第一章
神奇的天梯——火箭
火箭應具備這樣兩個基本特點：第一，有強勁的推動力，可以達到宇宙速度，掙脫地球、太陽的引力；第二，在沒有空氣的太空，它的發動機可以照常工作。
為了尋找這一登天的“天梯”，現代火箭的先驅們進行了不屈不撓的探索。到20世紀40年代火箭終於誕生了。現代火箭技術是直接受我國古代火箭啟發製成的。
舉世公認，火箭的發源地是中國。一千多年以前的中國人就發明了一種武器，將裝有火藥的竹筒綁在箭杆中部，當點燃導火索以後，火藥急劇地燃燒，猛烈地向後噴出煙霧，箭體受到一個向前的推力，冒著煙向敵方陣地飛去。人們稱這種武器為“火箭”。火箭比其他箭飛得更快、更遠，殺傷力更大。我國明朝時期是古代火箭發展的鼎盛時期。當時的火箭已經發展到十幾種，而且還研製成多級火箭，這是火箭發展史上意義重大的突破。
在火箭發展史上，我國做出過傑出的貢獻。但是在漫長的封建社會中，火箭技術沒有得到發展，那些閃光的思想便被埋沒了。西方國家在掌握了原始的火箭技術後，卻走在了現代火箭發展的前列。
現代火箭理論的奠基人是俄國的齊奧爾科夫斯基。他出生於俄羅斯的一個小鎮，10歲的時候不幸得了嚴重的猩紅熱，病愈後失去了聽覺。他不得不呆在家裏自學，後來當上了中學教師。在39歲時他開始係統地研究火箭。1903年，他發表了名為《乘火箭飛船探索宇宙》的著名論文，文中提出了液體火箭的理論。
他認為以往的火箭都是使用固體燃料的，這種燃料一旦點燃就無法控製。在星際航行中火箭的推力應該像油門一樣可以調節，於是他大膽地設想用液氧做氧化劑，和燃料煤油一起作為推進劑，由一個泵調節進入燃燒室推進劑的分量。
這篇論文指出了人類的宇航之路，因此俄國人稱他為“火箭之父”。由於當時的技術條件和時代背景的製約，這些理論成果並沒有在試驗方麵得到支持，在他的有生之年也未能造出一枚具有現代特征的火箭。
20年後，才有一個名叫哥達的美國人開始試製齊奧爾科夫斯基的液體火箭。1919年哥達發表了論文《到達真空的方法》，論述火箭可以在沒有空氣的宇宙間飛行。1920年開始試製液體火箭，這件工作難度極大，他費盡了心血。1926年3月16日他成功地發射了世界上第一枚液體火箭，這支火箭在25秒內升高了12米，飛行了56米。
在第二次世界大戰中，由於戰爭對武器的需要，促進了火箭的發展。第二次世界大戰中，法西斯德國首先研製了液體火箭，命名為V-2，火箭全長14米，直徑165米，總重量為54噸。火箭的最前端是重達1噸的裝著炸藥的彈頭，射程是330千米，飛行速度是6倍音速。
1944年9月的一個夜晚，德軍從被占領的荷蘭向英國倫敦發射了這種V-2火箭，不久倫敦市區警報聲四起，火光衝天，巨大的爆炸聲震耳欲聾。倫敦的防空部隊打開了所有的探照燈，把黑夜照得如同白晝一樣。奇怪的是空中沒有一架敵機。後來才查明，這次襲擊倫敦的不是德國的飛機，而是一種叫做V-2導彈的新式武器。它在荷蘭海岸發射，幾分鍾就可以飛越英吉利海峽擊中倫敦。
1945年5月7日，德國宣布無條件投降，德國被盟軍和蘇軍占領。美軍捷足先登，將德國的150名高級研究人員，以及整批V-2零件，迅速運回美國。前蘇聯也不甘示弱，但他們畢竟晚了一步，隻帶走了一些一般工作人員，不過他們帶走了所有的設備。相當於搬走了一個完整的V-2工廠。後來美國和前蘇聯的巨型火箭，與V-2都有著密切的關係，也可以說得自V-2的真傳。人們開玩笑說，“美國和前蘇聯的火箭在空中相遇時都用德語打招呼”，正形象地說明了這一曆史。
自此之後，蘇美兩國展開了激烈的太空爭奪戰，這場戰爭的核心部分就是火箭的競爭。1955年前蘇聯製造了一種可以攜帶核武器的導彈，具有很大威力。這時前蘇聯的火箭技術已領先於美國。1957年10月4日，前蘇聯在科努爾發射場上，用一枚代號“T3A”的運載火箭成功地將一顆人造地球衛星送入軌道。
這些消息使美國震驚，也使美國最終批準了衛星計劃。從那時起美國科學家迅速地研製出了一係列火箭。1969年7月登月計劃成功實現。這無疑顯示了美國火箭在飛行準確和安全方麵的領先水平，也說明了美國在太空領域取得了優勢。1971年，美國又成功地發射了繞火星飛行的人造衛星，此時人類已達到並能夠準確地把握第二宇宙速度。1987年，“先鋒者10號”成為第一顆飛離太陽係的人造天體，火箭對速度的超越才告一段落。
火箭要能在空中飛行，必須解決兩個問題：燃燒時所需要的氧氣何來?前進的推力由何而來?
