约瑟夫·A. 安吉洛所著的《火箭》是”太空先锋”丛书中的一本，该书对将卫星送入地球轨道、将尖端机器人太空船发射到太阳系以外空间的复杂运载火箭方面取得的突破进行了引人人胜的描绘。书中穿插的知识窗讲解了涉及火箭的基本科学概念，同时还提供了一些重要的航天科学家和工程师的生平事迹，使读者能够感受到太空技术中人的力量。

本书中插有70多幅黑白照片和结构原理示意图，附有火箭研发大事记。对所有希望了解太空知识和航天技术的高中学生、教师和广大读者来说，“太空先锋”系列丛书具备最好的科学性、可读性和趣味性。

约瑟夫·A. 安吉洛所著的《火箭(太空先锋)》是一部有关火箭技术史的科普类读物，作者从技术、政治、军事及民用等不同的视角，对火箭的起源、发展和未来进行了简明扼要的客观概述，同时书中对火箭在各个历史阶段所涉及的一些重要人物、事件和相关知识也作了介绍。《火箭(太空先锋)》不仅采用通俗易懂的文字叙述，而且还通过大量的图片，对有代表性的现有火箭及与火箭相关的主要内容作了直观说明。书中还就未来火箭一些概念性的前沿问题，通过与示意图相结合的方式，进行了一些具有先导性的探讨。希望对火箭感兴趣的广大读者通过阅读该书了解到什么是火箭，火箭是做什么用的，我们为什么要发展研制火箭以及火箭的发展前景等知识。

主译的话

前言

鸣谢

简介

◇1 从火箭到火星使命

火药火箭

威廉·康格里夫爵士(1772－1828)

太空航行的梦想和航天学的产生

儒勒·凡尔纳的巨型大炮

康斯坦丁·埃德多维奇·齐奥尔科夫斯基(1857－1935)

世界上第一枚现代弹道导弹

赫尔曼·J.奥伯特(1894－1989) 

冷战时期的导弹竞赛和航天时代的到来

到月球、火星及其他星体

◇2 火箭推进的基本原理

火箭发动机的物理原理

火箭与牛顿定律

艾萨克·牛顿爵士(1642－1727)

牛顿第一运动定律

牛顿第二运动定律

比冲(符号：Isp)

牛顿第三运动定律

基本火箭科学

固体推进剂化学火箭

液体推进剂火箭

◇3 火箭式飞机的先驱

起飞辅助火箭

冯·卡门(1881－1963)

梅塞施米特163

以火箭为动力的X－1研究机

X－15火箭式飞机

◇4 军事导弹和火箭

导弹

各种大小不同的战术导弹

空对空导弹

空对地导弹

地对空导弹

反导弹导弹

巡航导弹

弹道导弹

弹道导弹——一场战争革命

◇5 航天运载火箭

航天运载火箭的起源

沃纳·冯·布劳恩(1912－1977) 

谢尔盖·科罗廖夫(1907－1966)

宇宙神运载火箭

德尔它运载火箭

土星运载火箭

侦察兵运载火箭

大力神运载火箭

美国空间运输系统

联盟号运载火箭

质子号运载火箭

阿丽亚娜运载火箭

◇6 发射场

发射场的功能

取消、事故、火箭飞行航区安全

主要发射场

卡纳维拉尔角空军站

肯尼迪航天中心

卡纳维拉尔角——通往恒星之路

范登堡空军基地

沃洛普斯飞行中心

拜科努尔航天发射场

圭亚那航天中心

◇7 上级运载火箭和轨道转移航天器

上级运载火箭

轨道转移航天器

霍曼转移轨道

阿金纳上级火箭

半人马座运载火箭

惯性上级

◇8 探空火箭

现代探空火箭

世界各地的探空火箭发射场

宇宙空间从哪里开始

空蜂探空火箭和星蜂探空火箭

超阿卡斯探空火箭

白羊座探空火箭

黑雁探空火箭

◇9 到火星及火星以外星体的核火箭

热核火箭工程

“漫游者计划”

核火箭研究站

“冥王星计划”

21世纪的核火箭

◇10 用于深空探测任务的电推进系统

电推进的基本原理

“深空－1号”

核电推进系统

◇11 21世纪先进的推进系统

演进的一次性运载火箭

可重复使用运载器

炮式入空

激光推进系统

太阳帆

等离子帆

气动力俘获

◇12 恒星际探测器和恒星际飞船

恒星际探测器

相对论

恒星际飞船

脉冲核裂变发动机(“猎户座计划”)

脉冲核聚变系统(“代达罗斯计划”)

