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火箭是指一種自身既帶有燃料,又帶有助燃用的氧化劑,用火箭發動機作動力裝置,可在大氣層內飛行,也可在沒有空氣的大氣層外的太空飛行的飛行器。因火箭機構最早用於發射箭矢上,因此在中文稱為火箭。

1 火箭 -概述

戰神5號火箭想像圖「戰神5號」火箭想像圖

火箭是以熱氣流高速向後噴出,利用產生的反作用力向前運動的噴氣推進裝置。它自身攜帶燃燒劑與氧化劑,不依賴空氣中的氧助燃,既可在大氣中,又可在外層空間飛行。火箭在飛行過程中隨著火箭推進劑的消耗,其質量不斷減小,是變質量飛行體。

現代火箭可用作快速遠距離運送工具,如作為探空、發射人造衛星、載人飛船、空間站的運載工具,以及其他飛行器的助推器等。如用於投送作戰用的戰鬥部(彈頭),便構成火箭武器。火箭是目前(截止2009年)唯一能使物體達到宇宙速度,克服或擺脫地球引力,進入宇宙空間的運載工具,而火箭的速度是由火箭發動機工作獲得的。

2 火箭 -歷史

中國
中國古代火箭中國古代火箭

火箭起源於中國,是中國古代重大發明之一。古代中國火藥的發明與使用,給火箭的問世創造了條件。北宋後期,民間流行的能升空的 「流星」 (后稱「起火」),已利用了火藥燃氣的反作用力。按其工作原理,「起火」一類的煙火就是世界上最早的用於玩賞的火箭。南宋時期,出現了軍用火箭。到明朝初年,軍用火箭已相當完善並廣泛用於戰場,被稱為「軍中利器」。明代初期兵書《火龍神器陣法》和明代晚期兵書《武備志》以及其他有關中外文獻,均詳細記載了中國古代火箭的形制和使用情況。

1949年,中華人民共和國成立后,組建了研製現代火箭的專門機構,在「獨立自主,自力更生」的方針指導下,卓有成效地研製出多種類型的火箭,並於1970年用「長征」 1號三級火箭成功地發射了第一顆人造地球衛星。1975年,用更大推力的火箭── 「長征2號」,發射了可回收的重型衛星。1980年,向南太平洋海域成功地發射了新型運載火箭。1982年,潛艇水下發射火箭又獲成功。特別是1984年4月8日和1986年2月1日,用裝有液氫液氧發動機的「長征3號」火箭,先後發射地球同步試驗通信衛星的成功表明,在現代火箭技術方面中國已跨入世界先進行列。  

國際

中國火箭技術傳到歐洲之後,曾被列為軍隊的裝備。1926年,美國火箭技術科學家R.H.戈達德試射了第一枚無控液體火箭。1944年,德國首次將有控彈道式液體火箭V-2用於戰爭。第二次世界大戰後,前蘇聯和美國等相繼研製出包括洲際導彈在內的各種火箭武器和運載火箭。在發展現代火箭技術方面,德國工程師W.von布勞恩,蘇聯科學家С.П.科羅廖夫和中國科學家錢學森等都作出了傑出的貢獻。

另外一方面,蘇聯的火箭研究在科羅廖夫的領導下進行中。從來自德國技術人員的協助,V2火箭被複制及改進成為R-1、R-2及R-5導彈。原德國的設計在1940晚期被放棄,而這些德國工作人員被遣送回國。由Glushko建造的新系列引擎及基於Aleksei Isaev的發明形成了最初的洲際導彈R-7。R-7發射了第一顆衛星、第一個太空人及第一個月球探測器及行星際探測器,直到現在還在使用。到了1960年代形成了火箭科技極速發展的時代,包括蘇聯(東方號、聯合號、質子號)及美國(X-20飛行器、雙子星號),以及其他國家的研究如英國、日本、澳大利亞等等。最終導致了60年代末期的土星5號載人登陸月球,使紐約時報收回以前認為太空任務不可能成功的社論。

3 火箭 -分類與組成

分類
火箭發動機火箭發動機

火箭通常可分為固體與液體火箭,有控與無控火箭,單級與多級火箭,近程、中程與遠程火箭等。火箭的種類雖然很多,但其組成部分及工作原理是基本相同的。除有效載荷外,有控火箭必不可少的組成部分有動力裝置、制導系統和箭體。

