探究火箭推进发动机的历史

火箭的历史是从最初发明火药的中国开始的。火药的发明是在850年左右缘于中国的炼丹术，以硫黄、木炭、树脂等作为燃料，氧化剂使用硝石（醋酸钾）制成。据历史记载，1044年就有化学制造的记录，1150年左右出现了对称为“走鼠（跑动的鼠）”的火箭形象化的记录。另外，还记载有中国于1232年制造了称为“火箭”的火箭推进式箭，并应用在战争中的记录。

近代，欧洲人开发了火箭推进装置。最初在18世纪末期，由英国人威廉康格里夫制造了火箭推进装置。他利用中国的化学火箭技术，成功开发了射程距离为2.7km的固体推进剂火箭。其后19世纪初，使用在英美战争和各种纷争的军事用途上，但其命中率较低。19世纪末期，使用在捕鲸、信号传递、船舶间救命索的连接等方面。

1.研究者

火箭开发代表性研究者有，康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基、罗伯特·戈达德、赫尔曼·奥伯特、谢尔盖·巴甫洛维奇·科罗廖夫、James wyld和美国火箭协会、D.von Karman、沃纳·冯·布劳恩等。苏联的康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（1857—1935）于1903年发表了关于《利用反作用运载火箭宇宙探险》的论文，对利用火箭的地球重力场的脱离和重进入的方法，以及多级火箭相关进行了分析。另外，对极低温推进剂的液氢和液氧的利用、再生冷却推力室的保护、推力控制方式、太空行走、载人宇宙空间站的可能性等方面提出了很多革命性的见解。

美国的罗伯特·戈达德（1882—1945）是在真空箱中燃烧推进剂并测量推力，以此证明了火箭在真空中可以工作的齐奥尔科夫斯基的想法。

图13-5 康斯坦丁火箭发动机

1914年，获得了包括火箭燃烧室喷管和推进剂供给系统设计，及多级点火方式的推力室开发，以及加压供给液体推进剂的增压系统研究等220多个专利。1919年发表的《升高到极限高度的方法》论文中，提出了月球旅行方法的数学分析结果。他所研发的火箭在1935年成功升高到2.2km高度。

赫尔曼·奥伯特（1894—1989）是出生于罗马尼亚的德国数学家，于1923年发表了“向着恒星系的火箭”论文。他在论文中主张，利用汽油和液氧推进剂的火箭比固体燃料火箭飞得更高更远，即使乘坐2人也能把400t重量的火箭发射到地球轨道。图13-6所示为奥伯特设计的2级火箭的设计图。第1级推进剂为乙醇和水的混合燃料，氧化剂使用氧气，第2级推进剂使用液氧和液氢等极低温推进剂。这对后来由冯·布劳恩开发V2火箭起到了很大的作用。

谢尔盖·巴甫洛维奇·科罗廖夫（1906—1966）是苏联火箭之父，是在人类历史上最早把人类送到宇宙空间的人。他在苏联最早制造了液体燃料火箭，即使在斯大林的肃清运动中被打入监狱后也继续研究火箭理论，并在第二次世界大战后研发了洲际弹道导弹，成功发射了人造地球卫星和载人宇宙飞船等，在苏联宇宙开发中起了举足轻重的作用。

图13-6 奥伯特2级火箭发动机

1930年，在美国有一些热衷于科幻的人们开始集会，此集会后来成为美国火箭协会（ARS），此协会于1963年与航空科学协会合并成立了航空航天学会（AIAA）。James wild是当时普林斯顿大学生，是火箭协会的会员，他进行了能有效冷却火箭发动机的试验，开发了最早的超音速航空器火箭推进Bell X-1发动机，并在与美国火箭协会一起成立美国国家航空航天局（NASA）中起到了关键作用。NASA是在苏联成功发射人造地球卫星后，于1958年以单纯民间研究机关成立的。

西奥多·冯·布劳恩是加利福尼亚大学（CIT）航空学教授。他主要进行了空气动力学、喷气发动机、燃气涡轮、高速飞行相关翼展的研究，并建立了喷气动力研究所。

沃纳·冯·布劳恩（1912—1977）是20世纪德国最高级火箭专家，柏林业余火箭团体（德国宇宙旅行协会）解散后，进入陆军火箭研究班，于1942年开发了在小型液体推进剂火箭上装载大型弹头的长距离导弹A-4。此火箭被命名为V2，成为现代火箭的始祖。美国、苏联等所有国家以德国的V2火箭技术为基础，成功开发了自己国家的火箭。冯·布劳恩在战争结束后逃亡到美国，并在美国研发了短程弹道导弹红石导弹、中程弹道导弹丘比特-C（多级火箭）等。1958年，美国利用丘比特-C成功地把美国第一颗人造地球卫星送到了轨道上，1961年，美国利用红石成功地把第一个美国人送到了宇宙。