恒星际冲压喷气发动机

光子火箭

超空间、虫洞和时空连续一体的操纵

◇13 结语

大事年表

译者感言

◇固体推进剂化学火箭

固体推进剂化学火箭是最简单的火箭种类。这种火箭的技术渊源可一直上溯到古代中国所发明的以火药为燃料的原始火箭。今天使用的火箭一般由固体推进剂(即燃料和氧化剂混合物)和以下相关的硬件组成：壳体、喷管、隔热板、点火器和稳定器。

固体推进剂通常称为“火药柱”，其实是含有燃料和氧化剂、在燃烧时产生高温高压气体的化学混合物或化合物。其重要特征是，这些推进剂是火箭自身携带的，并可以在不引进外界氧气来源(如大气中的空气)的情况下燃烧。所以，固体推进剂火箭及其技术姊妹——液体推进剂火箭(后面将讨论)可以在大气外层空间运行。

固体推进剂常常分成3个基本类型：单组元固体推进剂，双基固体推进剂和复合固体推进剂。单组元固体推进剂是能量化合物，如硝化甘油或硝化纤维素(硝棉)。这两种化合物都含有燃料(碳和氢)和氧化剂(氧)。单组元固体推进剂在现代火箭中很少使用。双基固体推进剂是单组元固体推进剂的混合物，像硝化甘油和硝化纤维素的混合物。硝化纤维素为药柱增加了物理力量，而硝化甘油是一种性能高、燃烧速度快的固体推进剂。双基固体推进剂通常与改善药柱燃烧性能的添加剂混合。这种化合物成为一种油灰似的物质装进火箭壳体里。

复合固体推进剂是由本身并不是很好的推进剂的两种或两种以上的不相同的化合物构成的混合物。通常，一种化合物为燃料，另一种化合物为氧化剂。例如，航天飞机固体火箭助推器(SRBS)所使用的推进剂就属于这种范畴，是复合固体推进剂。这种推进剂称为PBAA，意为聚丁二烯丙烯酸共聚物。这是一种以二烯与丙烯酸作黏合剂，同过氯酸铵(氧化剂)、铝粉(燃料)和氧化铁(一种添加剂)等成分所组成的固体推进剂。这样配制的推进剂看上去、摸起来就像硬硬的橡皮擦。

推进剂产生的推力取决于化合物的燃烧性质和药柱所暴露的燃烧形状。固体推进剂的任何一点在接触到合适的温度或接触到达到燃点的热气体时就会燃烧。药柱通常设计成端面燃烧形状或内孔燃烧形状。

端面燃烧药柱是所有药柱结构中燃烧速度最慢的。推进剂在接近喷管喷口的地方点火，并持续燃烧到所载荷的推进剂长度，其燃烧面积总是最小。它提供的推力虽然比其他形状的药柱小，但推力持续的时间却较长。

内孔药柱燃烧能产生更大的推力。在这种药柱燃烧结构中，药柱上可以制成一个或更多的孔洞，孔洞的长度同药柱的长度相同。内孔燃烧药柱所暴露的孔洞内壁的燃烧面积远远大于端面燃烧药柱所暴露的燃烧面积。内孔整个表面同时点火，药柱从里到外开始全面燃烧。为了增加燃烧面，药柱空洞可以设计成十字形或星形。

通过改变孔洞设计的几何形状，大型的内孔洞燃烧推进剂产生的推力也可以通过时间系数来设定，使其适合特定任务所需要的推力。上面的图表明了具有某种药柱结构的固体推进剂发动机的推力与时间曲线图，这种药柱结构在火箭发动机有效的燃烧时间内提供相对统一的推进力。用于发射航天飞机的巨大的固体火箭助推器，其结构特色是药柱前横截面只有一个11角星形孔洞。在火箭发射到第65秒钟时，这些星形突出的角点被烧掉，推力暂时变小。这正好与航天飞机运载工具通过声障的时间一致。这时会出现扰流抖振，而固体火箭助推器推动力的减小有助于减轻运载工具的紧张程度。

火箭的壳体是装载固体推进剂并承受压力和载荷的结构。壳体通常为圆筒状，但有些是球状的。壳体是火箭化学反应中不发生任何作用的构成部分，但壳体的质量确实决定火箭能携带多少有效载荷及能飞行多远的一个重要因素。高效、高性能的火箭要求用尽可能最轻的材料制造外壳。钢钛合金经常用于制造固体火箭的外壳。火箭上面的外壳可以用薄金属制成，外部缠绕玻璃纤维以增加强度。

