火箭的相關歷史
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第一章 第一節 中國人的驕傲
第二章 第一節 火箭與飛機的合體
第二章 第二節 從地表起飛,從太空返航
   

第一章
第一節:中國人的驕傲

在古代的文獻中有記載,大約在西元1040年的時候,就已經有「火矢」這種東西。所謂的火矢也就是古代的火箭,箭身附帶有圓筒,裡面裝著黑火藥,利用十字弓發射。而火矢也被公認為第一個實用的火箭。

在古中國歷代當中,使用火箭比較有名的算是宋朝了。歷史中,曾有這一段記載:「防守者且有『飛火箭』,附一可燃物於箭上,箭做直線射出,其火力所及之面積約十步。 匈奴甚畏此種『飛火箭』」。當然約西元十三世紀前期。

據說,在明朝的時候,有一位名叫萬盧的學者,用幾十支火箭綑綁在椅子後面,自己坐在椅子上,手拿兩個大風箏,叫僕人點燃火箭,使自己飛上去,不過,在一聲大爆炸後,萬盧就從此消失了,可說是為載人火箭犧牲的第一人。

由於當時中國的科技大多偏重於應用方面,比較少在理論上做研究,所以火箭的發展就輸給了後來居上的美國、俄國跟德國。

1903年,蘇俄的液體火箭始祖席考斯基發表了一本宇宙火箭的書,是最早有關液體火箭製造的書。不過,席考斯基只是個理論家,他並沒有真正發射過火箭。最早研究液體火箭的,應該要算是美國的哥達德了。

第一次世界大戰以後,美國科學家哥達德開始利用液氧跟汽油做液體火箭的實驗。1926年三月十六日,第一枚液體火箭終於在麻省奧邦城發射成功,雖然只飛了四十一呎高,但卻是日後液體火箭發展的一大進步。

在德國方面,這時出現了一位赫赫有名的火箭科學家馮布朗,在馮布朗的領導下,德國建造了V-2火箭,1944年二次大戰快結束時,這飛彈帶給倫敦莫大的威脅。而那時的美國火箭直徑不過一呎,長十呎,重約半噸;而德國的V-2火箭直徑五呎半,長四十六呎,重十四噸,可以打到百哩外的地方。而美國一直到十年以後,才造出紅石火箭與V-2相匹敵。

二次大戰結束後,由於德國戰敗,於是美國把德國V-2火箭的零件整批帶回美國研究,而德國的火箭專家,連同馮布朗在內,也一起帶回美國繼續研究火箭。之後,馮布朗更策劃了美國的阿波羅計畫,設計了全世界有史以來最大的火箭111公尺的撒旦五型火箭。馮布朗對於火箭的歷史發展可說是佔有一個極重要的位置。

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第二章
第一節:火箭與飛機的合體

由於火箭的發射成本相當高,重復使用性又不佳,在第二次世界大戰之後,歐洲和美國的科學家都竭盡全力研究新的可重復使用的太空載具。其中英國有一項構想,叫做”MUSTARD”,就是多單位太空運輸及回收裝置的意思。按照這個構想,他是由三具相同的三角翼火箭構成,一起發射,到了太空便分開,其中有兩具火箭是用來幫助第三個火箭進入軌道用的。

在蘇聯史波尼克衛星發射的一周後,也就是1957年的11月,美國空軍提出了一個名爲動力的太空滑翔機研究計畫,依照計畫,他將利用泰坦火箭來幫助發射升空。1962年時,爲了更貼切地表達出他的實驗性質,便將他更名爲X-22。可是,在1963年時,這個計畫就突然中止了。

文字方塊: M-2、HL-10、X-24 三種升體(NASA)

X-22計畫被停止以後,美國太空總署仍舊繼續研究設計其他載人的太空船,其中包含了一項名為升體的計畫,他是一種無翼的飛機,他能利用本身的形狀來產生升力。

19661975年間,美國太空總署分別測試了M-2HL-10X-24這三種不同的升體,而這些測試所得到的數據對後來太空梭的設計發展提供了很重要的資訊。

 

1970年,美國太空總署委託不同的設計團隊進行研究,那時流行的設計概念是一種有人駕駛的的運載火箭,幫助軌道運行器進入太空。其中一種較低廉的設計是使用既有的土星火箭當作運載火箭,利用他將軌道運行器送上太空。可是這四種設計所需的經費都遠遠超過太空總署的預算。而為了節省經費,最後選擇可重複使用的固體燃料火箭來當作助推器。

