火箭是采用火箭发动机向前推进的飞行器。火箭发动机不同于飞机、汽车上的发动机,它自身携带氧化剂和燃烧剂,不依赖外界工质,可在真空中工作,因此既可以在稠密大气层内工作,也可以在外太空飞行;而飞机、汽车上的发动机自身只携带燃烧剂,氧化剂靠吸入空气中的氧气,只能在大气层内飞行。
航天活动的主要场所为太空,包括人造卫星、月球探测器、火星登陆器等等,而太空是指地球大气层以外的宇宙空间,太空飞行要进入没有大气的太空环境,只能采用火箭发动机,因此,运载火箭是实现太空飞行的唯一交通工具。
太空与大气层空间的区分以人造卫星离开地面的最低高度100km为界。物理学家将大气分为5层:对流层(海平面至10千米)、平流层(10~40千米)、中间层(40~80千米)、热成层(电离层,80~370千米)和外大气层(电离层,370千米以上)。地球上空的大气约有3/4在对流层内,97%在平流层以下,平流层的外缘是航空器依靠空气支持而飞行的最高限度。人造卫星的最低轨道在热成层内,其空气密度为地球表面的1%。近些年来,趋向于以人造卫星离开地面的最低高度100km为外层空间的最低极限界限。
运载火箭的主要技术指标有运载能力、入轨精度、可靠性和发射成本。
运载能力是指运载火箭能够送入到预定轨道的有效载荷的质量。它随着预定轨道的高度和倾角的增大而减小,一般运载能力用可运载的质量及相应的轨道高度来描述,如200kg/700km是指运送到700km高度轨道的运载能力为200kg。常用的轨道名称包括LEO、MEO、GEO和SSO等。
运载火箭的入轨精度是指有效载荷实际运行轨道和预定轨道的偏差。该偏差主要取决于控制系统的精度和采用的控制方法。
运载火箭的可靠性一般采用百分比来衡量。例如可靠性0.97,是指100次发射有97次成功,可靠性不是试验出来的,而是考虑了各种产品可能出故障的概率计算出来的。
运载火箭的发射成本一般用发射一次的成本来衡量。该成本包括运载火箭的研制与生产成本、运载火箭的发射成本、运载火箭的测控成本。衡量卫星发射成本,一般采用单位质量发射价格,例如3万美元/公斤。
近代火箭诞生在第二次世界大战时的德国,1942年10月德国发射成功V-2火箭,飞行高度85公里,飞行距离190公里。V-2火箭的发射成功,把航天先驱者的理论变成现实,是现代火箭技术发展史的重要里程碑。
1945年5月,第二次世界大战德国战败,前苏联和美国各俘虏了部分德国火箭技术人员。在苏联航天专家科罗廖夫的主持下,1947年前苏联仿制V-2火箭成功,1948年自行设计了P-1火箭,射程达300公里,之后又制成P-2和P-3火箭,射程分别达到500公里和1750公里。1957年8月,前苏联成功发射两级液体洲际导弹P-7,射程8000公里,经过改装的P-7于1957年10月4日,发射成功世界上第一颗人造地球卫星,从而揭开了现代火箭技术新的一页。
美国则在投降的德国专家冯布劳恩和400余名火箭专家的支持下,于1958年1月31日用丘比特-C火箭发射了美国的第一颗人造卫星。布劳恩1955年加入美国国籍,1969年,他领导研制的“土星”5号运载火箭,将第一艘载人登月飞船“阿波罗11号”送上了月球。
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