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大家好，我是周炳红。经常有人会问我，“你会造火箭吗？”。其实造火箭的原理并不难。听完这期视频，你也能学会。 去年端午节的时候，我带着很多小朋友就玩了水火箭。我们来先看看水火箭的工作原理，因为它的原理跟运载火箭是相同的，也就是说他们都是往下喷射物质，从而获得向上飞行的力量。只不过火箭是高压喷火，那么水火箭其实也就是水箭，它是高压往后面喷水。火箭的公式是这样的，又叫齐奥尔科夫斯基公式。它包括两个部分，也就是火箭能获得的速度增量（ ），等于第一个部分，火箭往后喷出的气体速度（ ）。第二个部分，火箭的质量比取对数（ ）。也就是火箭刚开始飞行的时候的总质量除以火箭关机的时候的质量，这个质量比取自然对数，跟前面的火箭喷气速度相乘。最后就得到火箭产生的速度增量。我们来通过一张图看一下，火箭推力产生的简单的原理。发动机内部压力高，外面压力低，简化以后就是有一个压力差，压力差乘以一个特征面积，这个特征面积会大于火箭喷口喉部的面积，小于喷管出口的面积，这样就可以得到火箭的推力。我们的水火箭通过气筒打气，加压到4个大气压。那么外面有一个大气压，这种压力差就是三个大气压，也就是30万帕。那么喷管出口面积大概是一平方厘米，也就是万分之一平方米。这样压力乘以面积，我们水火箭的推力大概就是30牛顿，也就是三公斤的推力，所以我们的水火箭只能打上1~2公斤，太重了它就飞不起来了。这就是一级火箭飞行的原理。通过捆绑和纵向加级的方式，就可以形成多级火箭。是因为刚才我们从火箭公式看到，单级火箭的时候，火箭的总质量除以它关机时候的质量，这个比太小了。如果我们长征五号火箭做成只有一级的话，当把里面推进剂全部烧完的时候，这外面4个储箱以及中间的储箱，还有这么多的大推力的发动机的话，它的死重是很重的，这样质量比就很小，我们能发射的载荷也就很小，一级火箭是达不到第一宇宙速度的，所以就要有多级火箭。多级火箭底下的助推器，当它的推进剂用完以后，它的发动机和壳子已经太重了，就要及时的把它抛掉。用里面的，推力更小，尺寸也更小的发动机工作，继续飞行，这样多级火箭就可以实现把卫星发射到地球各种轨道上去。讲完了火箭的原理，我们就来讲讲现实中造一枚火箭到底有多难？可以这么讲，运载火箭，我们大学所有工科的学科基本上都要用到。第一个用的最多的当然是流体力学，我的专业就是这个。比如火箭外面有空气动力学，也就是空气流动的知识。火箭贮箱里面推进剂的流动，也要用到低速流体力学的知识，火箭发动机里面推进剂高速的撞击、混合、破碎以后燃烧，同样需要流体力学的知识。第二个方面，要用到机械设计的知识，也就是我们要设计发动机箭体的结构，以及各种阀门、管道，还有发动机里面，特别是泵的设计。另外进行工作的时候，要进行气膜冷却，都需要我们机械巧妙的设计来实现这些功能。第三个是热能动力学专业，它主要处理的就是燃烧室内部是怎么把热能转化为机械能的，也就是刚才原理里面的要让燃气喷出来的速度要很高，而且要安全稳定地燃烧。还有一个就是化学专业，它主要是要研究各种推进剂配方。上海有机所的杨军研究员团队，他们就是研究怎么样让煤油的密度更大，不容易结焦，通过改变煤油里面各种成分的配置，还要研究单组元的推进剂，也就是把氧化剂和还原剂混合在一起，这样就不需要两个储箱来分别装推进剂了。这样能够更灵活地用在飞行器上这种小的推进器上，比如可以用来控制我们的载人飞船的姿态。还有现在要研究各种各样的绿色推进剂，来取代以前这种四氧化二氮、偏二甲肼、甲基肼这种剧毒的推进剂，这都是化学专业所要做的工作。