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1、火箭虽然很早就出现了,但是将它作为运载工具使用的历史并不长。人们通常认为在第二次世界大战末期,这种被作为运载工具的火箭才出现。二战结束以后,原纳粹德国的火箭研究人员和资料被美国和前苏联瓜分。基于德国的研究基础,美国和前苏联开始投入大力气来发展火箭技术。火箭技术也就开始迅速地发展起来,成为现代航天活动中重要的运载工具。,第三章 登天云梯火箭,第一节 火箭的工作原理,火箭的工作利用了“作用力和反作用力”的原理。火箭燃料燃烧,产生了高温高压气体。这些气体从尾喷管高速喷出,在反作用的作用下,箭体就向前飞去。火箭飞行所能达到的最大速度,取决于喷气速度和火箭开始飞行时的质量与燃料燃尽时的剩余质量之比。,牛
2、顿第三定律 火箭的最大速度,火箭发动机,箭发动机则与之有着根本的区别。它是一种反作用力式发动机。火箭发动机是以一条著名的牛顿定律作为基本驱动原理的,该定律认为“每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力”。火箭发动机向一个方向抛射物质,结果会获得另一个方向的反作用力。如果您吹起一个气球,然后放开它,那么它会满屋子乱飞,直到里面的空气漏光为止,这就是您制造的火箭发动机。在这种情况下,被抛射出去的是气球中的空气分子。与许多人的想法不同,空气分子其实是有质量的(请查看有关氦的页面,以便更好地了解空气质量的问题)。如果您让空气从气球的喷口中喷出来,气球的其余部分则会向相反的方向运动。,火箭燃料,燃
3、料是氮的氧化物有:CO,H2,C2H2,CH4,C2H4,CH3CH2OH,N2H4,高级硼硅烷(这都是火箭推进器的燃料)。和2踢脚差不多的 点火和原理都一样 只是上面的那层不是火药 是火箭头(里面是卫星之类的东西)。航空煤油是无色透明的,闻上去和普通的煤油没什么区别,而且不易挥发。燃点大约在300左右,别说用打火石了,就算用明火也是点不燃的！早在运载火箭发明前,人们使用油和汽作燃料,汽车、轮船和飞机就是靠这些燃料来行驶的。后来,科学家发明了靠化学能来产生动力的运载火箭。运载火箭是用煤油、酒精、偏二甲肼、液态氢等作为燃烧剂,而用硝酸、液态氮等提供的氧化剂帮助燃烧的,人们习惯上把燃烧剂和氧化剂通
4、称为火箭发动机的燃料或推进剂。,火箭推进剂,从物理形态上讲,火箭发动机使用的推进剂有两种形式,一种是液态物质,另一种是固态物质。燃烧剂和氧化剂都是呈液体形态的发动机则称为液体燃料发动机,或称为液体火箭发动机,两者都是呈固体状态,则称为固体燃料火箭发动机或固体火箭发动机。如果在两种燃料中,一种为固体,一种为液体,则称为固-液火箭发动机或直接称其物质名称的火箭发动机。如,氢氧火箭发动机。由于固态燃烧剂产生的能量比液体氧化剂发出的能量高,所以,目前研制的火箭发动机多是固-液火箭发动机,两种燃料相遇燃烧,形成高温高压气体,气体从喷口喷出,产生巨大推力而把运载火箭送上了太空。,常用推进剂有:1、液氢(燃
5、料)液氧(氧化剂),燃烧效率很高,多用于航天飞机及运载火箭末级,价格昂贵、不易储存。2、肼-50(燃料)四氧化二氮(氧化剂),燃烧效率一般,多用于中型火箭,价格适中、较易储存。3、RP-1高精炼煤油(燃料)液氧(氧化剂),燃烧效率一般,多用于火箭第一级,价格适中、不易储存。4、肼(燃料)四氧化二氮(氧化剂),燃烧效率一般,多用于卫星,容易自燃、价格相对便宜、腐蚀性极强。,第二节 多级火箭,为了有效提高火箭的飞行速度,解决其速度与质量之间的矛盾,科学家们研制出了多级火箭。这种火箭是分为一级一级的,每一级里都有燃料,烧完一级就自动脱落一级,这样火箭就越飞越轻,速度也就越来越快。最后,由火箭的最末一