2.各国的研究

（1）德国 德国以冯·布劳恩的火箭开发为动机于1937年在佩内明德建设了世界最早的宇宙中心，于1942年3月成功研发了A-4（V2）火箭。V2火箭高为14m，外径（壳体）为1.65m，最高上升高度为80～90km，射程为360km。其结构从上到下依次为弹头、制导部分、推进剂系统和火箭发动机4部分。在弹头中可以装载1t高性能炸弹，在制导部分配备有陀螺仪、自动控制仪和无线发信、收信装置。最大的部分为推进剂系统，其内装载有约3.8t的水和乙醇混合物燃料箱和约4.9t的液氧燃料箱。最后部分为火箭发动机部分，由在80%过氧化氢气中发生的氧气和氢气作为工质流体的、在500°C高温中运转的离心涡轮泵和采用薄膜冷却方式的推力喷管构成。燃烧室的工作压力和温度分别为250psi和2700°C，比推力为200s。V2导弹的主要规格见表13-1，V2火箭形状如图13-7所示。

表13-1 V2火箭的规格

图13-7 V2火箭的内部构造

（2）苏联 苏联继齐奥尔科夫斯基进行了很多研究。1932年由科罗廖夫建立了喷气科学研究所（GIRD），1933年8月发射了第一枚火箭GIRD-09。另外，格鲁斯克研发了液体推进剂火箭ORM-1和ORM-65，战后科罗廖夫以德国科学家和V2火箭技术为依据研制了苏联产V2火箭，并于1947年10月成功发射。其后，研发了射程分别为278km的R1火箭和446km的R2火箭，紧接着研发了射程为1204km的“SS3讼棍”和射程为1800km的“SS4凉鞋”等中程弹道导弹，并配备在实战中，西欧和远东地区均处于SS4的射程之内。

1957年8月，苏联利用科罗廖夫开发的A-1火箭，研发了配备5×10⁶t级氢弹、射程为6500km的SS6洲际弹道导弹（ICBM）。A-1火箭于1957年10月成功地把世界最早的人造地球卫星斯普特尼克1号（Sputnik-1）送上了地球轨道。此卫星是直径为58cm、质量为83.6kg的铝制球形卫星，在高度为227～940km的轨道上飞行并测量大气密度和温度。斯普特尼克2号中带着一只名为“莱卡”的狗上到了宇宙，莱卡在宇宙中生活了1周，带回了很多生物学资料。

1961年，人类最早的载人宇宙飞船“东方1号”成功发射，以此诞生了世界最初的宇宙人尤里·阿列克谢耶维奇·加加林。1971年，前苏联早于美国首先成功发射了宇宙空间站“礼炮”号。但是，从20世纪90年代初苏联宇宙研究领域基本处于滞止状态，开始落后于美国。

（3）美国 美国是由加利福尼亚大学研究部门继承罗伯特·戈达德的研究，于1944年成功发射了被称为“女兵下士”（Wac-Corporal）的高空探测火箭。1949年2月，在把德国的A-4火箭与“女兵下士”成功结合后，发射了名为“缓冲器”（Bumper Wac）的火箭。

1957年10月，美国在苏联发射人造地球卫星斯普特尼克1号几天后，在海军开发的先锋火箭试验发射中创造了高度175km和飞行里程540km的记录，但在此年12月先锋1号首次正式发射中，离地后1～2min发生爆炸，以失败告终。美国于1958年1月利用由冯·布劳恩研发的红石洲际弹道导弹（Redstone ICBM）成功发射了人造地球卫星探索者1号（Explorer 1）。探索者1号长度约为1m，直径为15.22cm，质量为4.82kg，发现了范艾伦辐射带。