固体火箭发动机的壳体必须有隔热层，否则将迅速失去强度并爆炸或烧毁。因此，为了保护发动机外壳，在装载推进剂之前，要在壳体内壁加镶隔热材料。隔热层的厚度取决于隔热材料的耐热性质及壳体接触高温高压燃烧气体的时间长度。固体火箭发动机经常使用的隔热材料是一种添加石棉的橡胶化合物。

在推进剂燃烧过程中，燃烧产生的高温高压燃气通过位于发动机底端称作喷管的狭窄的开口处从火箭中排出。最有效的喷管是缩放形的超音速喷管。在喷管工作过程中，喷管收缩段的排气速度是亚音速。燃气的速度在喷管喉部增加到音速，当排出的燃气从喷管流出到扩张形的喷管部位排出时，排气速度达到超音速。喷管最狭窄的部位是喉部。产生的气体以相对很高的速度和温度流过这个狭窄的区域。

极热的燃气在喉部传递到喷管壁是一个很大的问题。对喷管喉部的隔热保护常常由耐高温的材料(用以短时间的工作)或其他烧蚀(即有意熔化、侵蚀，把热量带走)的衬套组成。大型固体火箭发动机，如航天飞机固体火箭推进剂，通常依靠烧蚀材料来保护喷管的喉部。较小的固体火箭发动机，如可能用于空对空的战斗导弹或用于短程地对地的军用导弹的固体火箭发动机，经常用高温材料来保护喷管。这些耐高温的材料(可能通过加一薄层耐热衬套增强性能)足以能够保护喷管的喉部，因为火箭发动机的燃烧时间相当短(只有几秒钟)。要点燃火箭发动机的推进剂，药柱表面必须充满热燃气。通常点火器本身就是一台火箭发动机，但是要小得多。点火器可以放置在药柱孔洞的上端或下端，甚至完全可以装置在火箭发动机的外部。在后一种情况下，较大型固体火箭的点火器对准其发动机的喷管。带热电阻器或起爆电桥标准导线电路启动点火器，点火器首先点燃用于点燃药柱的点火药，再由被点燃的点火药点燃主药柱。

对飞行中的固体推进剂火箭的主动飞行方向的控制可采用两种基本方式中的任一种。首先，是尾翼，也可以采用鸭式翼(在火箭身体前部的小翅)，可装置在火箭的外部。火箭在大气层中飞行时，这些结构装置就会用倾斜方式来操纵火箭的飞行方向，其操纵方式同船上方向舵的操纵一样。鸭式翼改变火箭飞行方向所起的作用与尾翼所起的作用相反。其次，对火箭方向的控制可以通过使用摇摆喷管来完成。大型固体火箭发动机，如航天飞机的固体火箭推进器，使用摇摆喷管的方法来操纵运载工具的方向。

P42-46

世界上很难说有什么事情是绝对不可能的，因为昨天的梦想不仅是今天的希望，而且也是明天的现实。

——罗伯特·哈金斯·戈达德

“太空先锋”是一套综合性的科普读物。它不仅向人们介绍了众多科学原理和科技实践活动，还向人们介绍了太空科技对现代人类社会的诸多影响。实际上，太空科学涵盖了许多不同学科的科学探索。例如，它涉及利用火箭推进原理并使航天器进入外层空间的发射装置；又如，它还涉及在太空中或在其他星球上执行航天任务的各种航天器；此外，它还会涉及执行一系列航天任务的航天器上所搭载的各种实验设备和宇航员。人类正是通过这些设备和宇航员实现了各项航天目标。在太空时代，与火箭有关的航天技术不断地帮助人类实现新的梦想。本系列丛书向人们介绍了与上述技术相关的人物、事件、发现、合作和重要实验。同时，这些科普读物还向读者介绍了火箭推进系统是如何支持人类的太空探索和航天计划的。这些计划已经改变了人类文明的发展轨迹。在未来的日子里，它们将继续影响人类文明的发展轨迹。

人类航天技术的发展史是与天文学的发展史和人类对航天飞行的兴趣密不可分的。许多古代民族针对夜空里出现的奇异光线创作出流传千古的神话传说。例如，根据古希腊神话传说中关于伊卡罗斯和代达罗斯编写的故事：从前，有一位老人，他非常渴望摆脱地球引力的束缚，在天空中自由地飞翔。自从人类社会进入文明时代以来，巴比伦人、玛雅人、中国人和埃及人都研究过天空并记载了太阳、月亮、可观测的行星和“固定的”恒星的运动过程。任何短暂的天文现象，例如彗星的经过、日食的出现或超新星的爆炸，都会在古代人类社会中引起人们的不安。人类的恐惧不仅仅是由于这些天文现象看上去十分可怕，而且是由于在当时这些天文现象既是无法预测的又是无法解释的。

