液体火箭推进技术：从农场里起飞的现代科技

福多多

罗伯特·戈达德和他研制的液体燃料火箭

1926年3月16日，美国火箭研制的先驱者、科学家罗伯特·戈达德制造的世界上第一枚液体火箭升空。

汽车、轮船、飞机的发动机简单来说都是利用转动产生能量来驱动车轮，获得动能。而飞上太空则需要利用完全不同的原理获得。就像把吹满气体的气球放开，气球就被喷出的气体推得满屋乱飞一样，飞向太空的火箭也是利用气体产生的推力获得第一宇宙速度甚至第二宇宙速度脱离地球的束缚。

最早发明火箭的中国，就是运用火药点燃气产生的反作用力将火箭推向天空。从宋朝开始，火箭的利用更多停留在了军事和娱乐上，但也为现代火箭的发明奠定了基础。

1903年齐奥尔科夫斯基就推导出单级火箭的理想速度公式：V=ω×Ln（Mo/Mk），被称为齐奥尔科夫斯基公式。ω为发动机的喷气速度，Ln为对数表达式，表示以自然对数e为底数的对数，Ln（Mo/Mk）就是表示为以e为底数Mo/Mk的对数，Mo和Mk，分别是火箭的初始质量和发动机熄火（推进剂用完）时的质量。Mo/Mk被称为火箭的质量比。

在20世纪初，火箭的推进剂还是以火药为主。虽然经过配方标准化，但是对于戈达德和很多科学家来说，火药火箭存在很重大的缺陷，这就是普通火药能量低、喷气速度低、燃烧难以控制等。在1909年2月2日，戈达德在他的日记中写道：“只有用液体燃料才能提供星际航行所需要的能量。”这是他最早的液体火箭思想。

1921年12月，戈达德完成了第一台液体火箭发动机的研制。1925年，他试制出了第三台发动机。1926年春，他将火箭发动机连接了两个串联推进剂贮箱，用两个长约1.5米的细管将液氧和汽油传送到燃烧室中，采用的输送方式是高压氮气挤压法。

1926年3月26日，他和妻子以及两个助手在沃德农场进行了世界上第一枚液体火箭的发射试验，取得了很大成功。他在报告中描述道：“火箭试验在下午2:30进行。经过2.5秒后，上升高度达12米，飞行距离达56米。”

虽然这枚火箭性能并不理想，但它打开了液体火箭技术的大门，为航天时代的到来作出了预言。

在这次试验成功后，戈达德又对火箭结构进行了改进：把发动机放置在火箭的尾部，采取了保持火箭稳定飞行的措施。同时，他对发动机的燃烧室进一步改进使之能提供最大的燃烧效率。1929年7月29日，戈达德研制的3.36米长的新火箭进行了试验。它的头部装有气压计、温度计和照相机，照相机对准两个仪表。当达到最大高度时，降落伞的弹射开关同时打开相机快门，这样便可记录到火箭在最大高度时大气的温度和压力值。这次试验火箭的飞行高度为32米，水平方向飞行了53米，降落伞装置保证了仪表在落地时没有损坏。这枚火箭可以称为“第一枚探空火箭”。

火药火箭并未完全因为液体火箭的出现而退出历史舞台。在现代火箭发动机技术中，火药依然被用于固体火箭发动机上。固体火箭发动机与液体火箭发动机相比较，具有结构简单，推进剂密度大，推进剂可以储存在燃烧器中常备待用和操纵方便可靠等优点。主要用作火箭弹、导弹和探空火箭的发动机，以及航天器发射和飞机起飞的助推发动机。

与固体火箭发动机相比，液体火箭发动机是航天发射的主流，在构造上比固体发动机复杂得多。可以这样说，液体燃料火箭是从农场起飞的现代科技。（芮厘整理）