黑箭：英国唯一能发射卫星的火箭

小火箭出品

本文作者：邢强博士

原文题目：黑箭：英国唯一能发射卫星的火箭

本文是小火箭经典导弹与运载火箭系列文章第3季的第7篇。在本季第1篇与第2篇合辑中，小火箭介绍了美国“雷神”弹道导弹。在本季的第3篇中，小火箭介绍了切洛梅和质子火箭的总体设计。本季第4篇，小火箭继续介绍质子运载火箭，讲述她发射礼炮系列空间站、和平号空间站和国际空间站的光辉历史，展示了火箭到底是怎样把卫星送到地球同步转移轨道上的。在本季第5篇，小火箭将介绍了美国空军拥有的唯一一款冲压发动机防空导弹，而且使用的是核弹头。在多年的发展和部署过程中，该导弹与北美防空司令部一同发展，为人们展示了一种防御武器的发展思路。本季第6篇，小火箭继续介绍与分析“波马克”冲压发动机核防空导弹。讲述波马克的部署特点与大时代环境中该导弹的最终归宿。

本文是小火箭经典导弹与运载火箭系列文章的第3季的完结篇。在本文中，小火箭将介绍与分析传说中的英国黑箭运载火箭。

航天探索，是一场史诗级的奋斗。

那种对未来恢宏体系的建构，

那种对当前宏大叙事的追求，

使得人们在梦想的感召和鼓舞下，

向着未知与远方奋勇前行，永不回头。

然而，有一个国家在终于成功地用自己研发的火箭发射了卫星之后，却中断了这段篇章。这个国家，就是英国。

据小火箭所知，英国是世界上唯一一个已经成功发射了自己的人造卫星却又主动放弃发展自己的运载火箭技术的国家。

按照各国第一次成功发射人造地球卫星的时刻进行排序的话，前5名是这个样子的：

注：法国航天局后来并入欧空局；中国虽然在第一颗卫星的发射时间上落后于法国和日本，但是在载人航天和空间站建设方面，力挽狂澜，进入航天领域的第一梯队。如今的中国航天在发射密度和发射成功率方面，已远胜欧洲和日本。

那么，前5名之后，是谁赢得了第6名的角色呢？

公元1971年10月28日，英国用黑箭运载火箭将普罗斯彼罗卫星送入近地点537公里，远地点1593公里的大椭圆轨道，成为继苏联、美国、法国、日本和中国后第6个用自己研发的运载火箭成功发射了自己研制的卫星的国家。

再来换个角度看看这枚“黑箭”：

特此声明，图片没有横向拉伸。黑箭的身材就是这个样子的。

黑箭火箭的尺寸和重量：

高：43英尺（13米）

最大直径：6英尺7英寸（2米）

重：18.130吨 （不能说胖，这是精壮，能把卫星举到太空可不是随口说说的。）

在伦敦科学博物馆（世界上最早建立的大型自然科学博物馆）展出的黑箭运载火箭。英国人用了一个很文艺的展示方式：用静止的姿态来诉说灵动的瞬间。我们可以看到黑箭的整流罩已经打开。人造卫星已经冲出火箭，赢得了第6名的成绩。

就是这款卫星了。她的名字叫Prospero。啥？很耳熟？那您这位少侠看来读过不少书啊！大英帝国的黑科技里面怎么能少了莎士比亚先生呢！Prospero就是普洛斯彼罗。

卫星上面的录放设备在使用了730次之后，于1973年5月24日损坏。但是卫星仍然在天上飞。根据轨道动力学的估算（这种事情找小火箭来做还算比较合适），该卫星至少能在天上飞到2070年。

普洛斯彼罗和米兰达

啥？只想看普洛斯彼罗的闺女米兰达？

嗯嗯，就是这个啦。不知道莎翁在写《暴风雨》的时候会不会想到会有一颗叫做人造地球卫星的东西在Cosplay普洛斯彼罗呢。

这姑娘的一段唱词比较有感觉：

“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)

就是画中这个姑娘的粑粑的名字成为英国第一颗自行研发并自行发射的人造卫星的名字啦。

为什么一定要强调是“自行发射”呢？因为英国人制造的第一颗人造卫星早在1962年4月份就上天了，使得英国人成为继苏联和美国之后第3个运行自己的人造卫星的国家。不过这颗卫星是由美国的火箭发射的。卫星的名字么，Ariel！是的，也是莎士比亚的《暴风雨》里的人物（神物）。

