探秘火箭飞天之梦

2022年6月5日，坐标中国甘肃酒泉卫星发射中心，长征二号运载火箭托举神舟十四号载人飞船，顺利升空，约577秒后箭船分离，飞船成功进入预定轨道。刹那间屏幕上溢满举国欢腾的氛围。至今仿佛还听到那惊天动地的巨响，看见那橘红色的火龙从火箭底部喷涌而出，于是火箭拔地而起，直冲云霄；这壮美的画面（图1）1，惊天地、泣鬼神，是何等震撼人心！脑海中久久回放火箭飞天的场景，好神奇！人类究竟施了什么魔法让这庞然大物乖乖飞天？你看，那炙热的尾焰莫不是在诉说人类玩火的技艺如今已炉火纯青？你听，那巨大的发动机轰鸣声难不成是在抒发人类信步太空的壮志豪情？

图1 长征二号运载火箭托举神舟十四号载人飞船升空（图源自网络）

1人类之飞天梦想

1.1 中国悠久的飞天文化

图2 中国北魏时期敦煌壁画《飞天》

中国人的飞天梦，从远古女娲补天、夸父追日、嫦娥奔月、牛郎织女等神话传说可窥一斑。那脍炙人口的古诗词（“日月安属，列星安陈”、“宇宙浩然气, 久已铭心脾”、“危楼高百尺,手可摘星辰”、“大鹏一日同风起，扶摇直上九万里”），闪烁着古人的智慧和对太空的浪漫向往。《西游记》中神通广大的孙悟空一个筋斗十万八千里。敦煌壁画“敦煌飞天”（图2）2，多么富有灵性！敦煌藏经洞内的《全天星图》等天文学资料，更是激发了后人无穷的想象和探索宇宙的热情。

中国古人向往像鸟儿一样自由翱翔。春秋时鲁班曾削竹制鸟，名“木鹊”，上天后可以三天三夜不下来，这是有记载的古代中国人最早设计的飞行器。东汉蔡伦改进造纸术后，坊间开始以纸做风筝，称为“纸鸢”。放风筝至今仍是人们喜爱的户外活动（图3）。14世纪末万户飞天（图4）的故事家喻户晓，万户在自己乘坐的椅子上绑了47只火箭，双手拉着大风筝，想借助火箭的推力，飞上天空，然后依靠风筝平稳着陆。虽然火箭爆炸、万户献出生命，但是万户勇于探索的精神受人敬仰，后人称他为“世界航天第一人”，月球上如今有座“万户”环形山。

图3 风筝邮票

古人的玄思冥想和好奇心，以及这丝丝缕缕的飞行实践，表现出人类对飞天的不懈追求，展示了中国人自古以来永不服输，敢于攀登的精神和情怀，铸就了中华民族的飞天文化基础。美国国家博物馆立着写有 “世界上最早的飞行器是中国的风筝和火箭”字样的一块牌子3。

1.2 火箭引燃飞天梦

（1）火箭和火药

公元228年，蜀相诸葛亮率军进攻陈仓，魏将赫昭下令用“火箭”焚烧蜀军攻城的云梯，守住了陈仓。“火”和“箭”首次融合产生了“火箭”，具体说就是在箭头处绑上浸过油的麻布等易燃物，发射之前，把油布点燃，射出去后起到火攻的作用。所以，火箭本义是“带火的箭”（图5）4，指用弓弩射出的、箭头后部绑着燃烧物的武器。此时的火箭，与人类历史曾出现过的火弩、火炬、火球、火兽、火鸟、火罐、猛火油机和希腊火喷射装置等，并无两样，就是借助纵火剂的纵火器物。

图4 西昌“万户飞天”雕像

 图5 带火的箭

火药是中国人的四大发明之一，本是炼丹家在炼制仙丹过程中的意外收获。火药，就是会着火的药，其生性喜欢热闹，出场习惯燃烧、爆炸等隆重仪式，令人胆战心惊。火药中加入少量辅助性配料，可以达到易燃、易爆、放毒和制造烟幕等效果。因此，军事家对火药感兴趣那是很自然的事情了，热兵器对冷兵器，绝对占优势。