燃燒是一種化學反應過程，必須有燃料和助燃劑。由於人們所熟悉的燃燒都是在空氣中進行，無需提供特別助燃的氧氣，於是便想當然地認為，隻要有燃料就可以燃燒了，忽視了助燃劑的作用。飛機的噴氣發動機隻需攜帶汽油，發動機工作時從空氣中獲取助燃劑——氧氣。那麼要使這種發動機在真空中工作，必須自己攜帶氧氣。
火箭的發動機既攜帶有燃料，又攜帶有助燃劑。兩劑合在一起稱作推進劑。火箭隻有攜帶自己全部的“口糧”才能在太空中飛行。當然它也可以在大氣層中飛行。
第二個問題是如何獲得“推力”。牛頓第三定律告訴人們：當甲物體對乙物體施加一個作用力時，乙物體也必然同時對甲物體施加一個反作用力，這兩個力大小相等，方向相反。自然界中最形象的例子是章魚，當它遇到危險逃跑時，就急劇收縮自己身體內一個盛滿液體的內套，液體受到擠壓後，由身體後麵的一個噴口射出，與此同時噴出的液體也給章魚一個向前的推力，章魚便像箭一樣向前逃跑了。
火箭發動機的原理與此類似。推進劑在火箭發動機的燃燒室內燃燒生成高溫高壓的氣體，氣體由噴口高速向後噴出，與此同時，火箭受到一個向前的推力。燃燒持續進行，連續向後噴氣，火箭便受到連續不斷的推力，在此推力的作用下，火箭速度不斷增大，豎直升空，衝出大氣層。
運載火箭的分類和構成
常用的運載火箭按其所用的推進劑來分，可分為固體火箭、液體火箭和固液混合型火箭三種類型。如我國的長征三號運載火箭是一種三級液體火箭；長征一號運載火箭則是一種固液混合型的三級火箭，其第一級、第二級是液體火箭，第三級是固體火箭；美國的“飛馬座”運載火箭則是一種三級固體火箭。
如按級數來分，運載火箭又可分為單級火箭、多級火箭。其中多級火箭按級與級之間的連接型式來分，又可分為串聯型、並聯型（俗稱捆綁式）、串並聯混合型三種類型。串聯型多級火箭級與級之間的連接分離機構簡單，但串聯後火箭總長較長、火箭的長細比（長度與直徑之比）大，給設計帶來一定的困難；發射時，這種火箭豎起來後太高，給發射操作帶來不便；同時，其上麵級的火箭發動機要在高空點火，點火的可靠性差。並聯型多級火箭采用橫向捆綁連接，連接分離機構稍複雜，但其中間芯級第一級火箭采用橫向捆綁的火箭可在地麵同時點火，避免了高空點火，點火的可靠性高。前蘇聯發射世界上第一顆人造地球衛星的衛星號運載火箭，就是在中間芯級火箭的周圍又捆綁了4枚火箭。這4枚捆上去的火箭習慣上又稱助推器。助推器與芯級火箭在地麵一起點火，但工作一定時間後先關機，關機後與芯級火箭分離並被拋掉。助推器因在第一級火箭飛行的半路上關機，所以隻能算它是半級火箭。發射世界第一顆人造地球衛星的衛星號運載火箭為一級半火箭，而不稱它為兩級火箭。我國的長征二號E運載火箭則是一枚串並聯混合型的兩級半火箭，其第一級火箭周圍捆綁了4枚助推器，在第一級火箭上麵又串聯了一枚第二級火箭。
運載火箭的結構組成
不管是固體運載火箭還是液體運載火箭，不管是單級運載火箭還是多級運載火箭，其主要的組成部分有結構係統、動力裝置係統和控製係統。這三大係統稱為運載火箭的主係統，主係統工作的可靠與否，將直接影響運載火箭飛行的成敗。此外，運載火箭上還有一些不直接影響飛行成敗並由箭上設備與地麵設備共同組成的係統，例如，遙測係統、外彈道測量係統、安全係統和瞄準係統等。
箭體結構
箭體結構是運載火箭的基體，它用來維持火箭的外形，承受火箭在地麵運輸、發射操作和在飛行中作用在火箭上的各種載荷，安裝連接火箭各係統的所有儀器、設備，把箭上所有係統、組件連接組合成一個整體。
動力裝置係統