美国从此开始促进水星计划、双子星计划、阿波罗计划等宇宙开发计划，开发了各种运载火箭。其中大部分是改造雷神（Thor）、丘比特（Jupiter）、宇宙神（Atlas）、大力神（Titan）等弹道导弹制造，侦察兵（Scout）、土星5号（saturn5）、航天飞机（Space Shuttle）等最初开始就以宇宙飞船进行了设计。在宇宙计划中被寄予很大期望的德尔塔（Delta）运载火箭是在美国雷神中程弹道导弹（IRBM）的基础上制造的，1960年5月首次成功发射，被认为是低价、可靠性高的优秀运载火箭，其后进行了基本改造，用附加多个固体推进剂火箭助推器的方法增大了推力。宇宙神先是用于洲际弹道导弹（ICBM），于1957年第一次飞行后继续进行改造，宇宙神/阿金钠（Atlas/Agena）、宇宙神/半人马座（Atlas/Centaur）等也与其他火箭结合使用。大力神也是在20世纪50年代后期用于洲际弹道导弹（ICBM），由此开发了大力神2、大力神3、大力神34等多种运载火箭。侦察兵是所有4级均为固体推进剂火箭发动机构成的小型运载火箭，土星5号是为把阿波罗宇宙飞船送到月球而开发的运载火箭，在阿波罗计划之后没有再使用。

目前，美国使用最多的运载火箭是航天飞机。航天飞机自1981年开始飞行以来进行了100多次的宇宙飞行。其规格为，翼展为23.79m，长度为37.34m，高度为17.25m，起落架间距为6.91m，质量为2050439kg，时速为28800km/h，装载量为117935kg，界限为245000kg，赤道倾斜角为28.5°轨道。

航天飞机设计为可以运送7名人员到轨道。在7名人员中，2名是任务执行长和飞行员，其余为技术人员和科学家。航天飞机内设有操纵室、卧室、休息室、卫生间、电器装置室和气密室。3个主发动机各自由高压涡轮泵、钟形喷管和再生冷却用燃烧室构成，由外部燃料箱供给作为推进剂的液氧和液氢。两个固体推进剂助推器为回收再利用设置有降落伞，发射开始与主发动机同时点火并提供推力。外部燃料箱储存液氧和液氢，在燃料箱的外壁喷涂绝热层，以防止燃料箱外壁结冰和冻结，并最小化渗透到燃料箱的热量，以防止发射时液体推进剂沸腾。航天飞机的结构如图13-8所示。

图13-8 航天飞机

（4）欧共体

①法国：1950年8月，法国利用V2开发的薇罗尼卡（Veronique）火箭首次发射失败，其后利用此技术开发了人造地球卫星发射用钻石（Diamant）系列火箭。1962年成立了国家宇宙研究所（CNES），利用钻石火箭于1965年11月成功发射了法国最早的人造地球卫星A-1。国家宇宙研究所于1969年在南美大西洋沿岸的法属圭亚那新建立了航天发射场。

②英国：1969年6月，英国首次发射失败，在持续几次失败后，1971年10月把质量为72.5kg的普罗斯帕罗X-3（Prospero X-3）人造地球卫星成功送到了高度为547～1582km的椭圆形极地轨道上。此时使用的火箭是黑箭号运载火箭（Black Arrow），是长度为13m的小型3级火箭。

③欧洲航天局：欧洲航天局（ESA）是法国提议由欧共体共同开发大型运载火箭，由欧洲航天研究机构（ESRO）和欧洲运载火箭研究机构（ELDO）于1975年合并成立。目前有17个国家参与其中，主导欧共体全部宇宙产业的发展，利用各国的资助和协作开展开发活动。欧洲航天局开发了发射人造地球卫星的亚利安运载火箭（Ariane Rocket）。自1979年12月亚利安1号发射成功以来，逐步开发了大型火箭使用在商业用发射上。亚利安1号为2级火箭，亚利安2～4号为3级火箭。亚利安2号为在亚利安1号基础上增加第3级助推器的火箭，亚利安3号为在亚利安2号基础上增加固体推进剂助推器的火箭，亚利安4号为亚利安3号的扩大型，不同点是扩大了第1级和第3级的燃料装载量，并能增加到各有两个液体和固体推进剂助推器（总共4个助推器）。在亚利安4号中，推力最强的亚利安44L配备了4个液体推进剂助推器（维京5C发动机），到达地球同步转移轨道的有效载荷最大可以达到4949kg。火箭全长为58m，总质量为240000kg～470000kg。

（5）日本 日本在第二次世界大战后被禁止航空器和弹道导弹的开发和生产，解除禁令后，1954年开始宇宙的研究。1955年东京大学系川英夫（Hideo Itokawa）教授成功制造了一枚长23厘米、直径1.8厘米、重175g名为“铅笔”（Pencil）的小型固体推进剂1级火箭，并进行了火箭发动机喷口大小、重量中心的位置、空气动力学问题、固体推进剂的配合率、水平飞行等很多的试验。其后，依次开发了Baby火箭、K-火箭、K-62级固体推进剂火箭、L系列火箭。日本从L-4S_-1～4持续失败后，于1970年2月继苏联、美国和法国后第四个成功把质量为23.8kg的人造地球卫星“大隅”号送到了地球轨道。