图6 明代火箭

火药在军事上的应用5最迟发生在唐末（904年），火药的出现带动了火箭的发展，970年北宋冯继升发明“火箭”，火药替代了早期火箭上的易燃物，直接推动了火箭的技术变革和军事发展。。这样的火箭曾出现在中国南宋（1161年）宋金交战的战场上。然后金兵战蒙古，蒙古征战欧亚战场，由此火箭技术东渐西被。明朝是我国火药火器的鼎盛时期，军队中有专门掌管火器的神机营，创制的军用火箭，有飞枪、飞刀等单飞火箭，还有多种“集束火箭”，如“火弩流星箭”、“一窝蜂”、“百虎齐奔箭”，堪称是现代多管火箭炮的鼻祖。“神火飞鸦”宛如今天的火箭弹，射程可达300米。专用水战的“火龙出水”是最早的二级火箭，射程最远达1689米，是现代多级火箭的先驱。“飞空砂筒”实质是二级往复火箭，明朝已有掌控火箭方向的技术。很显然，这时的火箭已经不需要弓或者弩来发射了，完全可借助火药燃烧时产生的喷射力飞向目标。火箭的威力重塑人类飞天梦。明朝万户飞天的故事就发生在这样的历史背景下。然而明末清初火药火器在中国衰落。

火箭起源于中国，也曾领先世界水平。而近现代火箭的发展还要看欧洲。

（2）现代火箭的诞生

中国古老的四大发明传入欧洲之后，摇身一变，成为资产阶级战胜封建势力的强大武器，极大促进了资本主义的发展。航海探险、文艺复兴和宗教改革等运动，为近代自然科学萌芽提供社会沃土。近代自然科学是实验科学，涌现出哥白尼、伽利略、培根、笛卡尔、哈维、牛顿、玻意耳、拉普拉斯、赫舍尔和达尔文等杰出人物，显微镜、望远镜、温度计、气压计、抽气机、摆钟和一些船用仪表都是实验中产生的新发明。17世纪牛顿经典力学体系诞生；18世纪瓦特发明的蒸汽机成为工业生产的新动力和各国工业革命的催化剂；19世纪自然科学的各个分支迅速发展，至19世纪中后期，电与内燃机发明并广泛应用；20世纪现代科学蓬勃发展，20世纪中叶电子计算机带领人类步入信息时代。科学技术大发展6为实现人类飞天梦想打下坚实基础。

载人热气球、滑翔机和莱特兄弟飞机的问世延续着人类飞天梦想的执着。有趣的是1865年法国科幻作家凡尔纳出版了《从地球到月球》的科幻小说，这是人类第一部描述太空探索的作品，新奇、前卫又不失科学性。该书激发了人类仰望星空的巨大热情，成为一代代航天人的必读书。近代火箭技术先驱者7（前苏联的齐奥尔科夫斯基、美国人戈达德和德国的奥伯特），都深受凡尔纳科幻小说的影响。宇航之父齐奥尔科夫斯基于1903年发表了“以喷气装置探测宇宙空间”的论文，提出了以液体燃料火箭作为动力的航天思想和利用多级火箭开发太空的系统科学理论，以及使用火箭发射太空船的伟大构想；之后在科幻小说《在地球之外》中进一步论证了太空移民的想法。

回到18世纪，印度在对抗英法军队的多次战争中，曾大量使用火箭武器，带动了欧洲火箭技术的发展。1805年，英国人康格里夫改进了印度火箭，重新确定了黑火药的多种配方，射程可达3千米。改良的“康格里夫火箭”被认为是近代火箭的开端。1840年英国人发明了自转稳定式黑尔火箭。1880年准度提升的黑尔II式火箭弹问世（图7）。1884年法国维埃里制成了无烟火药硝化棉后，各种枪炮采用硝化棉制成的火药作为发射药，以代替黑火药。喀秋莎火箭炮使用的BM-13系列火箭弹的推进剂就是硝化棉。人们还用粘稠的硝化甘油做增塑剂与硝化棉混合，形成双基推进剂。但是相对于大炮的改良，火箭还是少人问津。