6、节把卫星“顶”到预定轨道。不过火箭级数并不是越多越好。级数越多,构造就越复杂,工作时的可靠性也就越差,多级火箭可以是串联式的、并联式的或串并联式的,但常用的形式是串联和串并联。串联就是将多个火箭通过级间连接/分离机构连成一串,第一子级在最底下,先工作,工作完毕后通过连接/分离机构被抛弃掉,接着,其上面级火箭依次工作并被依次抛弃,直到有效载荷进入飞行轨道。并联就是将多个火箭并排地连接在一起,周围的子级火箭先工作,工作完毕后被依次抛弃,直至有效载荷进入飞行轨道。并联就是将多个火箭并排地连接在一起,周围的子级火箭先工作,工作完毕后被依次抛弃,中央的芯级火箭最后工作。以这种方式连接的多级火箭又称为捆绑
7、式火箭。如果芯级火箭本身是串联式多级火箭,这种形式就是串并联。,多级火箭与单级火箭相比有以下优点:(1)多级火箭在每级工作结束后可以抛掉不需要的质量,因而在火箭飞行过程中,能够获得良好的加速性能,逐步达到预定的飞行速度;(2)多级火箭各级发动机是独立工作的,可以按照每一级的飞行条件设计发动机,使发动机处于最佳工作状态,从而也就提高了火箭的飞行性能;(3)多级火箭可以灵活地选择每一级推力的大小和工作时间,以适应发射轨道的要求、轨道测量要求以及载人飞船对飞行过载的要求。但多级火箭也有缺点,主要是:(1)火箭结构复杂,使用的发动机数量多;(2)级与级之间需增加级间段多级火箭结构示意图进行连接,分离次
8、数多;(3)结构细长,弯曲刚度差,不容易实现气动稳定。多级火箭由于这些原因使得可靠性降低,成本增加。,明代武备志记载的多级火箭 长征火箭,第三节 运载火箭,运载火箭是一种运载工具,它负责把人造卫星、载人飞船、空间站、空间探测器等送入预定轨道。他们一般都是多级火箭,有24级。许多运载火箭的第一级外围捆绑有助推火箭,又称零级火箭。助推火箭可以是固体火箭,也可以是液体火箭,其数量可根据运载能力的需要来选择。运载火箭的技术指标包括运载能力、入轨精度、火箭对不同重量的有效载荷的适应能力和可靠性。,火箭结构 长征号系列火箭,运载火箭在专门的航天发射中心发射。火箭从地面起飞直到进入最终轨道要经过以下几个飞行
9、阶段:大气层内飞行段:火箭从发射台垂直起飞,在离开地面以后的10几秒钟内一直保持垂直飞行。在垂直飞行期间,火箭要进行自动方位瞄准,以保证火箭按规定的方位飞行。然后转入零攻角飞行段。火箭要在大气层内跨过声速,为减小空气动力和减轻结构重量,必须使火箭的攻角接近于零。等角速度程序飞行段:第二级火箭的飞行已经在稠密的大气层以外,整流罩在第二级火箭飞行段后期被抛掉。火箭按照最小能量的飞行程序,即以等角速度作低头飞行。达到停泊轨道高度和相应的轨道速度时,火箭即进入停泊轨道滑行。对于低轨道的航天器,火箭这时就已完成运送任务,航天器便与火箭分离。过渡轨道:对于高轨道或行星际任务,末级火箭在进入停泊轨道以后还要
10、再次工作,使航天器加速到过渡轨道速度或逃逸速度,然后航天器与火箭分离。,火箭发射全过程,第四节 火箭的飞行原理,火箭推进的理论依据是牛顿第三定律:作用力与反作用力大小相等,方向相反。比如一个充满了空气的气球,如果放开气球的出气口,气球里的空气就会喷出来,而气球也会向相反的方向运动。这个现象在物理上叫做反冲。火箭的飞行也是这个道理,只不过它需要大量的能量而已。,模型火箭飞行 简易模型火箭,设火箭开始飞行时速度为零,质量为M0,燃料烧尽后,火箭剩下质量为M,喷气速度为,则火箭能达到的速度v=ln(M0/M)其中M0/M称火箭的质量比。也就是说,在同样条件下,如果火箭的喷气速度越大,最终获得的速度也
11、越大;如果火箭的质量比越大,火箭所能达到的速度也越大。当喷气速度和质量比相同时,火箭的速度和它本身的大小无关。因此要提高火箭速度,只有提高喷气速度和质量比。一般情况下所使用的燃料决定了喷气速度,固体燃料喷气速度2000米每秒左右,一般液体燃料喷气速度3000米每秒左右,液氢/液氧等推进系统喷气速度达4000米每秒左右。,多级火箭在起飞时,第一级火箭的发动机开始工作,推动各级火箭一起前进,当这一级火箭燃料烧尽后,第二级火箭的发动机开始工作,并自动脱落第一级火箭的外壳。因此第二级火箭会在负重减轻的情况下进一步加速前进。按此道理,使火箭最终获得较大的速度而完成卫星发射任务,火箭从地球表面发射起飞时,