穿白裙子高举竖琴的那个就是Ariel（阿里尔），穿红斗篷的是普洛斯彼罗。不知道为什么英国早期的航天活动都和这部莎剧有联系，但是至少是文艺范儿十足啦！

在有的绘画作品中，Ariel是这个样子的。

好像有点儿跑题了。咱们接着聊英国的黑科技——黑箭运载火箭。

剖开来是这样子的。里面藏着共三级火箭发动机。看上去短，实际上还是可以分为三个子级的。

注意黑箭火箭第一级火箭的发动机喷管。

黑箭火箭的第一级采用了8台布里斯托尔Gamma 8型液体火箭发动机。两两凑成一对儿，分为4组。

这些可以调节喷流方向的喷管在用强大的喷流把火箭顶起来的同时，还能够保持火箭的平衡并控制火箭的飞行方向。

黑箭火箭的第一级发动机工作时间为130秒，能够将火箭送入55千米的高空。

黑箭火箭的第二级的发动机。采用2台布里斯托尔Gamma 2型液体火箭发动机，工作时间为116秒。

值得一提的是，英国的Gamma系列液体火箭发动机用的燃料比较特殊，既不是小火箭之前在公号文章《V-2导弹：现代弹道导弹和运载火箭的鼻祖》中提到的液氧酒精，也不是《F-1:史上最强的单燃烧室液体火箭发动机》和《RD-170：世界上推力最大的液体火箭发动机》的小火箭公号文章中详细分析的液氧煤油，甚至不是《井与肼的魅惑：大力神2号洲际弹道导弹》中提到的偏二甲肼/四氧化二氮。

Gamma系列液体火箭发动机使用的液体燃料为煤油与过氧化氢的组合。

煤油，小火箭的好友们已经很熟悉了。

比如之前在讲到RD-170火箭发动机时候提到的阿塞拜疆巴库油田产出的油。

这块被拜火教信徒奉为圣地的地方，其出产的石油果然不同凡响。上世纪60年代，阿塞拜疆石油产业迅速从二战的战火后复兴，尤其是里海石油的开采更是占到了阿塞拜疆的60%。以RD-170为代表的火箭发动机计划需要大量的煤油供应。在一定程度上促进了先进炼油技术的发展。图为摄于阿塞拜疆巴库的油田场景。

过氧化氢，人们通常认为她主要出现在医疗和纺织等行业。一般低浓度（如3%）的过氧化氢，主要用于杀菌及外用的医疗用途，例如作为伤口消毒，可杀灭肠道致病菌、化脓性球菌等。

而6%的双氧水加上0.005%的亚甲蓝是检验血液的一种常用液体。

至于较高浓度（大于10%）的过氧化氢，则用于纺织品、皮革、纸张、木材制造工业，作为漂白及去味剂。过氧化氢也是染发剂的成分之一，还用作合成有机原料（邻苯二酚）的材料，医药、金属表面处理剂，聚合引发剂等。

然而，德国人在二战期间就发现了过氧化氢在导弹上的用途。

上图V-2导弹的发动机的9号罐子里存放的是浓度为66%的高锰酸钠溶液，在与过氧化氢的反应中，与10号气体发生器中产生高压气体，这是V-2导弹的另一个可靠高压气源。

蓝色管线输送液氧，红色管线输送酒精，上面那个黄色的大罐子，是过氧化氢贮箱。

德国人用过氧化氢来驱动V-2导弹的涡轮泵，增强涡轮泵输送火箭燃料的能力。

V-2导弹在发射之前，需要由各种罐车、槽车运来6.4吨A液体，3.71吨B液体，175千克的T液体和22千克的Z液体。

其中，A液体指的是零下183℃的液态氧。V-2导弹在整个飞行过程中，实际需要的液氧量为4.91吨。但是，德方技术人员坚持要采用6.4吨的罐车运来满满一车液氧是因为液氧极易挥发。在夏季，从液氧制备场站到发射台，短短不足5千米的路程上，液氧已经损失了不少。等到接上管路，开始注入并最终让液氧贮箱内的液面高度到达标称位置的时候，液氧此时已经损失掉了1吨左右。所以，按照经验和测算，4.91吨的液氧需求量要准备出1.5吨的挥发余量。

法国工程师认为，液氧实在是太麻烦了。干脆就让法国最早的“钻石”系列运载火箭早早地改用了偏二甲肼/四氧化二氮常温燃料体系了。

而英国工程师认为，过氧化氢在导弹或者火箭上还应当有更为广泛的应用。过氧化氢的沸点为150.2℃，可以在常温中保存一定的时间。（虽然过氧化氢在常温下不会沸腾，但是其不太稳定，时刻处于分解中，加注后只能维持20个小时的正常状态。）