直到美国火箭先驱戈达德的火箭实验重拾人们的兴趣。1926年3月16日，在位于马塞诸塞州奥本的农场，液体燃料火箭成功被发射。戈达德提出，燃烧液体化学混合剂所获推力和末速要大于固体推进剂。他发明的火箭是具有简单高压推进系统的自由飞行器，并将超音速的喷嘴装进了液态燃料火箭引擎燃烧室，提高了推进力。他开创性的研究为火箭推进理论在军事导弹学和太空科学探测中的广泛应用奠定基础。

这一发现很快引起德国人的注意。1927年德国火箭学会成立，这一民间组织吸引了很多火箭爱好者，包括自费出版自己博士论文《飞向行星太空的火箭》的赫尔曼·奥伯特，还有天才少年冯·布劳恩，他们的研究得到德国军方大力资助。后来，有数以千计的工程师和科学家在布劳恩的领导下参与火箭型导弹的研制。1942年10月3日，德国成功发射了人类历史上第一枚弹道导弹V-2（图8-9），其动力系统选用液氧/酒精液体火箭发动机，以75%乙醇和25%水的混合物为燃料，推力可达26.5吨，射程190千米。它是世界上最早投入实战应用的弹道导弹，从1944年投产到1945年二战结束，德国共发射4320枚V-2火箭。火箭型导弹在二战中成为有效的军用武器，却终究无力挽回德国败局。

V-2是超音速单级液体火箭，它更大的价值体现在太空飞行上的技术突破8，比如发动机的防热降温、改进的涡轮机和惯性导航系统等。它曾以每小时5800千米的速度抵达太空边缘而令世人惊叹，它是现代航天运载火箭和远程导弹的前身。它实现了航天先驱们的技术设想，是现代火箭技术发展史上的里程碑。遗憾的是戈达德于1945年去世，这位在1920年就梦想火箭飞抵月球的人，并未在有生之年看到现代太空时代的到来。

图7 黑尔II式

图8  V-2火箭外形

图9 V-2火箭内部结构

1.3 登天云梯火箭来

仰望星空，探索宇宙，始终是人类坚持不懈的追求。二战结束后，在德国V-2火箭的基础上，美苏在军事和航天领域展开了激烈的竞赛。前苏联，从仿制到自主创新，发明了最初的R-7弹道洲际飞弹，完成了人类太空探索的很多个第一次。1957年人类第一颗卫星斯普特尼克1号发射成功，开启人类太空时代。1961年加加林驾驶“东方”号飞船实现人类进入太空的美好愿望。美国依托冯·布劳恩等大批德国火箭专家，将火箭技术应用于早期太空研究，1969年载人飞船阿波罗11号首次登上月球。20世纪后半叶，基于火箭卓越的推送能力，苏美法日中分别利用多级火箭发射人造卫星并实现宇宙飞行。随后哈勃太空望远镜、国际空间站和空间实验室等陆续建设并投入应用 。到上世纪末，已有5000多个航天器上天，有100多个国家和地区开展航天活动9。2021年国之重器“中国天眼”全球开放，成为名副其实的深空猎手。随着人类航空航天技术日益精进，畅游天河不再只是人类的梦里花香，火箭架起人类登天云梯。

图10 “东方红一号”

图11 航天员杨利伟

图12 中国航天日

图13 长征系列火箭

中国航天砥砺奋进，自1970年“东方红”响彻九霄，拉开了中国人探索宇宙奥秘、和平利用太空、造福人类的序幕。新时代实现新跨越：神舟上天、嫦娥揽月、北斗指路、祝融探火、羲和逐日、天和游星辰、“悟空”“慧眼”，佳绩频传，中国航天器把中国神话在太空演绎（图10-12）10。长征二号F改二级火箭，近地轨道运载能力达8800Kg。而这辉煌的背后奋力托举的不仅是我们的长征系列火箭（图13），更有我们一代代航天人能吃苦、能战斗、能攻关、能奉献的航天精神。长征火箭一次次托举的是中华民族的民族尊严与民族豪情，是我们艰苦奋斗、百折不挠、不怕牺牲、勇往直前的民族精神！中国航天事业的成就得益于自力更生、自主创新的优良传统。中国航天成果如今已被广泛用于经济建设和社会发展的各个领域，进入寻常百姓家。飞天梦也是强国梦，中国人的太空脚步坚定有力。

