火箭的其他应用

三、火箭的其他应用

（1）高空探测火箭

火箭的应用十分广泛，除最早用作武器外，便开始用来探测研究高空大气的情况。这种在近地空间进行探测和科学试验的火箭，称为探空火箭。它是30至200千米高空的一种有效探测工具。美国于1945年秋研制成功的“女兵下士”火箭，是世界上第一枚专门用于高空大气探测的探空火箭，它能将11千克的有效载荷发送到70千米的高空进行大气探测活动。20世纪50年代，前苏联研制发射了探空火箭，参加国际地球物理年的探空活动。自1973年到1981年，共发射了2000多枚探空火箭。

在地球的大气高层，受太阳辐射及宇宙线的作用，会产生复杂、剧烈的物理和化学运动过程，如高空大气存在着电离层，对地面的短波无线电通信有着重要影响。利用探空火箭，可以从高空探测大气各层结构、成分和其他参数，研究电离层、地磁场、宇宙线、太阳紫外线、X射线、高能粒子、陨尘等各种日地物理现象。它所测得的这些数据，不仅可用于天气预报、地球与天文物理研究，而且还能为各种航天器的研制发射提供必要的环境参数。此外，探空火箭可以提供失重环境研究生物机体的变化，进行航天技术与仪器设备的试验等。探空火箭一般为无控制火箭，具有结构简单、成本低廉、发射方便等优点。即使人造卫星问世后，探空火箭在大气高层的研究工作中仍有很大科学价值。特别是它更适用于观察研究某些短时间出现的特殊自然现象，如磁暴、北极光、日食等。

探空火箭有一个特殊问题，就是它携带的仪器需要回收，所以要着重考虑其落点和安全。既要对坠落地方的居民不致造成伤害，又能顺利降落，保证仪器完好无损。即使不需回收时，也要采取措施在其坠落过程中烧尽或自毁。

我国探空火箭的研制是在1958年，与仿制前苏联P－2导弹同时起步的。以后20多年，我国探空火箭技术大体经历了两个发展阶段：第一阶段为初期试验阶段（1958年至60年代末），主要任务是探索发展途径，掌握探空火箭研究、设计和制造方法，开展空间探测活动。在初创时期，尽管物质条件很差，但由于空间科学、空间技术、尖端武器等方面，迫切需要运用探空火箭解决一些重要课题，因而促进了探空火箭发展。1960年9月，我国自行研制的第一枚液体燃料气象火箭“T－7”首次发射成功。从此，我国相继开展了各种不同用途的液体燃料探空火箭和固体燃料探空火箭的研制。第二阶段（70年代初至80年代初）为重点提高阶段，主要任务是使我国固体燃料气象火箭向小型化、标准化方向发展，为进行高空气象参数的日常性探测做好准备。在这个阶段中，由于我国空间活动的重点已转入空间飞行器的研制，探空火箭的发展速度相对减慢，但探空火箭的技术水平和探测水平，都比第一阶段有了显著提高。如“和平6号”气象火箭，已达到70年代世界各国正在使用的气象火箭的小型化水平。

到1984年，我国已相继研制成功“T－7”、“T－7A”、“和平2号”、“和平6号”4种气象火箭。利用“T－7A”火箭进行了高空生物试验和空间技术试验。我国已经积累了研制和发射探空火箭的经验，形成了一支探空火箭研制队伍，具备了研制、发射探空火箭的物质条件和技术手段，为今后进一步发展我国探空火箭技术奠定了基础。

（2）生物试验火箭

生物火箭是一种用于生物学研究的探空火箭。它的任务是将实验生物发送到高空，研究实验生物在火箭密封舱内对飞行的适应性、对飞行综合因素作用的忍耐能力，研究超重、失重、宇宙辐射等因素对生物机体生理功能的影响。这些研究对建立空间生物学以及研制载人航天的生命保障系统具有重要意义。