動力裝置係統是推動運載火箭飛行並獲得一定速度的裝置。對液體火箭來說，動力裝置係統由推進劑輸送、增壓係統和液體火箭發動機兩大部分組成。固體火箭的動力裝置係統較簡單，它的主要部分就是固體火箭發動機推進劑直接裝在發動機的燃燒室殼體內。
控製係統
控製係統是用來控製運載火箭沿預定軌道正常可靠飛行的部分。控製係統由製導和導航係統、姿態控製係統、電源供配電和時序控製係統三大部分組成。製導和導航係統的功用是控製運載火箭按預定的軌道運動，把有效載荷送到預定的空間位置並使之準確進入軌道。姿態控製係統（又稱姿態穩定係統）的功用是糾正運載火箭飛行中的俯仰、偏航、滾動誤差，使之保持正確的飛行姿態。電源供配電和時序控製係統則按預定飛行時序實施供配電控製。
遙測係統
遙測係統的功用是把運載火箭飛行中各係統的工作參數及環境參數測量下來，通過運載火箭上的無線電發射機將這些參數送回地麵，由地麵接收機接收；亦可將測量所得的參數記錄在運載火箭上的磁記錄器上，在地麵回收磁記錄器。這些測量參數既可用來預報航天器入軌時的軌道參數，又可用來鑒定和改進運載火箭的性能。一旦運載火箭在飛行中出現故障，這些參數就是故障分析的依據。
外彈道測量係統
外彈道測量係統的功用是利用地麵的光學和無線電設備與裝在運載火箭上的對應裝置一起對飛行中的運載火箭進行跟蹤，並測量其飛行參數，用來預報航天器入軌時的軌道參數，也可用來作為鑒定製導係統的精度和故障分析依據。
安全係統
安全係統的功用是當運載火箭在飛行中一旦出現故障不能繼續飛行時，將其在空中炸毀，避免運載火箭墜落時給地麵造成災難性的危害。安全係統包括運載火箭上的自毀係統和地麵的無線電安全係統兩部分。箭上的自毀係統由測量裝置、計算機和爆炸裝置組成。當運載火箭的飛行姿態，飛行速度超出允許的範圍，計算機發出引爆爆炸裝置的指令，使運載火箭在空中自毀。無線電安全係統則是由地麵雷達測量運載火箭的飛行軌道，當運載火箭的飛行超出預先規定的安全範圍時，由地麵發出引爆箭上爆炸裝置的指令，由箭上的接收機接收後將火箭在空中炸毀。
瞄準係統
瞄準係統的功用是給運載火箭在發射前進行初始方位定向。瞄準係統由地麵瞄準設備和運載火箭上的瞄準設備共同組成。
運載火箭的指標
運載火箭的技術指標包括運載能力、入軌精度、火箭對不同重量的有效載荷的適應能力和可靠性。
運載能力
運載能力指火箭能送入預定軌道的有效載荷重量。有效載荷的軌道種類較多，所需的能量也不同，因此在標明運載能力時要區別低軌道、太陽同步軌道、地球同步衛星過渡軌道、行星探測器軌道等幾種情況。表示運載能力的另一種方法是給出火箭達到某一特征速度時的有效載荷重量。各種軌道與特征速度之間有一定的對應關係。例如把衛星送入185公裏高度圓軌道所需要的特征速度為78公裏/秒，1000公裏高度圓軌道需83公裏/秒，地球同步衛星過渡軌道需1025公裏/秒，探測太陽係需12～20公裏/秒。
飛行程序
運載火箭在專門的航天發射中心發射。火箭從地麵起飛直到進入最終軌道要經過以下幾個飛行階段：
①大氣層內飛行段：火箭從發射台垂直起飛，在離開地麵以後的10幾秒鍾內一直保持垂直飛行。在垂直飛行期間，火箭要進行自動方位瞄準，以保證火箭按規定的方位飛行。然後轉入零攻角飛行段。火箭要在大氣層內跨過聲速，為減小空氣動力和減輕結構重量，必須使火箭的攻角接近於零。
②等角速度程序飛行段：第二級火箭的飛行已經在稠密的大氣層以外，整流罩在第二級火箭飛行段後期被拋掉。火箭按照最小能量的飛行程序，即以等角速度作低頭飛行。達到停泊軌道高度和相應的軌道速度時，火箭即進入停泊軌道滑行。對於低軌道的航天器，火箭這時就已完成運送任務，航天器便與火箭分離。