2 火箭飞天之科学奥秘

现代火箭可用作快速远距离运送工具（如探空、发射人造卫星、载人飞船、空间站），以及其他飞行器的助推器。火箭是以热气流高速向后喷出，利用产生的反作用力向前运动的喷气推动装置，如此强劲的动力源，关键还是动力枢纽发动机。

2.1 发动机之神威

现代化的发动机是火炮的嫡传后代。人类飞天能力背靠的是各式各样的火箭发动机，拼的是现代高科技。火箭发动机是利用冲量原理、自带推进剂的喷气发动机。其奥秘在于利用燃料转化为工作介质的动能，形成高速射流排出而产生动力。火箭发动机必须经得起高温和低温的考验，还要承受住高强度的流量冲击。

图14 火箭发动机燃料能量转换过程

火箭发动机所用的物质赋能有化学能、核能和电能等。火箭发动机还有个很重要的评价指标叫比冲（每单位推进剂所产生的冲量），比冲越高意味着相同质量的燃料火箭能够获得更多动量。而化学火箭发动机是目前技术最成熟，应用最广泛的发动机。化学发动机工作的实质是把推进剂燃烧产生的化学能经压缩转变成飞行器的动能的过程（图14）11，火箭、导弹等都是依靠燃料的燃烧而获得飞行动能的。推进剂被推进燃烧室（增压、密闭、隔绝空气），点燃，剧烈燃烧，产生高温、高压（2000 K -3500K、4 MPa -20MPa）的燃烧产物，产物的主要成分是双原子和三原子的气相成分以及一些固体金属氧化物。生成产物从燃烧室压入具有拉瓦尔喷嘴的喷管，先压缩，后膨胀，最后到达喷嘴，以数倍音速的速度从喷嘴中喷出，形成扩张尾焰。进入喷口的燃烧产物的部分热能转变为喷管喷口处燃烧产物喷出的动能。这种动能对发动机产生反作用力，从而推动发动机运动。所以，火箭推进剂就是为火箭发射提供动力的物质，通过放热化学反应产生热气体达到推进目的。

推进剂是火箭发动机的能源和工作介质，占火箭总分量的95%，它是航空、航天和各类火箭和导弹的关键技术。火箭发动机的推进剂主要分为固体和液体，还有少量的固液混合推进剂。现代火箭普遍使用的推进剂有四种：固体燃料、偏二甲肼/四氧化二氮、液氧煤油和液氢液氧。大型运载火箭的推进剂中，液体推进剂是当今世界上使用最多、用量最大的火箭推进剂。几种主流推进剂如表112所示。美国掌握了大推力液氢液氧火箭发动机与固体助推器组合的技术，前苏联则把液氧煤油发动机的效能发挥到了极致。液氧甲烷火箭发动机性能介于液氧煤油和液氧液氢之间，由于无污染、重复性好且在太空有资源存在的可能性等优点，有望成为未来太空探索最佳动力。世界顶级商业运载火箭企业研发重点都瞄准了它。

表1 火箭液体燃料综合对比

2.2 推进剂的化学本质

燃烧离不开火，火对人类有着特殊的意义，人类的控火能力一直在提升。直到1777年拉瓦锡提出燃烧的“氧化说”，指出燃烧是物质和氧的化合，伴随光和热，人类才首次明确了燃烧的氧化本质13。现代燃烧学认为，火是物体燃烧时发出的光和焰，是可燃气体燃烧时的现象，还具有电离和自传播等特征，能形成燃烧波。燃烧是一个包括热量传递、动量传递、质量传递和高速化学反应的综合物理化学过程；强烈放热、伴随光辐射，产生自由基等高活性反应中间体；伴随物质的层流或湍流，形成不均匀场，这是个非常复杂的过程。最简单的甲烷分子，其燃烧机理包括53个组分和325个基元反应14。