生物火箭的关键，是解决密封生物舱、生命保障系统和数据获取系统的工程技术问题，特别是生命保障系统要能够提供生物舱内能适宜于生物生存的良好环境条件，即保证舱内压力为1个大气压，温度为15～25摄氏度，氧气浓度、二氧化碳浓度、相对温度按近地面大气水平。

美国早在二次世界大战结束后不久，就开始利用火箭进行生物实验。1946年至1947年，一年间发射8枚生物火箭，火箭上装的生物还只是植物种子、细菌芽胞和果蝇之类。1948年首次将一只猴子发射到62千米的高空，可惜在返回着陆时因降落伞系统失灵而摔死。1951年9月20日，又把11只小鼠和1只猴子载到71千米的高空，小鼠全部活着返回，猴子在着陆两小时后死亡。1952年5月21日，载入高空的两只猴子回收成功。

前苏联发射生物火箭较美国晚，但初期的回收技术较好。从1949年到1958年的10年间。苏联一共将42只狗送上高空旅行。1959年7月，又将两只狗和一只兔子发射到160千米的高空，发射重量达2000千克，创造了生物火箭发射重量的最高纪录。

1963年，中国科学院生物物理研究所考虑到发展宇宙生物学和宇宙医学的需要，提出了利用“T－7A”火箭将啮齿类动物大、小白鼠送入高空进行试验的要求。据此，上海机电设计院（该院当年划归国防部五院建制）决定把改装后承担这项试验的火箭定名为“T－7A（S₁）”生物试验火箭。每枚火箭上装有2只固定大白鼠，2只活动大白鼠，4只小白鼠和12支生物试管。试管内分别装有果蝇、须酶及其他生物制品。主要试验项目有：用遥测法测量一只固定大白鼠在飞行过程中的心电变化曲线；回收后对另一只固定大白鼠进行血液理化分析，研究太阳辐射对大白鼠的影响；连续拍摄在飞行中两只活动大白鼠（其中一只破除迷路神经，一只正常）从超重状态过渡到失重状态以及失重期间的姿态变化；回收后解剖小白鼠，观察飞行环境和高空环境对小白鼠各组织器官的影响；回收后繁殖大白鼠、小白鼠和果蝇，观察飞行环境和高空环境对遗传的影响；回收后观察须酶及其他生物制品，分析高空环境对生物的影响。此外，试验与考核密封生物舱、生物生命保障系统、摄影系统和心电遥测数据获取系统及安全返回救生装置等工程设计的合理性和可靠性。

“T－7A（S₁）”生物试验火箭，起飞总重1165千克，火箭总长10．81米，仍采用“T－7A”主火箭发动机和助推器。火箭结构按生物试验要求进行了重新设计。箭头由箭尖、密封生物舱上段、密封生物舱下段、遥测舱和回收舱等5段组成。

密封生物舱是生物试验火箭最重要的部段。它是生物在飞行中居住、活动和生活的必要保证场所，生物舱分为上、下两段，采取整体密封结构。

固定鼠盒装在有弹簧减振的底板上，以减少火箭传给固定鼠的振动影响。在固定鼠周围有铜丝网做屏蔽，以减小空间无线电杂波对遥测心电参数的干扰。

“T－7A（S₁）”生物试验火箭于1964年7月19日发射第一枚成功，1965年6月1日、5日又重复试验了2枚火箭。3枚火箭均飞达60～70千米高度。依靠返回救生装置使箭头生物舱内的大、小白鼠均全部活着安全返回地面，箭头内遥测与摄影等数据获取系统工作完全正常，拍摄了大白鼠从超重过渡到失重状态的图片。