12、如果火箭速度增加很快,空气阻力会加大,这对飞行极不利。所以一般是低速起飞,缓慢加速,以极小的速度通过稠密的大气层后,在已高速通过稀薄的大气层上层进入太空中。模型火箭则是利用卫星固体推进剂发动机,喷出高速燃气产生前进动力飞上天的。是对火箭飞行基本原理的一种模拟。模型火箭也有单级和多级,仿真型与非仿真型之分。较常见的模型是单级的,多级模型火箭制作难度较大,技术要求较高。,第五节 火箭的燃料,火箭升空需要推进系统提供大量的能量,而推进器中的燃料是关键。这里所储备的燃料提供给火箭起飞到进入轨道的动力,而燃料分为固体燃料和液体燃料两种。从火箭发明至今,火箭的燃料也经历了翻天覆地的变化。,固体火箭推进嚣的
13、燃料由包含氧化剂和燃料的小球组成,小球中还包含了仿制燃料在推进器内被分解的添加剂。推进剂的装填方式决定了燃料的能量释放方式。如果推进器中的燃料填装使燃烧面以不变的速度燃烧(恒速燃烧),推进器将产生平稳推力。如果推进剂填装得使燃烧面不断扩大(加速燃烧),推进器将产生不断增强的推力。当燃烧面减小,那么就会出现减速燃烧。,奋进号固体火箭推进器喷出烈 固体火箭双燃烧室,可以做液体燃料的物质有很多,它既可以是单质、化合物,也可以是混合物。常用的液体推进剂有四氧化二氮、硝酸、液氢、偏二甲肼、一甲基肼、肼、过氧化氢和碳氢化合物等。混合物的组合有酒精和液态氧、煤油和液态氧或者液态氢和液态氧等。推进剂除了要求高
14、的能量外,还必须具有冰点低、沸点高、密度大、点火与燃烧性能好、毒性小等特点。,“阿里安”5号使用的就是液体燃料 俄罗斯的液体火箭发动机系列,第六节 中国的火箭,中国在1956年就开始了运载火箭的研制工作。1964年6月29日,中国自行设计研制的中程火箭试飞成功之后,即着手研制多级火箭,向空间技术进军。经过5年的艰苦努力,1970年4月24日“长征”1号运载火箭诞生,首次发射“东方红”1号卫星成功。中国航天技术迈出了重要的一步。现在,“长征”系列火箭已经走向世界,在国际火箭发射领域占有重要一席。,“长征”1号运载火箭,“长征”1号运载火箭是一种三级火箭,全长29.86米,最大直径2.25米。它能
15、把300千克重的卫星送入440千米高的近地轨道。1970午4月24日,“长征”1号运载火箭成功地将“东方红”1号卫星送入预定轨道。“长征”1号D运载火箭是“长征”1号火箭的改进型。经过改进,“长征”1号D火箭可以发射各种低轨道卫星、并已投入商业发射。,长征一号丁运载火箭,“长征”2号运载火箭,“长征”2号运载火箭是在“长征”1号的技术基础上发展起来的,是中国的航天运载器的基本型。它是一种两级火箭,全长31.37米,最大直径3.35米,能把l.8吨的卫星送千米的椭圆形轨道。1975年11月26日,“长征”2号手火箭完成了中国第一颗返回式卫星的发射任务。后来经过不断的改进,这一系列中又有了新成员。
16、它们是改进型“长征”2号C火箭、“长征”2号D火箭和“长征”2号E捆绑火箭。,长征二号捆绑运载火箭,“长征”3号运载火箭,1984年,“长征”3号运载火箭研制成功。火箭全长44.86米,同步转移轨道运载能力为1.6吨。这一系列后来又发展出“长征”3号A火箭、“长征”3号B火箭和“长征”3号C火箭。,长征三号丙运载火箭,“长征”4号系列运载火箭,“长征”4号系列运载火箭包括“风暴”1号、“长征”4号、“长征”4号A、“长征”4号B等火箭。“风暴”1号是两级液体火箭,主要用于发射低轨道卫星、火箭长32.57米,最大直径3.35米。它成功完成一箭三星的发射任务。在其基础上,“长征”4号应运而生,主要
