黑箭：英國唯一能發射衛星的火箭
小火箭出品
本文作者：邢強博士
原文題目：黑箭：英國唯一能發射衛星的火箭
本文是小火箭經典導彈與運載火箭系列文章第3季的第7篇。在本季第1篇與第2篇合輯中，小火箭介紹了美國「雷神」彈道導彈。在本季的第3篇中，小火箭介紹了切洛梅和質子火箭的總體設計。本季第4篇，小火箭繼續介紹質子運載火箭，講述她發射禮炮系列空間站、和平號空間站和國際空間站的光輝歷史，展示了火箭到底是怎樣把衛星送到地球同步轉移軌道上的。在本季第5篇，小火箭將介紹了美國空軍擁有的唯一一款衝壓發動機防空導彈，而且使用的是核彈頭。在多年的發展和部署過程中，該導彈與北美防空司令部一同發展，為人們展示了一種防禦武器的發展思路。本季第6篇，小火箭繼續介紹與分析「波馬克」衝壓發動機核防空導彈。講述波馬克的部署特點與大時代環境中該導彈的最終歸宿。
本文是小火箭經典導彈與運載火箭系列文章的第3季的完結篇。在本文中，小火箭將介紹與分析傳說中的英國黑箭運載火箭。
航天探索，是一場史詩級的奮鬥。
那種對未來恢宏體系的建構，
那種對當前宏大敘事的追求，
使得人們在夢想的感召和鼓舞下，
向著未知與遠方奮勇前行，永不回頭。
然而，有一個國家在終於成功地用自己研發的火箭發射了衛星之後，卻中斷了這段篇章。這個國家，就是英國。
據小火箭所知，英國是世界上唯一一個已經成功發射了自己的人造衛星卻又主動放棄發展自己的運載火箭技術的國家。
按照各國第一次成功發射人造地球衛星的時刻進行排序的話，前5名是這個樣子的：
註：法國航天局後來併入歐空局；中國雖然在第一顆衛星的發射時間上落後於法國和日本，但是在載人航天和空間站建設方面，力挽狂瀾，進入航天領域的第一梯隊。如今的中國航天在發射密度和發射成功率方面，已遠勝歐洲和日本。
那麼，前5名之後，是誰贏得了第6名的角色呢？
公元1971年10月28日，英國用黑箭運載火箭將普羅斯彼羅衛星送入近地點537公里，遠地點1593公里的大橢圓軌道，成為繼蘇聯、美國、法國、日本和中國後第6個用自己研發的運載火箭成功發射了自己研製的衛星的國家。
再來換個角度看看這枚「黑箭」：
特此聲明，圖片沒有橫向拉伸。黑箭的身材就是這個樣子的。
黑箭火箭的尺寸和重量：
高：43英尺（13米）
最大直徑：6英尺7英寸（2米）
重：18.130噸（不能說胖，這是精壯，能把衛星舉到太空可不是隨口說說的。）
在倫敦科學博物館（世界上最早建立的大型自然科學博物館）展出的黑箭運載火箭。英國人用了一個很文藝的展示方式：用靜止的姿態來訴說靈動的瞬間。我們可以看到黑箭的整流罩已經打開。人造衛星已經衝出火箭，贏得了第6名的成績。
就是這款衛星了。她的名字叫Prospero。啥？很耳熟？那您這位少俠看來讀過不少書啊！大英帝國的黑科技裡面怎麼能少了莎士比亞先生呢！Prospero就是普洛斯彼羅。
衛星上面的錄放設備在使用了730次之後，於1973年5月24日損壞。但是衛星仍然在天上飛。根據軌道動力學的估算（這種事情找小火箭來做還算比較合適），該衛星至少能在天上飛到2070年。
普洛斯彼羅和米蘭達
啥？只想看普洛斯彼羅的閨女米蘭達？
這姑娘的一段唱詞比較有感覺：
「O, wonder!
How many goodly creatures are there here!
How beauteous mankind is!