在“T－7A（S₁）”高空试验取得经验后，中国科学院生物物理研究所为进一步扩大研究工作，又提出了用狗进行动物飞行试验的要求。根据狗的体形与其他试验要求，需要把箭头直径增大到600毫米，这种火箭定名为“T－7A（S₂）”生物（狗）试验火箭。该火箭的起飞总重量1346千克，生物箭头重170千克。它可以把1只狗、4只大白鼠和12支生物试管（试管内放有真菌、放线菌、菌体）等发射到高空。主要进行以下几项生物学研究试验：验证动物在振动、冲击、噪声、超重和失重等综合因素作用下的耐受性；记录飞行中狗的心电、血压、呼吸和体温等生理指标；并结合临床生理、生化检查，研究飞行因素对动物生命活动的影响；连续拍摄飞行中狗在超重、失重、再超重情况下的姿态变化，以进行高级神经活动（动作协调）方面的研究；设置条件反射装置，观察动物在失重条件下高级神经活动行为反应，研究其影响；用核子乳胶等测量生物舱内电离辐射强度，开展宇宙辐射生物学效应的研究；回收狗、大白鼠和生物试管，开展遗传学方面的研究。

“T－7A（S₂）”生物试验火箭箭头、生物舱和回收舱组成。生物舱上段装有磁记录系统，核子乳胶块及电路控制系统；生物舱下段装有摄影系统、生物生活条件保障系统、大白鼠箱、生物试管以及狗的托盘。狗的托盘通过4个减振器固定在下舱端框上，托盘前部设有条件反射装置，狗尾部安有尿、屎收容器，托盘上备有安全带。

磁记录系统用于记录狗在飞行过程中的心电血压、呼吸和体温等4个生理指标，以及火箭飞行中的工程参数、生物舱内环境参数。

摄影系统由电影摄影机、光学反射镜、设备等组成。

拍摄狗在飞行的姿态，由于在生物舱内物镜距离太近，采用了多次反射摄像的方法。生物生活保障系统采用带消耗性单职能吸收剂的半闭式系统。其中有自动供氧和自动调节二氧化碳浓度的装置，能为生物在舱内生活提供一个良好的环境。

为了保证生物安全着陆，并在等待回收期间能不断供给新鲜空气，当生物箭头下降到一定的高度时，生物密封舱能自动打开3个通风窗，使外界空气与舱内气体自然流通。

为确保“T－7A（S₂）”火箭的发射成功，在地面进行了充分的试验工作。1966年6月中旬，对生物（狗）试验火箭箭头进行了全面的常态和动态综合测量试验。这些地面综合试验资料，将用来与飞行获得的数据资料进行分析比较。

两枚“T－7A（S₂）”生物试验火箭，于1966年7月15日清晨发射。地面的各种跟踪设备不断地接收到从火箭上传回的各种信息，数据表明，火箭飞行正常。

空军直升飞机根据电子计算机计算出箭头落点，早已在回收区上空盘旋搜索，专候着雄性狗“小豹”的归来。飞机很快抓住了目标，电影摄影师从飞机上迅速拍摄了生物箭头乘着白色降落伞飘然下降的情景。生物箭头最后以小于10米／秒的速度安全返回地面。箭头一着陆，直升飞机也很快着陆，机上的生物学研究人员和火箭工程研制人员迅速奔向生物箭头。他们打开生物舱舱盖，一眼看到“小豹”的目光炯炯有神地坐在托盘上，安全无恙。生物学研究人员立即取出托盘，松去“小豹”的飞行安全带，把它抱在怀里。“小豹”欢乐地摇动着尾巴，把头依偎在主人身上。为了及时了解动物经过飞行后的生理变化情况，生物学研究人员在回收现场开展临场研究工作，对“小豹”身体进行了检查，并解剖了部分陪乘飞行的大白鼠，检查其内脏有没有损伤。

接着，1966年7月28日，又发射成功了第二枚“T－7A（S₂）”生物（狗）试验火箭，上天的雌性狗“珊珊”与大白鼠以及所有生物试管内的生物也均活着安全返回大地，箭头生物舱完整无损回收。

以上几次高空生物试验，为高空生物学研究和生物保障工程，积累了宝贵的经验。

（3）气象预报火箭

气象火箭，也可以说是探空火箭的一种衍生火箭。它主要用于100千米以下高空的大气常规探测，所获得的高空大气温度、压力、密度、环流、风速等参数，对大气预报、气候变异环境保护和自然灾害的研究具有重要作用。

