的两个家庭成员是“土星-1B”号和“土星-5”号。

肯尼迪总统特别推荐“土星-5”号,作为美国自第一颗人造卫星发射落后于苏联后,超过苏联运载能力的火箭。肯尼迪总统在圣安东尼奥布鲁克斯空军基地的一次讲话中,再次提到加快“土星-5”号的研发速度。

迄今为止,“土星-5”号是火箭史上最高、最重、推力最大、运输量最大的运载火箭,是人类唯一超越低地球轨道的运载火箭。1969年7月16日,美国“阿波罗-11”号飞船飞往月球,阿姆斯特朗第一个踏上了月球。美国终于在人类登月的竞赛中取得了胜利。“土星”号火箭立下汗马功劳。

“土星”号系列运载火箭,是美国国家航空航天局专为“阿波罗”登月计划研制的大型液体运载火箭。这种世界上迄今为止最大的巨型运载火箭,由布劳恩主持设计制造。

“土星-1”号为研制型,用于“阿波罗”登月计划早期地球轨道飞行试验和发射“飞马座”宇宙尘探测卫星。全箭长57.3米,最大直径6.53米。

“土星-1B”号为改进型,用于载人或不载人飞船地球轨道飞行试验,为“土星-5”号积累经验。全箭长68.63米,最大直径6.6米。

世界上最大的运载火箭——“土星-5”号,是专为“阿波罗”登月而设计,所以又称为登月火箭。全箭长110.64米,最大直径10.1米,起飞重量为3000吨,近地轨道运载能力达119吨,能把重达45吨的重量送入登月轨道。

为什么将一个小飞船送上太空,却使用一枚巨大的火箭呢?“土星-5”号的第一级火箭装有2075吨液氧推进剂。一旦发动机点火,它可以在2分30秒内全部燃烧完这些燃料。火箭的高温气体以2900米/秒的速度喷射,却仅仅够将45吨左右的宇宙飞船送上月球。在全部能够产生的3500吨推力中,很大一部分被用来“托”起火箭自身和2000多吨燃料。它的“比冲量”并不高,只有300多秒,表明了液体火箭的推进效率低下。

“土星-5”号的发射能力非常强大。第一级火箭装有5台发动机,推力超过3000吨力①,点火后150秒,就可把2000多吨液氧和煤油烧完;第二级火箭装有450吨高能液氧和液氢推进剂,推力为525吨力;第三级火箭装有106吨推进剂,推力为100吨力。

相当于36层楼高的黑白相间的“土星-5”号矗立在天际,远在10千米以外都可以看见它的雄姿。火箭发射的时候,发出惊天动地的轰鸣声,震耳欲聋。远在10千米以外,人们都可以感到气浪的震动。夜间发射时,火焰刺得人睁不开眼。

从1967年11月到1973年5月,“土星-5”号共进行了13次发射。1969年7月16日到1972年12月7日,“土星-5”号陆续将“阿波罗-11”号飞船和其他6艘“阿波罗”登月飞船送入月球轨道,先后将12位宇航员送上月球。1973年5月14日,“天空实验室”也由“土星-5”号承载,从肯尼迪航天中心第39A号发射台升空。

“战神”号运载火箭

为了力争在2015年让宇航员重返月球,并在月球上建立科研基地,美国国家航空航天局制订了重返月球的“星座”计划。在月球上建立永久基地,并以此为跳板,为人类登陆火星甚至探索更遥远的太空做准备。

美国国家航空航天局用希腊神话中的“战神”命名新型火箭。从“土星”号到“战神”号,这又是一个大胆的美国梦。美国国家航空航天局马歇尔航天中心组织研发,用了10年时间,花了1000多亿美元。美国新一代运载火箭是“战神-1”号、“战神-5”号。

“战神-1”号是运送宇航员的运载火箭;“战神-5”号是运送登月舱、月球车的货运运载火箭,它们都是由两级火箭组成的运载火箭。

“战神-1”号运载火箭

“战神-1”号火箭高94米,直径5.5米,低轨道运载能力25吨。“战神-1”号火箭专门用来发射载人飞船,可以乘坐4~6名宇航员。“战神-1”号由美国阿连特技术系统公司制造第一级火箭,美国波音公司制造第二级火箭。

“战神-1”号运载火箭出落得非常漂亮,人们对它也寄予很大希望。“战神-1”号能将25吨的货物运往国际空间站,甚至能将宇航员送上外层空间的小行星。

2009年10月28日,“战神-1”号运载火箭在美国佛罗里达州肯尼迪航天中心第一次发射,验证其安全性和平稳性。

“战神-5”号运载火箭

“战神-5”号由一枚芯级火箭和2枚助推火箭组成。“战神-5”号高116.1米,芯级火箭直径8.4米,加上2枚助推火箭,直径达18米,重3356.5吨,可将130吨左右的有效载荷送入低地轨道。

“战神-5”号矗立在发射台上,高约38层楼,整流罩里面可以装下8辆大客车,能发射16~17辆大客车的重量。天文学家非常看好“战神-5”号,3架新研发的直径在8米、9.2米、16米的太空望远镜不愁上不了天了。天文学家认为,这将打破大型太空望远镜上不了天的“游戏规则”。卫星专家坚信,一次发射几十颗卫星不成问题。最受益的是美国国防部,因为那些间谍卫星将不再受到重量的限制,需要多大就多大。火箭专家却皱起了眉头,如果一次能发射那么多卫星,我们就没有饭吃了。

“战神-5”号预计2018年首次试飞,2020年整装出发,参与举世瞩目的登陆月球计划。

最强大的太空舰队

“战神”系列火箭的外壳由铝锂合金材料制造。铝锂合金具有重量轻、刚度高、强度大、耐高温、抗腐蚀和抗疲劳等优点,是世界上最轻、最坚固的合金材料。铝锂合金制作的火箭箭体可以承受上万吨的压力,自重却很轻。

“战神”系列火箭的发动机,为火箭插上了强劲的翅膀。它们由美国洛克达因公司设计制造。第一级火箭采用RS-68发动机,重6600千克,高2.43米,推进剂为液氢液氧,推力为338吨力。RS-68发动机进行过1300次发射飞行,已经有300多台作为航天飞机的主发动机。RS-68是目前正在使用的最大的火箭发动机,号称是“21世纪的推动力”。第二级火箭采用J-2X发动机,重4900千克,推进剂为液氢液氧,推力为130吨力,具有智能自动点火的功能。

“战神”系列火箭是高科技的结晶,为太空探险描写了精彩篇章,曾有望成为世界上最强大的太空舰队。可惜的是,“战神”火箭登月成为了泡影。2011年9月,美国国家航空航天局宣布取消“战神”计划,研制更强大的被称为“空间发射系统”的重型运载火箭。

“空间发射系统”是在已取消的“战神”系列运载火箭的基础上研制的新一代航天运输系统,采用二级火箭。芯级火箭直径8.4米,捆绑2枚助推器,推进剂为液氢(液氧),初始近地轨道运载能力为70~100吨,今后将达到130吨左右,以满足未来载人深空探测器的需要。

先进战胜落后,这是历史的必然。在科学的道路上,成功和胜利只是暂时的,只有不断跨越,才能用智慧和力量追求更加完美的结果。