O brave new world,
That has such people in』t!」
Miranda, The Tempest (5.1.202-204)
就是畫中這個姑娘的粑粑的名字成為英國第一顆自行研發並自行發射的人造衛星的名字啦。
穿白裙子高舉豎琴的那個就是Ariel（阿里爾），穿紅斗篷的是普洛斯彼羅。不知道為什麼英國早期的航天活動都和這部莎劇有聯繫，但是至少是文藝范兒十足啦！
在有的繪畫作品中，Ariel是這個樣子的。
好像有點兒跑題了。咱們接著聊英國的黑科技——黑箭運載火箭。
剖開來是這樣子的。裡面藏著共三級火箭發動機。看上去短，實際上還是可以分為三個子級的。
注意黑箭火箭第一級火箭的發動機噴管。
黑箭火箭的第一級採用了8台布里斯托爾Gamma 8型液體火箭發動機。兩兩湊成一對兒，分為4組。
這些可以調節噴流方向的噴管在用強大的噴流把火箭頂起來的同時，還能夠保持火箭的平衡並控制火箭的飛行方向。
黑箭火箭的第一級發動機工作時間為130秒，能夠將火箭送入55千米的高空。
黑箭火箭的第二級的發動機。採用2檯布里斯托爾Gamma 2型液體火箭發動機，工作時間為116秒。
值得一提的是，英國的Gamma系列液體火箭發動機用的燃料比較特殊，既不是小火箭之前在公號文章《V-2導彈：現代彈道導彈和運載火箭的鼻祖》中提到的液氧酒精，也不是《F-1:史上最強的單燃燒室液體火箭發動機》和《RD-170：世界上推力最大的液體火箭發動機》的小火箭公號文章中詳細分析的液氧煤油，甚至不是《井與肼的魅惑：大力神2號洲際彈道導彈》中提到的偏二甲肼/四氧化二氮。
Gamma系列液體火箭發動機使用的液體燃料為煤油與過氧化氫的組合。
煤油，小火箭的好友們已經很熟悉了。
比如之前在講到RD-170火箭發動機時候提到的亞塞拜然巴庫油田產出的油。
這塊被拜火教信徒奉為聖地的地方，其出產的石油果然不同凡響。上世紀60年代，亞塞拜然石油產業迅速從二戰的戰火後復興，尤其是裏海石油的開採更是佔到了亞塞拜然的60%。以RD-170為代表的火箭發動機計劃需要大量的煤油供應。在一定程度上促進了先進煉油技術的發展。圖為攝於亞塞拜然巴庫的油田場景。
過氧化氫，人們通常認為她主要出現在醫療和紡織等行業。一般低濃度（如3%）的過氧化氫，主要用於殺菌及外用的醫療用途，例如作為傷口消毒，可殺滅腸道致病菌、化膿性球菌等。
而6%的雙氧水加上0.005%的亞甲藍是檢驗血液的一種常用液體。
至於較高濃度（大於10%）的過氧化氫，則用於紡織品、皮革、紙張、木材製造工業，作為漂白及去味劑。過氧化氫也是染髮劑的成分之一，還用作合成有機原料（鄰苯二酚）的材料，醫藥、金屬表面處理劑，聚合引發劑等。
然而，德國人在二戰期間就發現了過氧化氫在導彈上的用途。
上圖V-2導彈的發動機的9號罐子里存放的是濃度為66%的高錳酸鈉溶液，在與過氧化氫的反應中，與10號氣體發生器中產生高壓氣體，這是V-2導彈的另一個可靠高壓氣源。
藍色管線輸送液氧，紅色管線輸送酒精，上面那個黃色的大罐子，是過氧化氫貯箱。
德國人用過氧化氫來驅動V-2導彈的渦輪泵，增強渦輪泵輸送火箭燃料的能力。
V-2導彈在發射之前，需要由各種罐車、槽車運來6.4噸A液體，3.71噸B液體，175千克的T液體和22千克的Z液體。
其中，A液體指的是零下183℃的液態氧。V-2導彈在整個飛行過程中，實際需要的液氧量為4.91噸。但是，德方技術人員堅持要採用6.4噸的罐車運來滿滿一車液氧是因為液氧極易揮發。在夏季，從液氧製備場站到發射台，短短不足5千米的路程上，液氧已經損失了不少。等到接上管路，開始注入並最終讓液氧貯箱內的液面高度到達標稱位置的時候，液氧此時已經損失掉了1噸左右。所以，按照經驗和測算，4.91噸的液氧需求量要準備出1.5噸的揮發餘量。
法國工程師認為，液氧實在是太麻煩了。乾脆就讓法國最早的「鑽石」系列運載火箭早早地改用了偏二甲肼/四氧化二氮常溫燃料體系了。
而英國工程師認為，過氧化氫在導彈或者火箭上還應當有更為廣泛的應用。過氧化氫的沸點為150.2℃，可以在常溫中保存一定的時間。（雖然過氧化氫在常溫下不會沸騰，但是其不太穩定，時刻處於分解中，加註後只能維持20個小時的正常狀態。）
