[去科技馆学科学]登天云梯——火箭

全民科学素质行动科学教育专栏

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。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？

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。

助推器

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。

芯一级火箭和芯二级火箭

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。

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。

本文原载于《中国科技教育》2019年第4期“追踪”栏目，作者胡滨，有删减。中国青辅协会员可点击“阅读原文”登录杂志官网免费浏览全文。