1972年初,第一架真實尺寸的太空梭原型機終於獲得批准開始製造。而美國洛克威爾公司則成為第一架太空梭的主要承包商。其實,洛克威爾公司只是主要的承包商而已,並不是負責所有零件的生產,全美有很多公司分別承包製造太空梭的個別部件,這些部件完成之後,全部送往加州的洛克威爾工廠進行裝配工

作。1976917日,太空梭的裝配工作終於完成,稱為”OV-101”(Orbiter Vehicle)。之後,這艘太空梭便以美國當時有名的連續劇星空奇遇中的一艘太空船命名為企業號

不過,企業號只是建造來進行飛行、著陸、和其他各種試驗的,她還遠不是一具能夠進行全面作業的太空梭!本來,美國太空總署打算將企業號加以改裝以便用來日後的太空飛行,可是為了要節省經費,最後還是放棄了這個計畫,企業號在作了幾次試驗以後,就給安置在博物館裡了。

1981412日,太空梭哥倫比亞號點燃三具主發動機並發出隆隆巨響,數秒後,哥倫比亞號就在上千萬人的注目之下緩緩升空,自此,第一艘載人飛行的太空梭終於發射成功!

 
太空梭結構示意圖

在外部構造上,太空梭主要可以分為梭體、兩個固態燃料助推器和一個外部燃料箱。其中,能夠重複使用的只有梭體本身以及兩個助推器而已,外部燃料箱會因為高速穿越大氣而被燒毀。太空梭的梭體總重量約為100噸(結構重量為68.6噸)

,外部燃料箱重量約736噸(結構重量約32.7噸),固體火箭助推器每具重501.7噸(結構重量為81.9噸)。由此可知,太空梭的重量大部分集中在外部燃料箱跟助推器上,梭體本身的重量其實是很小的。

太空梭系統總共使用五具發動機來完成起飛的動作,其中三具主引擎在軌道

運行器的後面,可產生510噸的推力;另外還有兩具外掛在外部燃料箱旁邊的固態火箭助推器,可產生2240噸的推力。除此之外,還有兩具小的軌道運行發動機和若干個小型噴射推進器。

    由於空氣與軌道船之間的摩擦會產生熱的傳遞,尤其當軌道船從太空返航時,他是以時速28000公里進入大氣,在這樣高的速度下,產生的熱量更是驚人,可能使軌道船的某些地方發熱到高達1300℃。大多數的材料在這樣高的溫度中會熔化,但是軌道船有一層含有矽質的的特製陶片保護。在軌道船上一共裝有32000塊陶片,每塊陶片都是用人工親自貼上去的,溫度最高的地方機頭跟機翼前端都有一種叫加強碳的物質覆蓋著,加強碳的抗熱能力甚至比陶片還要強。

文字方塊: 太空梭起飛圖(NASA)

太空梭在完成任務後便可以回到地面上。因為太空梭上面也有像飛機一樣的控制面,可以作俯仰偏航以及側滾等動作,所以太空梭也可以像飛機一樣滑翔進入跑道。只是,太空梭在減速落地的方法跟一般的飛機比較不同,大致來說,飛機是利用額外的減速板來減速,可是太空梭卻是利用垂直尾翼來減速。事實上,太空梭的重直尾翼有兩片,當他用來控制姿態時,兩片垂直尾翼閉合,可是當他用來減速時,則兩片垂直尾翼就會分開,以達到類似減速板的效果。

    太空梭的發射費用約2000萬美元,換算成新台幣,約7億元左右。若與傳統的火箭相比較,可說是相當便宜。以傳統火箭發射3~4噸的人造衛星來看,所需的費用也大約是8億元到10億元之間,然而太空梭的搭載能力約30噸,因此,若以重量來比較的話,太空梭所需的發射費用約為傳統火箭的八分之一而已。除此之外,太空梭還能將故障或是損壞的人造衛星捉回地球修理,這點是傳統火箭所不能做到的。

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第二節:從地表起飛,從太空返航

 西元2001328日早上642分,發現號太空梭載著國際太空站的零組件在佛羅里達州的卡那維爾角準備升空,在倒數聲中,發現號太空梭點燃三具主引擎,接著,兩具固態火箭助推器分別被點燃,發現號緩緩離開地表,在眾人的歡呼聲中直向天空前進

乍看之下,太空梭的發射好像很簡單,只要按一個按鈕就好了,其實不是,太空梭的發射還牽涉到組裝等等的步驟,每一個步驟都不能馬虎。

軌道船處理工廠(NASA

 

