超级火箭飞天啦：人人都能读懂的火箭科学

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书名：超级火箭飞天啦：人人都能读懂的火箭科学

ISBN：978-7-115-67997-0

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版　　权

著    林大卫

绘    毛心雨

责任编辑 李 宁

人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

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内容提要

火箭发射作为人类探索宇宙的关键手段，一直以来都充满神秘色彩与无限魅力。它犹如一座连接地球与浩瀚星空的桥梁，承载着人类对未知的渴望与追求。从早期简单的火箭雏形到如今拥有强大推力和复杂技术的运载工具，火箭经历了漫长的发展历程。在这个过程中，每一步进展都凝聚着无数科学家和工程师的智慧与心血。本书收集了 27 个与航天相关的趣味问题，比如：火箭为什么不从山上发射？人造卫星为什么形状各异？发射一枚火箭需要多少钱？航天员如何返回地球？

本书旨在以趣味问题为引，激发读者对航天领域的好奇心，体会人类探索宇宙的勇气与决心。本书适合对航天知识感兴趣的读者阅读。

为什么要在海南岛上发射火箭

大家在看新闻时或许会发现，我国经常在酒泉和西昌两地的发射场发射火箭。但除了这两个地方的发射场之外，海南岛上还有一个文昌航天发射场。难道两个发射场不够用？否则为什么又要在海南岛上建造一个发射场呢？这涉及发射场的选择问题。

发射场的选择，一般要考虑诸多因素，是一项综合性的复杂工作。它主要以航天器、火箭的发射需要为出发点，首先考虑的因素是安全性，即周边最好是无人区，避免火箭发射期间掉落的部分危及周边居民的安全；其次要考虑地球自转的影响，是发射自西向东飞还是自东向西飞的航天器，基于此选择的发射场纬度是不同的；再次要考虑气候因素，即发射场的气候最好比较稳定，极端天气少，日照时间长；最后要考虑交通因素，发射场的地理位置要便于运输。

之所以在海南岛上建造文昌航天发射场，是因为这里有两个地理优势——纬度低和临海。

第一个原因是纬度低，这也是最主要的原因。海南文昌航天发射场的纬度约为北纬19.65°。而在地球这个不断自转的球体上，距离赤道越近、纬度越低的地方，线速度就会越快，离心力也越大，在此处发射火箭时，火箭就越容易借助这个速度和离心力。根据牛顿运动定律和万有引力定律，火箭要想脱离地球表面，进入围绕地球飞行的轨道，就必须达到一定速度，这个速度约为7.9千米/秒，也叫第一宇宙速度。如果火箭能在发射时获得地球的加速助力，就能更快更省力地达到第一宇宙速度，那么火箭发射所需要的能耗也会更低。因此，使用同样多的燃料，在纬度低的地方发射时能运载更重的载荷，这对于成本高昂的火箭来说是相当重要的。所以在发射比较重的航天器时，最好选择纬度低的发射场。

想象一下，有一根一端绑着一块石头的绳子，你抓住绳子的另一端开始甩圈，石头就会围绕你做圆周运动，当你突然撒手时，石头会一下子飞出去。你甩得越快，离心力就越大，撒手那一瞬间石头飞得就越快。绳子越长，石头转过同样角度时走过的弧线就会越长，石头的线速度也就越快，撒手时石头也会飞得越快。火箭就是这块“石头”，地球给它一个甩动的力，而在赤道附近发射火箭，就好比用了更长的绳子，甩动的力更大，火箭的速度也更快。

我国有四个主要的发射场（发射场是发射中心的一部分，文昌航天发射场归西昌卫星发射中心管理）:

酒泉、太原、西昌的发射场地理纬度分别约为北纬40.97°、北纬38.85°和北纬28.2°。在文昌航天发射场建好以前，像嫦娥系列探测器、各类运行在地球同步轨道的通信卫星等航天器，都是在纬度较低的西昌发射场发射的。因为这些航天器质量大、轨道高，更需要地球自转产生的离心力来助推。而现在，文昌航天发射场的纬度比其他三个发射场的纬度都低。

第二个原因是文昌临海。这使文昌航天发射场具有两大优势。

第一，火箭起飞后，都会往东飞，以此借助地球自西向东自转的力量。就像那块石头，肯定是顺着绳子甩的方向才能得到加速助力。而文昌航天发射场向东1000千米范围内均为海域，火箭飞过的区域和残骸掉落的区域均在海上，因此对人们来说更加安全。

更重要的是，发往地球同步轨道、空间站轨道和太阳同步轨道的航天器，发射的方向是不一样的，有的往正东，有的往东南，而文昌航天发射场东部都是大海，可满足各类航天器发射方向的需要。从这里发射的火箭的第一级分离后，会落在东沙海域，第二级将落在南太平洋海域，都不需要疏散群众。而内陆的发射场在执行发射任务时，疏散群众可是件不容易的事。