还有就是材料科学，也就是要选择什么样的材料。打比方，让我们的燃烧室要承受几百个大气压的压力，3000度左右的温度，直接扛扛不住，要通过设计气膜冷却，来降低它的温度等，压力是要直接材料扛住的。箭体的质量。因为箭体的质量对我们卫星应用来说，是死重，是希望它越轻越好，但是火箭又要维持箭体结构的完整性，这样的话，就要发展非常轻质的铝锂合金材料，还有碳纤维材料，Space X在这方面是做的最好的。它的猎鹰9号火箭的上面级，就用到铝锂合金。它很贵，我们一般不用，我们用的是铝合金。用它的话上面级的结构占整个火箭重量的比例降到了5%以下。一般的火箭都要7%或者10%的结构重量，它降到5%以下以后，它的火箭的运载能力就更强。还有一个专业，电子学专业。我们要测量发动机的各种参数，来获得火箭的姿态、速度以及位置。然后自动控制专业，后面当然还要用到计算机专业，最后，除了硬件，当然还要将各种算法编制成代码，也就是要用到这个软件工程专业的知识。那么造火箭这么难，为什么美国能够在70年代航天竞赛中取得胜利？就能把宇航员送到月球上去？美国在系统工程方法上确实是世界领先的。所谓系统工程方法，就是把这么几十个专业，几百万个零件，可能几百上千家企业要把他们组织起来，把火箭做到100分，万无一失。系统工程的管理方法，就是要把这么多东西全部做对。有人就说美国登月可能是假的，其实它的真假从系统工程角度来看，已经不重要，因为他为了登月，其实是发展了大量的技术，很重要的就是它发展的4项体系性的辅助计划。在1961年到1965年，美国就实施了徘徊者号探测器计划，研究整个月球的外观，测量月球附近的辐射和等离子体等等，评估月球环境对载人飞船着陆任务的影响。后来1966年到1968年,又发展了勘测者号探测器计划，主要任务是进行月面软着陆实验。第三个辅助计划是月球轨道环形器计划，主要任务是在绕月轨道飞行时，拍摄月球正面和背面的详细地形照片，为阿波罗号载人登月飞船选择着陆点。第四个辅助计划就是双子星座号飞船计划，主要目的是实验轨道机动交汇对接能力，以及让航天员在轨出仓。也就是说即使没有阿波罗登月任务，美国是在这些辅助计划中已经具备了载人登月的所有技术能力。阿波罗工程中用到的各个的专业技术，在美国后续的航天任务中都得到了继承和发展，同时也诞生了很多著名的企业，比如波音公司、北美航空、道格拉斯、洛克达因，还有很著名的JPL。
10米级大型火箭结构，波音公司和洛马公司，他们在最近的重返月球计划中也都用到了这种大尺寸的火箭结构技术。还有一个火箭耦合震动，pogo震动的控制技术。我们国家杨利伟第一次上天的时候，就经历了火箭低频的，大概是8Hz的一个剧烈的震动。当时他是眼睛都看不清了，那么我们国家后来也解决了这个技术问题。这个JPL实验室的创始人就是钱学森，他们最近还发表纪念钱学森的文章，钱学森在美国航天中是做出了非常重大的贡献。JPL实验室在阿波罗计划中执行徘徊者月球探测计划，当时就遭遇了计算机的连续故障，探测器内部短路等等，连续6次失败。也正是在阿波罗计划的牵引下，JPL实验室在第7次取得了成功，为载人登月积累了宝贵的经验。今年毅力号也刚刚在火星成功着陆，这都是JPL实验室的功劳。也就是说美国在阿波罗登月计划中成长起来了很多的年轻的人才，以及这些著名的公司都得到了很好的锻炼。说了这么多，也希望我们国家更多的年轻人投入到航天事业队伍中来。下一集，我们就来聊聊未来的火箭技术。
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