气象火箭通常是一种小型无控制火箭，一般重数10千克到100多千克，携带的仪器仅重几千克。它探测仪器直接测量大气参数；另一种是在弹道顶点附近从火箭中弹出探测仪器，挂在降落伞上，在下降过程中测量大气参数。这两种方法都是通过仪器上的遥测设备向地面接收站传送探测到的信息资料。第三种是气象火箭在弹道顶点附近抛出充气膨胀的球体，用地面雷达跟踪，测出大气的密度、风速和风向；第四种是火箭在高空弹出金属箔条、化学发光物质等跟踪物，再由地面雷达跟踪物测定高空风和紊流；第五种是从火箭上弹出榴弹，然后靠地面接收站接收榴弹在空中爆炸发出的声波来间接测定温度等参数。

气象火箭应用的一个例子，是快速测定风速的垂直分布，即提供风剖面图。在火箭诞生以前，测量高空风速采用气球，但一个气球只能在一个高度上测量，要迅速取得从地面到高空的风剖面图，气球是无能为力的。火箭出现后，用一种发烟火箭，可在10几秒种内上升到1000米左右的高度。它沿整个飞行路线造成直径近1米的稳定烟柱，并随风移动。在地面离发射点间适当距离而彼此互相垂直的两个位置上安装两部摄影机，就可准确摄录下整个烟柱随风移动的情况，并能迅速理成所要求的数据。这种气象火箭完成测量任务后，可用降落伞回收后再用。另一个例子，是用气象火箭快速收集核爆炸后的云烟样品。其方法是，核爆炸试验前，由飞机载着火箭在适当距离外待命，核爆炸后，飞机飞到指定地区上空用降落伞投下火箭，火箭在适当的高度上自动点火，并垂直向上飞去，沿途收集核云样品，然后用降落伞回收，分析所测得的数据。

中国从1959年开始研制气象火箭，到1971年研制成功4种型号。第一枚气象火箭T－7号，是一种由固体燃料助推器和液体燃料主火箭串联起来的无控制火箭，起飞质量1138千克，飞行高度约60千米，携带气象探测仪器25千克。1960年9月首次发射成功。随着空间探测活动的发展，对气象火箭提出了新的要求，经过一些重要改进，减轻火箭结构重量，提高火箭运载能力，增大助推器的推力，提高火箭的整个飞行速度，研究成功T－7A号气象火箭。T－7A号火箭起飞质量1145千克，总长10．32米，主火箭直径0．45米，助推器直径0．46米，箭头和箭体在弹道顶点附近分离后分别用降落伞装置进行回收。1963年12月第一枚T－7A号火箭发射成功，火箭携带40千克探测仪器，飞达115千米的高空，提供了丰富的气象资料。

“和平2号”是由两台不同直径的固体燃料发动机与箭头所组成的两级无控制气象火箭。它能将10千克重的综合型气象探测仪器送到60千米以上高空，对中层气象参数（即大气温度、压力和风向、风速）进行综合测量。带有探测仪器的箭头从弹道顶点附近乘降落伞下降，以便使60千米高度处的下降速度符合探测要求，还可保证将箭头仪器安全回收。“和平2号”配有一套移动式的地面设备，在地面风速小于15千米／秒、温度变化范围为零下30摄氏度的情况下，能可靠地完成发射和探测任务。

“和平6号”为单级固体气象火箭，箭体最大直径为161．5毫米。根据探测项目的不同，“和平6号”分为综合型和落球型两种。综合型火箭用以测量大气温度、压力、风速、风向，重量约60．8千克，可将2．8千克仪器送至60～80千米高空。落球型火箭用以测量大气密度和风速、风向等，重量约58千克，可将2千克仪器送至70～90千米高空。为满足探测要求，综合型仪器随降落伞一起下降。火箭用活塞式发射装置发射。