火箭发动机中的推进剂自带燃烧剂和氧化剂两类物质，为火箭提供动力的化学本质是在特定条件下两者之间发生剧烈的燃烧反应，产生大量热能和燃气。例如，火药的燃烧，其实质是一系列的氧化还原过程，硝是氧化剂，炭和硫都有可燃性，都能被硝氧化。硝分解之后有氧气生成。三者混合点燃后迅速反应产生大量高温高压气体和化学能，剧烈的燃烧就是爆炸。人类从火药这儿顿悟：凡是参与反应后能产生高温高压气体的其他物质都可能具有火药的功能5。随后的苦味酸、TNT、黑索金和奥克多金等高能材料不断应用在军事科学或航天科技中15。

2.3火箭飞天之生命历程

火箭发射过程主要运用的原理是牛顿第三定律，即相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。火箭的发射升空可以简化为物体的变质量运动。燃料与氧化剂在燃烧室燃烧后放出能量，燃气向下高速喷出，若是把某时刻喷出的燃气与火箭看成一个整体，运用动量守恒原理可以推出，火箭所受的反作用力大小等于火箭质量的变化率与喷气速度的乘积。火箭的尾部携带的燃料持续燃烧释放能量和气体，火箭就会不断减小自身的重量，第一级火箭发动机关机分离，第二级点火继续助力，待火箭飞出大气层，第二级火箭发动机关机分离，最后飞船在地球引力的作用下保持最后的速度绕着地球开始惯性飞行（图15）。奥尔科夫斯基很早就知道火箭可以承担宇宙航行的使命，并推导出火箭推进的速度公式，火箭的最终速度取决于火箭的质量比（起始质量对最终质量）和火箭发动机的喷气速度。火箭发动机的喷气速度是其非常重要的性能指标。而单级火箭很难达到第一宇宙速度（7.9千米/秒），因此星际旅行必须使用多级火箭，完成接力赛跑才能奔向浩渺太空8。瞧，登天云梯就这样架起来了。

图15 火箭发射全过程

针对火箭太空完成运载使命之后的去向和安全性问题，航天专家这样回答16：火箭结构“皮薄馅多”，内部燃料在发射过程中消耗，以铝合金为主的壳体很容易在大气层中焚毁。还可以借助火箭钝化技术来缩短在轨飞行时间。历史上从未发生过任何环绕地球的火箭残骸或太空垃圾击中人类的案例。蓝色起源首创的火箭软着陆回收技术，有望实现火箭重复使用，将显著降低太空飞行成本17。

3火箭飞天之烟雾和尾焰

接下来让我们对火箭飞天时缭绕的烟雾和长长的火龙一探究竟。这与推进剂的燃烧反应产物有关18-19。

（1）黑火药

10世纪初到19世纪中期，黑火药曾是世上独一无二的火炸药。许多近代历史上的著名战争都能见到它燃烧后飘散的滚滚黑烟。黑火药燃烧后所产生的烟雾主要包括二氧化碳和一氧化碳等有毒气体及大量木炭颗粒。现代导弹和火箭上已经难觅黑火药的踪影。

（2）无烟火药

无烟火药爆炸时产生较少固体残留物，如硝化棉、硝化甘油（NG）等。最初的“诺贝尔炸药”是黑火药和NG的混合物，用黑火药引爆NG发生连环爆炸。诺贝尔历时8年，发明了达纳炸药和爆胶，这种新型混合无烟炸药，爆破力巨大，无烟无渣滓，价格低廉，安全系数高，便于加工、运输和储存，以绝对优势取代了黑火药的统治地位。其实无烟火药说是无烟，只是相对而言。单基和双基发射药的平地爆炸爆速较高，往往是爆响伴随闪光，一闪而过，只留下被炸起的灰烬。若在弹壳中会形成比黑火药大得多的枪口焰，以及一点点蓝色的薄雾。