日本于1969年7月与美国签订了德尔塔发射用火箭技术转让和协作开发N火箭合约，日本宇宙开发事业团（NASDA）成功开发N-1火箭后，利用转让的小型德尔塔火箭技术成功开发了H-1火箭。

日本利用H-1的开发经验，自主开发了H-2火箭。H-2火箭由极低温1级、2级双固体燃料助推器构成，1级和2级推进发动机（LE-7）是H-1的2级发动机（LE-5）改款型。另外，固体推进剂火箭助推器也采用了改良的SRB-A。H-2A火箭由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）主管，并由三菱重工制造。2001年8月29日成功试验发射了H-2A 1号，2008年2月23日发射了H-2A 14号。

（6）中国 中国于1956年奠定对宇宙事业的政策基础后，从20世纪60年代初开始研究运载火箭技术。中国宇宙火箭的名称为“长征”（CZ）。

中国开发长征1号（CZ-1）火箭，于1970年4月成功把人造地球卫星东方红1号送到了地球低轨道（LEO）上，成为世界上第五个独立发射卫星的国家。CZ-1是利用中程弹道导弹（IRBM）CSS-2开发的3级火箭。其后，开发了使用N₂O₄/UDMH推进剂的2级火箭长征2号（CZ-2C）和使用极低温燃料液氢和液氧（LH₂/LOX）的长征3号（CZ-3A）。

中国于2003年利用长征火箭（CZ-2F）成功发射了载人宇宙飞船神舟5号，成为继美国和苏联之后世界第三个发射载人宇宙飞船的国家。2005年10月，第二次成功发射载人宇宙飞船神舟6号，将其送到了宇宙轨道上。2007年10月，利用长征3A火箭成功发射了中国最初的月球探测器嫦娥1号，2008年9月成功发射了载人宇宙飞船神舟7号。

（7）其他 其他发射人造地球卫星的国家有印度、以色列等。

印度于1967年和1969年分别设立了宇宙科学技术中心和印度宇宙研究机构（ISRO），开发了很多种类罗西尼探空火箭（RSR）。由ISRO开发的第一个人造地球卫星运载火箭SLV-3是类似于美国的小型人造地球卫星运载火箭侦察兵的4级固体推进剂火箭，其长度为22.7m，最大直径为97.5cm，总质量为16.9t。经过几次失败后，终于在1980年7月成功发射，把40kg的罗西尼科学卫星送到了近地点295km、远地点745km的椭圆形轨道上，继英国后成为第7个利用自主火箭独立发射人造地球卫星的国家。印度继续成功开发人造地球卫星运载火箭PSLV，于1994年成功进行了发射。PLSV是1级和3级火箭为固体推进剂火箭、2级和4级为液体推进剂火箭的4级火箭，长度为44.2m，质量为275t。

以色列于1988年9月利用3级固体推进剂火箭沙维特（Shavit）成功把重量为155kg的奥费克（Offeq）-1卫星送到了近地点250km、远地点1150km、倾斜角为148°的轨道上。沙维特火箭是利用射程为1400km的杰里科（Jericho）-2导弹改良开发的直径为1.4m、全长为18m、质量为23.6t的火箭。

（8）韩国 韩国的科学火箭开发是韩国航空宇宙研究院（KARI）从1988年开始的。分别于1993年1级固体推进剂火箭KSR-Ⅰ（韩国探空火箭）、于1998年2级固体推进剂火箭KSR-Ⅱ、于2002年液体推进剂火箭KSR-Ⅲ发射成功，奠定了宇宙开发基石。KSR-Ⅲ是使用煤油和液氧的1级液体推进剂火箭，总质量为6t、长度为14m、直径为1m，平均起飞推力为12.7t、平均比推力为208.3s。韩国在2009年8月罗老号运载火箭（KSLV-1）的发射失败。此火箭是1级为俄罗斯开发的液体推进剂火箭，2级为国内开发的固体反冲发动机2级运载火箭，总质量为140t、总长为33m、直径为3m、推力为180t（吨力）。

宇宙运载火箭典型的数据如图13-9所示，起飞性能见表13-2。通常，航天飞机或联盟号的载人航天器的起飞重量对推力之比（F/W）小，一般卫星发射用运载火箭和探测火箭（丘诺、战神1）等的F/W较大。这是因为载人航天器起飞时的加速度要限制在人体能承受的安全范围内，因此F/W不能设计过大。

图13-9 几种典型的火箭

表13-2 代表性的运载火箭离地性能