另外，英国工程师们提出了完整的催化与燃烧方案：

他们把过氧化氢氧化剂通过渡银的镍网，使其剧烈分解。生成的氧气和水蒸气的混合气体有着高达500℃的温度。然后，他们将煤油雾化液滴喷入混合气体中。煤油在这样高的温度下，无需点火就能够自动被引燃，通过燃烧室和喷管后，产生1100℃的高温。

过氧化氢与煤油的组合使得英国工程师找到了一种无毒的常温液体燃料方案。法国工程师虽然找到了偏二甲肼与四氧化二氮的组合，但是终究因燃料的毒性太大而广受诟病。

但是，为什么过氧化氢与煤油的组合方案没能在今天得到广泛应用呢？小火箭觉得原因主要有两个。

第一是前文提到的，过氧化氢不够稳定，实际使用过程中，要万分小心。起到催化作用的银网也要注意更换。上图为展示过氧化氢腐蚀性的一张照片。这是他接触到35%的过氧化氢溶液的后果。

第二则是过氧化氢煤油组合的比冲过低，只有240秒左右。而液氧煤油组合的比冲能够达到280秒以上，液氢液氧组合的比冲更是高达400秒以上。（有关液氢，详见小火箭的公号文章《液态氢，一匹桀骜不驯的野马》）

另外，当采用过氧化氢煤油燃料组合的时候，火箭的氧化剂与燃烧剂的贮箱尺寸的差别会变得非常大。

小火箭在黑箭火箭的照片旁边用红色和蓝色色块分别表示了煤油贮箱和过氧化氢贮箱的大小。

黑箭运载火箭的一级煤油贮箱中，有1.43吨的煤油。而一级的过氧化氢贮箱中，则有11.6吨的过氧化氢。也就是说，黑箭火箭的一级发动机的氧化剂与燃烧剂的混合比为8.1:1。

黑箭火箭的二级与一级类似，其中煤油有0.35吨，过氧化氢有2.85吨。

注重保护历史的英国人把第一级火箭发动机的残骸捡回来，留作纪念。其实整体来看还是保存得不错的，只是喷口在坠到地面上的时候有些变形。

目前，这级火箭在澳大利亚的威廉溪。

啥？英国第一枚成功发射卫星的火箭残骸，这么有纪念意义的物件儿为什么在澳大利亚？

因为。。。黑箭就是在这个地方上天的！

澳大利亚Woomera航天基地在这个地方：

Woomera这个地名通常被翻译为 武麦拉 。

1997年拍的一张照片

当年黑箭火箭进行发动机测试的照片

另外，既然那个黑箭火箭的第一级摔成那个样子了，为什么伦敦科学博物馆里面的那个火箭看起来跟新的一样呢？

这就要说到当年的历史了。黑箭火箭一共造了5枚（分别叫 R0、R1、R2、R3和R4）。从命名的方式来看，妥妥的程序员风格！

黑箭R0在1969年7月29日发射后不久，就因为火箭的制导系统出现问题而坠毁，算是失败了，当时搭载的X-1卫星也一同坠毁。

黑箭R1在1970年3月4日发射，非常成功，但是，可惜的是，上面没有搭载任何卫星。

请注意，中国是在1970年4月24日成功发射了东方红一号卫星的！！！英国人如果当年在R1上搭载了卫星的话，就会让英国排在中国前面成第5个成功发射卫星的国家了。唉，不说了，再说黑箭就要哭晕了。

黑箭R2在1970年9月2日发射，第一级工作正常，后来压力传感器报告火箭有漏气的情况。最终火箭的第二级和第三级跟X-2卫星一起坠毁在澳大利亚北部的卡奔塔利亚湾。

正当研究人员总结经验教训准备再次尝试的时候，英国议会的命令到了。议会认为这个东西太费钱了，根本没有发展下去的必要了。于是决定把经费投到卫星上，而今后借助美国的火箭来发射自己研发的卫星。

不过，这个决定正式颁布的时候，老四黑箭R3已经竖在发射场上了，老五R4则没有那么幸运，他被运到伦敦科学博物馆，成为了咱们刚才看到的那个展品。

1971年10月8日，黑箭R3抓住了最后一次机会，发射成功，并将卫星送入预定轨道。（令英国人感到后怕的真相是：此次任务如果失败，英国将至今都不会在航天发射的先驱国家中留下名字。）

如今，黑箭火箭静静地在澳大利亚矗立着，讲述过去的荣耀。当年的发射场也因承载了大量航天发射任务而成为人类航天活动的圣地之一。

位于澳大利亚武麦拉的导弹公园

感谢大家对小火箭的支持！

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