17、作为发射地球同步转移轨道卫星运载火箭的另一方案。紧接着“长征”4号A、“长征”4号B被研发出来,在性能上都有一定的改进。,第七节 美国的火箭,美国和俄罗斯一样,也是世界上最早发展运载火箭的国家之一。从20世纪50年代起美国先后研制了“先锋”号、“丘诺”系列、“雷神”系列、“宇宙神”系列、“德尔培”系列、“侦察兵”系列、“红石”系列、“土星”系列等几十种运载火箭,目前的火箭主力是“德尔塔”运载火箭系列。,“德尔塔”系列运载火箭,“德尔塔”系列运载火箭是在“雷神”中程导弹基础上发展起来的航天运载器。它是世界上成员最多的运载火箭系列,改型也达到了40余次。其发射次数居美国其他各型火箭之首。同时,世界
18、第一颗地球同步轨道卫星也是由它们中的成员发射升空的。火箭长28.06米,最大直径2.44米。,“德尔塔”2号运载火箭,“土星”系列运载火箭,“土星”系列运载火箭是美国国家航空航天局专为“阿波罗”登月计划研制的大型液体运载火箭,先后研制的型号有“土星”1、“土星”1B、“土星”5三种型号。“土星”1曾发射10次,其中有5次把“阿波罗”飞船的主体模型发射入轨。,“土星”5号运载火箭,美国“大力神”运载火箭,美国“大力神”运载火箭系列是由“大力神”2洲际导弹发展而来,该系列由“大力神”2、“大力神”3、“大力神”34、“大力神”4和商用“大力神”3等型号组成。其地球同步转移轨道运载能力为5.3吨。,
19、“大力神”运载火箭,“宇宙神”火箭,“宇宙神SLV3C半人马座D”火箭是“宇宙神”火箭系列中首次使用低温液氢液氧的火箭,它属于多级火箭。该火箭长38.35米,最大直径4.87米。“宇宙神”I是“宇宙神”G半人马座D1A的一个改进型,主要用于商业发射。箭长4243.9米,起飞质量163.9吨。,“宇宙神半人马座”运载火箭,“雷神”系列运载火箭,“雷神”系列运载火箭是在“雷神”中程弹道导弹的基础上发展起来的,主要用来发射军用卫星和早期的航天探测器。该系列包括“雷神艾布尔”、“雷神艾布尔星”、“雷神博纳”、“加大推力雷神阿金纳”等型号。,第八节 俄罗斯的火箭,俄罗斯是世界上最早发展运载火箭的国家。自
20、从20世纪50年代开始,前苏联陆续研制了“东方”号系列、“联盟”号系列、“质子”号系列、“旋风”号系列、“宇宙”号、“天顶”号、“能源”号等十几种运载火箭。其中使用最频繁的要数“联盟”号系列和“质子”号系列运载火箭。直到现在,这两种型号的火箭仍然担负着主要的运载任务。,“东方”号运载火箭,“东方”号运载火箭是世界上第一种载人运载火箭,它将世界上第一个“太空人”尤里加加林送上了地球轨道飞行并安全返回地面。这款运载火箭是对“月球”号火箭略加改进而成的,主要是增加了一级火箭,成为两级半运载火箭。,“东方”号运载火箭,“联盟”号运载火箭,“联盟”号运载火箭是“联盟”号子系列中的两级型火箭,是通过挖掘“
21、东方”号火箭一子级的潜力和采用新的更大推力的二子级研制而成。因发射“联盟”系列找人飞船而得名。最长的箭身有49.52米,起飞质量310吨,近地轨道的运载能力约为7.2吨。,“联盟”号运载火箭,“能源”号运载火箭,“能源”号运载火箭是前苏联的一种重型的通用运载火箭,也是目前世界上起飞质量与推力最大的火箭。它主要用于发射多次使用的轨道飞行器;向近地空间发射大型飞行器、大型空间站的基本舱或其他舱段、大型太阳能装置;向近地轨道或地球同步轨道发射重型军用、民用卫星;向月球、火星或深层空间发射大型有效载荷等。,“能源”号运载火箭,“质子”号火箭,“质子”号火箭是目前世界上运载能力最大的火箭之一。在“能源”号重型火箭投入使用以前,该型号就是前苏联运载能力最大的运载火箭。它是世界上第一种用于发射空间站的运载火箭,曾发射过“礼炮”17号空间站、“和平”号空间站各舱段和其他大型近地轨道有效载荷。,“天顶”号运载火箭,“天顶”号是前苏联的一种中型运载火箭,主要是用来发射轨道高度在1500千米以下的军用和民用卫星、经过改进的“联盟”号TM型载人飞船和“进步”号改进型货运飞船,“天顶”号2型是两级运载火箭。“天顶”号3型是三级运载火箭,它在2型的基础上,增加了一个远地点级,可以将有效载荷送入地球同步轨道、其他高轨道或星际飞行轨道。,“天顶”号3SL,