另外，英國工程師們提出了完整的催化與燃燒方案：
他們把過氧化氫氧化劑通過渡銀的鎳網，使其劇烈分解。生成的氧氣和水蒸氣的混合氣體有著高達500℃的溫度。然後，他們將煤油霧化液滴噴入混合氣體中。煤油在這樣高的溫度下，無需點火就能夠自動被引燃，通過燃燒室和噴管後，產生1100℃的高溫。
過氧化氫與煤油的組合使得英國工程師找到了一種無毒的常溫液體燃料方案。法國工程師雖然找到了偏二甲肼與四氧化二氮的組合，但是終究因燃料的毒性太大而廣受詬病。
但是，為什麼過氧化氫與煤油的組合方案沒能在今天得到廣泛應用呢？小火箭覺得原因主要有兩個。
第一是前文提到的，過氧化氫不夠穩定，實際使用過程中，要萬分小心。起到催化作用的銀網也要注意更換。上圖為展示過氧化氫腐蝕性的一張照片。這是他接觸到35%的過氧化氫溶液的後果。
第二則是過氧化氫煤油組合的比衝過低，只有240秒左右。而液氧煤油組合的比沖能夠達到280秒以上，液氫液氧組合的比沖更是高達400秒以上。（有關液氫，詳見小火箭的公號文章《液態氫，一匹桀驁不馴的野馬》）
另外，當採用過氧化氫煤油燃料組合的時候，火箭的氧化劑與燃燒劑的貯箱尺寸的差別會變得非常大。
小火箭在黑箭火箭的照片旁邊用紅色和藍色色塊分別表示了煤油貯箱和過氧化氫貯箱的大小。
黑箭運載火箭的一級煤油貯箱中，有1.43噸的煤油。而一級的過氧化氫貯箱中，則有11.6噸的過氧化氫。也就是說，黑箭火箭的一級發動機的氧化劑與燃燒劑的混合比為8.1:1。
黑箭火箭的二級與一級類似，其中煤油有0.35噸，過氧化氫有2.85噸。
注重保護歷史的英國人把第一級火箭發動機的殘骸撿回來，留作紀念。其實整體來看還是保存得不錯的，只是噴口在墜到地面上的時候有些變形。
目前，這級火箭在澳大利亞的威廉溪。
啥？英國第一枚成功發射衛星的火箭殘骸，這麼有紀念意義的物件兒為什麼在澳大利亞？
因為。。。黑箭就是在這個地方上天的！
澳大利亞Woomera航天基地在這個地方：
Woomera這個地名通常被翻譯為武麥拉。
1997年拍的一張照片
當年黑箭火箭進行發動機測試的照片
另外，既然那個黑箭火箭的第一級摔成那個樣子了，為什麼倫敦科學博物館裡面的那個火箭看起來跟新的一樣呢？
這就要說到當年的歷史了。黑箭火箭一共造了5枚（分別叫 R0、R1、R2、R3和R4）。從命名的方式來看，妥妥的程序員風格！
黑箭R0在1969年7月29日發射後不久，就因為火箭的制導系統出現問題而墜毀，算是失敗了，當時搭載的X-1衛星也一同墜毀。
黑箭R1在1970年3月4日發射，非常成功，但是，可惜的是，上面沒有搭載任何衛星。
請注意，中國是在1970年4月24日成功發射了東方紅一號衛星的！！！英國人如果當年在R1上搭載了衛星的話，就會讓英國排在中國前面成第5個成功發射衛星的國家了。唉，不說了，再說黑箭就要哭暈了。
黑箭R2在1970年9月2日發射，第一級工作正常，後來壓力感測器報告火箭有漏氣的情況。最終火箭的第二級和第三級跟X-2衛星一起墜毀在澳大利亞北部的卡奔塔利亞灣。
正當研究人員總結經驗教訓準備再次嘗試的時候，英國議會的命令到了。議會認為這個東西太費錢了，根本沒有發展下去的必要了。於是決定把經費投到衛星上，而今後藉助美國的火箭來發射自己研發的衛星。
不過，這個決定正式頒布的時候，老四黑箭R3已經豎在發射場上了，老五R4則沒有那麼幸運，他被運到倫敦科學博物館，成為了咱們剛才看到的那個展品。
1971年10月8日，黑箭R3抓住了最後一次機會，發射成功，並將衛星送入預定軌道。（令英國人感到後怕的真相是：此次任務如果失敗，英國將至今都不會在航天發射的先驅國家中留下名字。）
如今，黑箭火箭靜靜地在澳大利亞矗立著，講述過去的榮耀。當年的發射場也因承載了大量航天發射任務而成為人類航天活動的聖地之一。
位於澳大利亞武麥拉的導彈公園
感謝大家對小火箭的支持！
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