文字方塊: 載具裝配大樓(NASA)

 太空梭完成任務回到甘迺迪太空中心以後,就會被送進軌道船處理工廠(OPF),這個工廠有三個隔間,每個隔間都有60公尺長、46公尺寬、29公尺高。在這裡,軌道船會進行例行的檢查和一些下次飛行所需要的保養維修等服務,另外,軌道船也可以在這裡修正一些缺點或是提高她的性能。接下來,軌道船會被送到載具裝配大樓(VAB)進行裝配的工作,VAB可說是全世界最大的建築物之一,高160公尺、長218公尺、寬158公尺。在這裡,固體火箭助推器會先被吊起來裝在移動式運載火箭平台(MLP)上面,接著,外部燃料箱也跟著被裝在MLP上面,最後,從OPF來的軌道船也被架在平台上,跟外部燃料接在一起,當所有的裝配跟檢查都完成後,爬行者運輸車(crawler-transporter)就會把整個移動平台抬起並且送往發射台準備發射。

文字方塊: 爬行者運輸車(NASA)

 爬行者運輸車可說是非常奇特的交通工具,是目前已知最大的履帶運輸工具... ,長35公尺、寬40公尺、總重2721公噸,而總供電量可達5800kw。當他載著太空梭時,時速只有1.6公里,每跑1.6公里大約需要568公升的柴油。又因為她的速度很慢,所以從載具裝配大樓開到發射台大約需要5個小時。

當太空梭被送到發射台後,並不是可以馬上發射,還需要一些程序,如液態氫和液態氧的裝填、燃料電池跟維生系統的提供等等。在完成所有的裝填工作後,還需要不斷的測試,以免突然出現錯誤而來不及修改,以致於錯過了發射時間。

 

文字方塊: 甘迺迪太空中心的發射台(NASA)
 起飛時,太空梭會先起動三個主引擎,接著,兩具固態箭助推器跟著起動,瞬間,太空梭產生一股高達3000噸的推力----足夠整個紐約州照明之用。到了約45公里的高空,兩具助推器的燃料已經耗盡,每一具用掉了560噸的燃料,平均每秒消耗4.1噸。

 此時,太空梭的時速約4800公里以上。助推器燒完後便被炸開而掉落海面,由回收船收回以便於再次使用。這時,主引擎的燃料還很充足,她的工作時間是助推器的四倍,當軌道船快到太空時,外部燃料箱也被丟棄,不過,由於外部燃料箱是不能重複使用的,所以當他通過大氣時會因為溫度過高而被焚毀。接下來,軌道運行發動機開始工作,以便將軌道船送入正確的軌道。

 

 

 

當軌道船完成她的任務後,軌道運行發動機會再次點火,將速度減小,以進入大氣。這時,太空梭以25馬赫的速度進入大氣。

因為速度很快,所產生的的溫度也因此相當高,而為了能達到減速的功用,太空梭並不是以鼻錐部切進大氣,而是以底部來與大氣接觸,如此可以獲得較大的減速作用。最後,太空梭以時速550公里滑向愛得華空軍基地,在落地前,軌道船會打開減速傘,最後以時速340公里降落在跑道上。

文字方塊: 飛行中的太空梭(NASA)
 
文字方塊: 搭載太空梭的波音747(NASA)

太空梭的降落場有兩個,一個是愛得華空軍基地,另一個則是甘迺迪太空中心。可是因為太空梭的組裝跟發射都必須在甘迺迪太空中心,所以太空梭若是降落在愛得華空軍基地,則太空梭必須利用波音747來當作運輸工具,把太空梭運回甘迺迪太空中心。

之所以會使用波音747來當作運輸太空梭的工具,是由於太空梭本身並沒有足夠的燃料來飛行,所以得靠其他飛機的幫忙。運送的方法是將梭體所在飛機上面,當747快要到達甘迺迪太空中心時,便會將連接梭體與747飛機的螺栓炸開,747飛機打開推力反向器,使梭體向前飛出去,最後再靠梭體本身的姿態控制系統飛回甘迺迪太空中心。很多人一定會覺得很奇怪,為什麼不直接用波音747降落就好了,還要炸開相連接的螺拴,讓梭體自己落下,這是因為怕落地時重量太大,會導致飛機的機輪損毀甚至會發生失事,所以才會採用此種方法。

 

太空梭降落到甘迺迪太空中心後,就會被送進軌道船處理工廠進行檢修的工作,大約兩個星期的整備後,太空梭又可以再度使用。

 

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