古希腊人和他们的“地心说”理论对早期天文学理论和西方文明的出现都产生了重大的影响。在大约公元前4世纪的时候，古希腊的众多哲学家、数学家和天文学家分别系统地阐述了“地心说”的宇宙理论。根据他们的理论，地球是宇宙的中心，其他的天体都在围绕地球进行运行。在大约公元150年的时候，古希腊最后一位伟大的天文学家托勒密对“地心说”理论进行了加工润色，从而形成了一套完整的思想体系。在接下来相当长的历史时期内，这一思想体系一直在西方社会拥有权威的地位。16世纪，尼古拉斯·哥白尼提出了“日心说”的理论，从而结束了“地心说”长期以来对人们思想的统治。17世纪，伽利略和约翰尼斯·开普勒利用天文观测证明了“日心说”理论。同时，他们所进行的天文观测也为科学革命的到来奠定了坚实的基础。17世纪的晚些时候，艾萨克·牛顿爵士最终完成了这场科学革命。牛顿在著名的《自然哲学的数学原理》一书中系统地总结了基本的物理学原理。利用这些原理，人们可以解释众多天体是如何在宇宙中进行运动的。在人类科学发展史上，牛顿的地位是他人无法超越的。

18世纪和19世纪的科学发展为航天技术在20世纪中叶的出现打下了扎实的基础。正如本系列丛书所讲述的那样，航天技术的出现从根本上改变了人类历史的发展进程。一方面，带有核弹头的现代军用火箭使人们不得不重新定义战略战争的本质。实际上，人类在历史上第一次研发出可以毁灭自身的武器系统。另一方面，科学家们可以利用现代火箭技术和航天技术将机器人探测器发射到(除了体积较小的冥王星以外)所有太阳系的主要行星上，从而使那些遥远而陌生的世界在人们的眼中变得像月球一样熟悉。航天技术还在“阿波罗号”成功登月的过程中发挥了关键的作用。成功登月是人类迄今为止所取得的最伟大的科学成就。20世纪初，俄罗斯的航天预言家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基大胆地做出预言：人类不会永远地被束缚在地球上。当宇航员尼尔·阿姆斯特朗和埃德温·奥尔德林在1969年7月20日踏上月球的表面时，他们也将人类的足迹留在了另一个星球上。在经过几百万年漫长的等待以后，随着生命的不断进化，终于有一种高级的生命形式实现了从一个星球到另一个星球的迁移。在宇宙长达140亿年的历史当中，这种迁移是第一次发生吗？或许，正如许多外空生物学家所说，高等生命形式在不同星球之间的迁移是各大星系内部经常发生的现象。当然，对于上述观点，科学界目前尚无定论。不过，科学家们正在航天技术的帮助下，努力在其他星球上寻找各种生命形式。有趣的是，随着航天技术的不断发展，宇宙既是人类太空旅行的目的地，又是人类命运的最终归宿。

“太空先锋”系列丛书适合所有对太空科技、现代天文学和太空探索感兴趣的年轻读者。

仰望夜空，繁星闪烁、苍穹幽邃。千百年来，人类最美好、同时也是最古老的愿望之一就是能够在浩瀚无垠的天宇之间自由地翱翔。为了这一梦想，从古到今不知有多少人为此奋斗终身，一代又一代研究火箭的先驱们为了圆人类的飞天梦进行了不懈的探索。

从一个行星文化的角度来讲，火箭这一凝聚人类智慧光芒的技术物，以一个崭新的速度理念震撼着人们传统的速度概念，并彻底导致了人类童年的结束。它不仅改变了传统的战争模式，而且也促使人类能够对自身生命摇篮以外的其他天体的认识。现在人类可以借助以火箭为运载工具的航天器，探索令人产生无限美好幻想的太空，去了解浩瀚无穷的天宇世界。

鉴古明今、察往知来。回首探索与发现的历程，火箭这一汇聚了多少代人类智慧结晶的技术产物，可谓是承载和寄托着人类对未知宇宙空间的探知，同时人类也寄希望于在不断进步的火箭技术的帮助下，使人类成为真正可以生活在宇宙任何适合人类生存环境的地方。

译者在此书的翻译过程中不但对火箭的历史与现在有了鲜明的认识，而且也了解到了一些火箭未来概念性的理念。希望广大读者对译者在一些专业知识上的欠缺给予理解指教。

本书的参译人员有礼长智、赵岩、礼建奇、礼宏智、礼香凝、于明路、周晓新，参与人员有由洋、图元策、朗曼、陈明哲、姚军等，在此一并表示感谢。

郎淑华

2008年3月