1903年俄國(guó)科學(xué)家齊奧科夫斯基在他的論文「用火箭推進(jìn)器探索宇宙」一文中提出了著名的火箭理想速度公式：v=ωln(mO/mK)，其中v為速度增量，ω為噴流相對(duì)火箭的速度，mO和mK分別為發(fā)動(dòng)機(jī)工作開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的火箭質(zhì)量。這也意味著火箭要想順利上天，需要巧妙地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)控制飛行過(guò)程中的質(zhì)量。今天我們就來(lái)「拆解」火箭，看看這個(gè)龐然大物如何飛上太空。

火箭的構(gòu)成通常為單級(jí)或多級(jí)，多級(jí)又分串聯(lián)、並聯(lián)和混合型，是為了提高效率和適應(yīng)不同的任務(wù)而設(shè)計(jì)的。

串聯(lián)型多級(jí)火箭是級(jí)與級(jí)之間的連接分離結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但串聯(lián)後火箭總長(zhǎng)較長(zhǎng)，火箭的長(zhǎng)度與直徑比又較大，給設(shè)計(jì)和發(fā)射帶來(lái)一定的困難。同時(shí)，其上面級(jí)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)要在高空點(diǎn)火，降低了系統(tǒng)整體可靠性。

並聯(lián)型多級(jí)火箭採(cǎi)用橫向捆綁連接，連接分離機(jī)構(gòu)較複雜，但其中間芯級(jí)第一級(jí)火箭與旁邊捆綁的火箭可在地面同時(shí)點(diǎn)火，避免了高空點(diǎn)火，系統(tǒng)整體可靠性高，我國(guó)的長(zhǎng)征-5B火箭就屬於典型的並聯(lián)型多級(jí)火箭，採(cǎi)用一級(jí)半構(gòu)型，即在中間芯級(jí)火箭的周?chē)?，又捆綁?枚助推器，這4枚捆上去的助推器與芯級(jí)火箭在地面一起點(diǎn)火，但工作一定時(shí)間後先關(guān)機(jī)並被拋掉，助推器因在第一級(jí)火箭飛行的半路上關(guān)機(jī)，所以只能算它是半級(jí)火箭。

想想火箭飛行一段時(shí)間之後，推進(jìn)劑被消耗，貯箱愈來(lái)愈空，空貯箱成為一種負(fù)擔(dān)，因?yàn)橥七M(jìn)劑釋放出來(lái)的能量還要用來(lái)加速這部分空貯箱，如果能拋掉這部分空貯箱，就可以使火箭輕裝前進(jìn)，增加速度。

理論上，級(jí)數(shù)愈高，意味著拋掉的多餘質(zhì)量愈多，火箭的質(zhì)量比就愈大，能達(dá)到的飛行速度就愈高，但是級(jí)數(shù)太多，每級(jí)之間的連接和分離機(jī)構(gòu)部分也要相應(yīng)增多，這也會(huì)影響火箭的整體重量和強(qiáng)度，並帶來(lái)複雜的技術(shù)問(wèn)題，可靠性也會(huì)降低，所以多級(jí)火箭一般不超過(guò)四級(jí)，我國(guó)現(xiàn)役火箭級(jí)數(shù)最多的是長(zhǎng)征十一號(hào)固體運(yùn)載火箭，有四級(jí)。

火箭呈圓柱形 減少空氣阻力

圓柱形結(jié)構(gòu)在穿越大氣層時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)效率較高，能夠減少空氣阻力，同時(shí)具有較好的穩(wěn)定性，此外圓柱形結(jié)構(gòu)便於內(nèi)部空間的最大化利用，所以設(shè)計(jì)一款火箭的時(shí)候，需要考慮任務(wù)需求、技術(shù)能力、成本和可靠性等眾多因素，對(duì)火箭的運(yùn)載能力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料選擇，速度控制等都需要極為精確的計(jì)算和試驗(yàn)。

長(zhǎng)征五號(hào)作為我國(guó)全新研製的大推力、高可靠、無(wú)毒無(wú)污染新一代運(yùn)載火箭，為中國(guó)新一代火箭系列化、型譜化發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭也被人們稱(chēng)為「胖五」，是個(gè)名副其實(shí)的大個(gè)子，火箭總長(zhǎng)57米，有20層樓高，箭體直徑達(dá)到5米，打破了中國(guó)40餘年來(lái)3.35米箭體直徑結(jié)構(gòu)的限制。

火箭直徑標(biāo)準(zhǔn)竟與馬車(chē)有關(guān)？

大家知道為什麼此前的火箭直徑都在3.35米之內(nèi)嗎？其實(shí)限制火箭直徑的，並非是設(shè)計(jì)或者製造原因，難點(diǎn)在運(yùn)輸上，火箭運(yùn)輸一般都要靠專(zhuān)列，而火車(chē)運(yùn)輸難免會(huì)遇到大橋、隧道，這些地方都是根據(jù)鐵路的寬度設(shè)計(jì)的，想要順利通過(guò)火箭的寬度就不能超過(guò)火車(chē)的寬度，而火車(chē)的軌道寬度標(biāo)準(zhǔn)是從哪來(lái)的呢？在火車(chē)之前是馬車(chē)，這個(gè)寬度是羅馬戰(zhàn)車(chē)的寬度，正好是兩匹馬並行的寬度，千年前，兩匹馬的屁股寬度決定了戰(zhàn)車(chē)寬度，竟決定了今天火箭的直徑。

長(zhǎng)征五號(hào)B火箭是我國(guó)目前最大的火箭。從運(yùn)載能力上看，長(zhǎng)征五號(hào)火箭地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力約為14噸，長(zhǎng)征五號(hào)B火箭近地軌道運(yùn)載能力約為22噸，從用途上看，長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭一般用於發(fā)射高軌道的大型衛(wèi)星以及各類(lèi)深空探測(cè)器，例如嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器、火星探測(cè)器等，長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭主要用於發(fā)射近地軌道的大型衛(wèi)星及飛船，載人空間站核心艙及兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙的發(fā)射任務(wù)亦是由長(zhǎng)征五號(hào)完成的。

●梁偉傑 （愛(ài)國(guó)教育支援中心專(zhuān)業(yè)發(fā)展總監(jiān)，兩次行政長(zhǎng)官卓越教學(xué)獎(jiǎng)得主）

愛(ài)國(guó)教育支援中心由香港教聯(lián)會(huì)主辦，旨在加強(qiáng)支援教育界推動(dòng)國(guó)家安全及國(guó)民教育。中心今年特別成立航天科普教育基地，設(shè)有多個(gè)不同學(xué)習(xí)區(qū)，全面展示國(guó)家航天科技所取得的突破和成就，增強(qiáng)香港青少年對(duì)國(guó)家航天科技的認(rèn)識(shí)。