第二，临海的发射场可以充分利用海运的优势，运送整体尺寸更大的火箭。酒泉、太原、西昌的三个发射场位于中西部或西南部内陆的戈壁或山中，一节一节的火箭在厂房中制造完毕后，需要通过铁路运输到发射场去。一路上火车疾驰，翻山越岭，日夜颠簸，还要经过各式各样的铁路涵洞、隧道、桥梁等，而铁轨的间距与铁路涵洞、隧道、桥梁的宽度都是固定的，因此它们对火箭的尺寸是有限制的，火箭太粗就过不去了。所以除了在文昌发射的长征五号系列运载火箭，其他型号的火箭直径均未超过3.5米。但是如果通过海运，火箭的尺寸就不受限制了。随着火箭越来越向重型发展，海运的优势将进一步凸显。

如何将巨大的火箭运到发射场

每个功能区都有各自的厂房或工位，其中核心的功能区是技术区和发射区，核心的设施是垂直总装测试厂房和发射塔。

火箭从生产厂房出发，一直到伫立在发射塔上的这一过程，大致分为两个阶段。

首先是从生产厂房到发射场的运输阶段。

在这个阶段可采用海运和陆运两种方式来运输火箭。以海运举例，搭载问天实验舱的长征五号B遥三运载火箭就是由中国卫星海上测控部的两艘火箭运输船——远望21号、22号从海上运输的。

在这期间，各主管部门和各协助单位目标明确，团结一致。空中的各种人造卫星会为运输队伍不间断地提供信息，这样指挥部就能根据任务进程及时调配船舶行动。火箭运输船队也科学统筹地开展人员休整、物资补给、设备维护保养、备品备件补充等工作。这个过程我们在生活中很少见到。

然后是第二个阶段。火箭在抵达发射场后，首先被从运输工具上卸下，然后被运至火箭垂直总装测试厂房进行总装测试。测试通过后，火箭就会坐着专属座驾抵达发射塔等待发射指令，这个运输过程叫火箭转场（或转运）过程。

我们在新闻中常常可以见到这一过程的画面——火箭被放在一个平台上，在厂区缓慢前行，来到发射塔。

火箭转场有两种方式，分别是水平转场和垂直转场。

水平转场就是把火箭“横着”转运。首先由各种车辆将火箭的助推级、芯级和整流罩等各个部段分别转运到发射区，然后在发射塔上完成火箭的吊装、对接和测试等一系列工作。这样转运更简单易行，毕竟运分开的小段总比运整个大段要容易。不仅如此，这种转场方式还不需要另建一个垂直总装测试厂房，成本更低。所以在我国航天事业发展的早期，火箭多采用水平转场方式。但是，这种方式效率不高，因为火箭转运到发射区后，不仅要完成垂直吊装，还需要进行垂直测试工作，所以速度会慢些，走完整个流程大约需要14天，这样火箭在发射区停留的时间相对较长，不便于该发射区执行连续发射任务。

鉴于此，垂直转场就应运而生了。

垂直转场就是把火箭“竖着”转运，即先在火箭垂直总装测试厂房内完成火箭吊装、对接和测试等一系列工作，再将“站起来”的火箭通过地面轨道系统整体转移至发射塔。这样能够最大限度地保持火箭的状态不变，从而极大地提高测试和发射的可靠性、安全性。而且垂直转场效率高，火箭在发射区的停留时间较短，仅3～7天，因此发射区的连续发射能力强。

但是垂直转场的技术难度极高。首先，火箭垂直状态下重心高、支撑点小，以长征二号丙运载火箭为例，支撑点仅分布在火箭芯级尾端直径3.35米的圆周上，如同拍头在上、拍柄在下竖直放置的羽毛球拍，极易因重心不稳而倾倒。以长征七号运载火箭为例，若火箭在地面上的几个支撑点的高度偏差超过1毫米，就会使顶部整流罩产生20毫米的横向偏移，进而引发火箭剧烈晃动。其次，火箭常常重达数百吨，对转运过程中途经地面的坚实度和道路质量要求极高。为在如此技术难度下实现火箭垂直转场，需要一种特殊的运输工具——活动发射平台（也叫活动发射台）。以长征五号运载火箭活动发射平台为例，其外形是一个巨大平台，安装在8对轮组共32个轮子上，平台上垂直矗立着脐带塔，整个平台需在地面轨道上行进。

为满足不同种类火箭转场的需求，我国开发了不同种类的活动发射平台，比如运轻的、小的火箭就用小平台，运重型火箭就用大平台：总的原则就是越稳越好。

垂直转场不但要求上述设备十分完善，还要求工作人员时刻收集发射场的地理环境、天气情况等信息并进行分析，从而设计完备的预案。我国在1999年就已经实现“三垂”了，即垂直总装、整体垂直测试和整体垂直转场，那时的火箭发射任务还是在酒泉卫星发射中心完成的。如今该技术在我国已经非常成熟了，像长征二号F运载火箭、长征五号运载火箭、长征七号运载火箭均采用垂直转场。