“和平6号”综合型气象火箭的跟踪和遥测，由“702”雷达完成。与“702”雷达配套的专用计算机，用以进行数据记录和处理。落球型气象火箭采用“黑龙江”雷达或其他精密雷达测量定位。

（4）微重力火箭

微重力火箭是探空火箭系列中的一种，用于专门的微重力科学研究和技术试验。微重力科学研究范围，包括微重力材料科学和微重力流体科学，并涉及空间生命科学。这种火箭20世纪70年代才开始兴起。

1971年10月，美国发射“空蜂”170A火箭，首次利用火箭进行空间材料加工实验。1972年1月发射“黑雁”5C火箭，进行了金属熔炼实验。这两枚火箭是进行微重力科学实验的尝试，揭开了微重力实验火箭研制和应用的序幕。

最近20多年来，各国微重力火箭获得很大的发展。

1974年初，美国宇航局制定空间材料加工应用火箭计划，这是世界上第一个微重力火箭研制应用计划。自1975年12月至1981年1月，共发射9枚空间材料加工应用火箭，包括6枚“黑雁”5C火箭、3枚“奈克－黑雁”5C火箭，其中6枚成功、1枚局中成功、2枚失败。共完成49项空间材料科学和加工实验研究。黑雁5C火箭长1米，直径0．4米，箭头重量329千克，飞行高度200千米，微重力实验时间5分钟。1988年起，开始研制“伙伴”号和“杰斯特”号两种微重力火箭。1989年3月29日“伙伴”1号火箭首次发射成功。“伙伴”1号火箭长1．55米，直径0．438米，箭头重量445千克，飞行高度300千米。到1991年11月又发射4枚，其中3枚成功，共进行了33项实验，包括10项生物技术实验。1991年6月“杰斯特”号火箭首次发射，飞行高度640千米，因控制系统故障飞行失败。

前苏联于1976年3月首次用“和平”号探空火箭开展空间材料加工实验研究，微重力实验时间长达10分钟。苏联的微重力火箭发射从未间断，平均每年1～2次。从1976年至1982年，完成约140项空间材料科学加工实验。德国于1976年制订微重力环境下的技术实验计划。自1977年12月至1984年5月发射10枚微重力火箭，进行了100项实验研究、40项新工艺研究，考核了15台微重力实验设备，获得180件微重力实验样品。从1985年到1991年又发射18枚微重力火箭。日本也十分重视研制微重力火箭，1977年日本宇宙开发事业团制定了TT－500A微重力火箭计划。从1978年9月到1983年8月发射6枚微重力火箭，全用作进行空间材料加工实验。1991年9月16日首次发射TR－1A火获得成功。TR－1A火箭长1．29米，直径0．11米，箭头重量1500千克，飞行高度290千米，微重力实验时间6分钟。火箭上安装有5种空间材料科学和加工实验装置，欧空局于1991年5月8日首次发射一枚微重力火箭，包括5项空间材料加工和流体科学实验。在1992年至1996年之间，每年发射1枚长时间微重力实火箭、4枚短时间微重力火箭。

探空火箭技术成熟，可靠性高，灵活性好，是进行微重力科学实验的有效工具。这种属探空火箭的微重力火箭的主要技术指标是箭头质量、微重力实验时间和微重力值。箭头质量在70年代一般为350千克左右，80年代后期为390－455千克，90年代达到1500千克。微重力实验时间，短时间微重力火箭为5～7分钟，由于研制费用较低，成为实验研究的主要手段；长时间微重力火箭为14～15分钟。由于飞行高度在800千米以上，箭头质量大，因而火箭关键技术多，成本增加，发射数量也少。微重力值比航天飞机和空间站的稳定，这是进行实验研究的有利条件，可以重现实验现象和结果，更易于找到微重力环境下事物的发展规律。因此，即使今天航天飞机和空间站已占据许多航天实验领域，但微重力火箭仍显示了它的优越性，有它存在和发展的价值。