邮发代码:82-418   刊号:ISSN1671-4350   定价:12.00

[追踪]去科技馆学科学:登天云梯——火箭

胡 滨/中国科学技术馆

2019-04/总第277期

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火箭是一种靠发动机喷射工质(工作介质)产生的反作用力向前推进的飞行器,是人类冲出地球、探索太空的登天云梯,也是一项系统工程。《义务教育小学科学课程标准》要求学生掌握“工程技术的关键是设计,工程是运用科学和技术进行设计,解决实际问题和制造产品的活动”“工程是以科学和技术为基础的系统性工作”。在中国科技馆,可以通过“太空探索”展区的展品“火箭解剖”体验火箭是如何运用科学和技术进行系统设计的。

火箭解剖

我们经常在电视上看到火箭发射时的场景,听到介绍说某型火箭推力多大,能将多大的卫星发射到什么轨道。可能大多数人不会知道这些数据和火箭自身结构有什么关系,也不知道火箭内部到底是什么样的。现在,在中国科技馆4层的“太空探索”展厅里有1件展品“火箭解剖”,在6米高的仿真模型前,你可以解剖长征二号F型火箭,一窥内部结构。请大家思考一下火箭结构组成,为什么火箭发射后走一路丢一路?长征五号运载火箭结构和现在解剖开的长征二号F型结构一样吗?

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长征二号F型火箭模型按照1∶10的比例制作,它的助推器、芯一级火箭、芯二级火箭、整流罩、逃逸塔5个主要部位制作为动态结构,并装置灯光及语音。操作台上设有4个按钮,可分别启动火箭各个部位的动态结构、灯光及语音,演示其结构及功能。通过语音装置,可收听相关知识的语音讲解。

助推器 共4个,其中1个助推器的外壳制作为透明结构,内部的发动机、燃料箱、氧化剂箱等主要结构均装置灯光。参与者按下“助推器”按钮,语音及灯光启动,配合模型演示助推器的主要结构和功能。

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助推器

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芯一级火箭和芯二级火箭

芯一级火箭和芯二级火箭 它们的外壳为可自动开合结构,外壳打开,可展现其内的发动机及喷管、燃料箱、氧化剂箱、级间段等结构,这些结构均装置灯光。芯一级和芯二级火箭的发动机喷管都设有摆动功能,可驱动发动机喷管做单向摆动,摆动幅度模拟真实的喷管摆幅,其摆动角度分别为10°和60°,直观演示火箭飞行姿态的调整方法。参与者操作按钮,可分别打开芯一级和芯二级火箭的外壳。当它们的外壳打开时,相应的灯光及语音启动,发动机喷管摆动。通过生动直观的动态演示,参与者可了解芯一级火箭或芯二级火箭的主要结构、功能。演示结束,外壳自动关闭。

整流罩及逃逸塔 整流罩的外壳为可自动开合的结构,并装置灯光,外壳打开可呈现保护在里面的飞船。整流罩上方的逃逸塔制作为动态机构,可携带飞船脱离火箭上升一定高度,直观演示逃逸塔的功能。参与者按下“整流罩”按钮,整流罩外壳打开,灯光亮起,参与者可看到整流罩内的飞船。同时语音装置启动,介绍整流罩的作用及飞船的结构和功能。伴随逃逸塔携带飞船脱离火箭的动态演示,语音会配合讲解火箭发生危险时,逃逸塔携带飞船及航天员脱离险境的功能。让公众直观认识整流罩、飞船及逃逸塔的结构和功能。

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整流罩及逃逸塔

为什么火箭发射后一边飞一边丢东西

火箭是靠发动机喷射工作介质产生的反作用力向前推进的飞行器。它自身携带全部推进剂,不依赖外界工质产生推力,可以在稠密大气层内飞行,也可以在稠密大气层外飞行。以长征二号F运载火箭为例,它由4个液体助推器、芯一级火箭、芯二级火箭、整流罩及飞船、逃逸塔等几个部分组成。助推器、芯一级火箭、芯二级火箭均由氧化剂箱和燃烧剂箱及发动机构成,是火箭的“动力和心脏”。整流罩负责保护飞船免受来自大气层的各种干扰。逃逸塔可在火箭发生故障时,拽着飞船与火箭分离,帮助飞船上的航天员脱离险境。

在火箭发射后,首先是芯一级和助推器点火工作,待燃料消耗完后就需要将其抛掉,以减轻重量。之后二级火箭发动机点火开始工作,继续加速。以此类推,直到将航天器发送到预定轨道。所以,大家在看火箭介绍的时候,经常有某火箭为二级或三级运载火箭,指的就是这个。一般来说,火箭级数越多,发射能力越强,但是随着火箭级数的增加,其结构复杂性越来越大,对材料、燃料、控制等的要求成倍增加,所以现代火箭大多为二级或三级火箭。

通过前面的介绍,我们知道长征二号F型运载火箭是二级运载火箭,是目前我国载人飞船发射的唯一运载火箭,具有安全性、可靠性高等特点,先后将我国10艘“神舟”号载人飞船和“天宫一号”空间试验室成功送入太空预定轨道。

和使用氢氧燃料的长征五号火箭相比,长征2F火箭结构有什么异同?

长征2F型运载火箭是使用四氧化二氮(N2O4)作为氧化剂、偏二甲肼(UDMH)为燃烧剂的液体火箭,发动机也是液体火箭发动机。而长征五号火箭主动力采用液氢、煤油、液氧等无毒、无污染推进剂,发动机也是新型大推力液氢液氧、液氧煤油发动机。使用燃料的不同使火箭发动机、内部结构等均存在较大差异。例如燃料储存结构,长征五号火箭有储存低温液氢、液氧的储存罐。火箭发射时,由于长征五号主体采用了-252℃的液氢作燃料,比发动机壳体温度低得多,所以最先进入发动机的氢就会升温,变成专家所说的“热氢”,火箭周围会出现一些“雾气”。

长征五号是我国当前最大的运载火箭,它采用了通用化、系列化、组合化思想设计。该系列由二级半构型的基本型长征五号运载火箭(CZ-5)、不加第二级的一级半构型长征五号乙运载火箭(CZ-5B),以及添加上面级的长征五号/远征二号运载火箭(CZ-5/YZ-2)组成,地球同步转移轨道和近地轨道运载能力分别达到14吨级和25吨级,以满足中国未来天宫空间站、北斗导航系统的建设,以及探月三期工程及其他深空探测的需要。

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