（3）复合推进剂

双基推进剂曾是固体火箭发动机的主要动力源。当硝化棉和硝化甘油的经典搭配产生的比冲不能满足需要，人们向双基推进剂中加入各种添加剂，便产生了复合推进剂，由此烟雾和火焰丰富多彩起来。1936年，美国加州理工学院的冯·卡门博士尝试用无机氧化物高氯酸钾和有机物沥青制作推进剂。之后推进剂中出现不少高氯酸物的身影，其中，高氯酸铵是早期烟雾制造者的代表。高价态的氯元素氧化能力强，燃烧剂的选择范围宽，可以和很多物质搭档。高氯酸铵在燃烧的过程中易生成HCl气体，HCl易吸水凝结（1体积的水：500体积的HCl），于是在火箭发射的尾迹便形成大量的白雾，当火箭在较低温度的高空或较为潮湿的海面附近发射时，会形成长矛状或宝塔状的凝结云（图16），白雾甚是壮观。

图 16

图 17

图 18

高聚物兼具燃烧性、粘合性和可塑性，深受火箭设计师青睐。最早出现的高聚物粘合剂是聚硫橡胶（Thiokol），含有大量硫原子，会产生令人印象深刻的黑烟（图17），就像燃烧一堆废旧汽车轮胎。较为成功的高聚物粘合剂为端羟基聚丁二烯（HTPB），被用在多种型号的固体火箭发动机上。采用HTPB推进剂的雅典娜运载火箭如图18。

基于硝化棉和硝化甘油组成的双基推进剂不断改进，最常用的金属添加剂是直径只有几微米的铝。铝粉的燃烧能加快推进剂的燃烧速度，增加发动机的比冲, 还能使燃烧变得更加稳定。但是产生的烟雾中会有大量Al2O3颗粒存在，形成特有的金属烟尘。猛炸药在燃烧过程中能提供更多的热量，显著提高推进剂的比冲, 也被添加到了推进剂当中，于是黑索金和奥克托金来了。高氯酸铵推进剂和添加了猛炸药的推进剂的尾迹都带有白色烟雾，但是，前者的燃烧产物主要是CO2、H2O和HCl，后者的燃烧产物则主要是H2、N2和CO。H2和CO在发动机喷流的高温中会进一步燃烧，产生明亮的“二次火焰”，导致相应的火箭发动机的尾焰极其耀眼（图19）。此外铅盐、铜盐或稀土盐也曾添加到推进剂中，其燃烧产物会对环境产生污染。因此绿色高效推进剂是火箭发动机未来发展方向。

（4）消烟灭焰

在大力提倡绿色发展理念的今天，国家出台了一系列的烟雾标准，消烟灭焰非常必要，其关键是减少Al2O3和HCl的含量、抑制二次燃烧。比如零金属添加，改进氧化剂与燃烧剂的比例以避免因燃烧不完全而产生的充满炭黑的浓浓黑烟。使用猛炸药推进剂逐渐取代含卤素强氧化剂，引入电子捕捉剂，推进剂碳源改用富勒烯及其衍生物等，使用硝酸钠净化剂，有效减少尾烟中HCl的含量。这些举措最终促使尾焰的黑烟和白雾减少、变淡。然而要让耀眼的尾焰隐形、彻底消失似乎并不容易。在火药中加入含有碱金属离子的聚合物能够明显减少炮口的火焰（图19-21），硬脂酸钾、山梨酸钾等有机钾盐食品添加剂被加入到推进剂中。

图 19

图 20

图 21

4 结语

航天技术是现代高科技，它汇集了人类20世纪诸多工程技术的新成就。航天科技的基础是人类浓厚的航天文化。探索宇宙，一飞冲天，那是人类永远的诗和远方。奔赴星辰，逐梦九天，人类飞天梦想的实现，靠的不仅是人类的美好想象，还有人类严谨求实、勇于探索的科学精神和无私奉献精神，更加离不开的是人类科技进步的丰硕成果。火箭飞天梦想成真的历程，谱写着现代工业文明的赞歌。发扬光大飞天文化，唱响探索宇宙主旋律！