組成

動力裝置   是發動機及其推進劑供應系統的統稱,是火箭賴以高速飛行的動力源。其中,發動機按其工質,可分為化學火箭發動機、核火箭發動機、電火箭發動機等。當前廣泛使用的是化學火箭發動機,它是靠化學推進劑在燃燒室內進行化學反應釋放出的能量轉化為推力的。在發動機效率相同的情況下,單位時間內燃燒與噴射的物質越多,噴射速度越大,發動機推力就越大。在推力相同的情況下,結構重量越輕,單位時間內消耗推進劑越少,發動機性能就越高。推力與推進劑每秒消耗量之比稱為比推力,它是鑒定發動機性能的主要指標。

制導系統  有了足夠的推力,火箭便可克服地球引力而飛離地面。但對有控火箭而言,為保證在飛行過程中不致翻滾,而且準確地導向目標,還需有制導系統。該系統的功用是實時地控制火箭的飛行方向、高度、距離、速度以及飛行姿態等,亦即控制火箭的質心運動和繞質心的轉動(俯仰、偏航與滾動),使火箭穩定而精確地飛抵目標。制導系統地日臻完善和精度的迅速提高,是現代火箭技術的一大特點。

箭體  是火箭另一個不可缺少的組成部分,火箭的各個系統都安裝其上,並容納大量的推進劑。箭體結構除要求具有空氣動力外形外,還要求在完成既定功能的前提下,重量越輕越好,體積越小越好。在起飛重量一定時,其結構重量輕,則可得到較大的飛行速度或距離。火箭發動機熄火點的理想速度(不計速度的重力損失與空氣阻力損失)Vk可表示為:火箭,式中ω代表推進劑燃氣的有效流速,其大小取決於發動機的性能;火箭Mk代表熄火點的火箭質量,主要是箭體結構質量;Mo代表起飛時的火箭質量。

從上式可以看出,當火箭起飛質量Mo一定時,Mk越小,μk小,則末速Vk越大,即飛行距離越遠;或者當飛行距離一定時,Mk小,Mo亦小,即火箭可以造得小些。除上述三大系統之外,還有電源系統,有時還根據需要在火箭上安裝初始定位定向、安全控制、無線電遙測以及外彈道測量等附加系統。

4 火箭 -技術

模型火箭模型火箭
推進技術

火箭推進是一種精密的結構,它的原理主要是力學、熱力學,以及其它有關科學之運用,諸如電學等。火箭跟一般的飛機主要的不同點在於:飛機只能在大氣層內飛翔,但是火箭可以在外層空間工作,因為它不需要利用外界空氣便能夠燃燒推進。

火箭推力的獲得,乃由高速噴出物反作用而生成。其原理與花園中用橡皮管噴水時,橡皮管會向後退,以及槍向後座的原理一樣。火箭的燃料經過燃燒室燃燒以後,會產生高溫高壓的氣體,之後再經過一個噴嘴而加速,並排氣到外界。這些氣體便是推動火箭的原動力。

現代火箭發動機

化學火箭發動機、固態火箭發動機、液態火箭發動機、混合式火箭發動機、電氣火箭發動機、離子發動機。

未來火箭發動機

核火箭發動機、激光脈衝火箭發動機、反物質火箭發動機、星際(太空)氣體衝壓火箭發動機、核能火箭和激光脈衝式火箭,正在做樣板實驗,反物質火箭和星際氣體衝壓火箭更只在理論上探索。

5 火箭 -應用

神農五號火箭神農五號火箭

20世紀中葉以來,火箭技術得到了飛速發展和廣泛應用,其中尤以各種可控火箭武器和空間運載火箭發展最為迅速。從火箭炮到反坦克、對付飛機和艦艇以及攻擊固定目標的各類有控火箭武器,均已發展到相當完善的地步,反導彈、反衛星火箭武器也正在研製和完善之中。各類火箭武器正繼續向高精度、反攔截、抗干擾和提高生存能力的方向發展。在地地導彈基礎上發展起來的運載火箭,已廣泛用於發射各種衛星、載人飛船和其他航天器。

在80年代初,蘇、美兩國已經分別研製出六七個系列的運載火箭。其中,美國載人登月的「土星」5號火箭,直徑10米,長111米,起飛重量約2930噸,低軌道運載能力為127噸,是當前世界上最大的火箭。運載火箭正朝著高可靠、低成本、多用途和多次使用的方向發展。太空梭的問世就是這一發展趨勢的一種體現。火箭技術的快速發展,不僅將提供更加完善的各類火箭武器,還將使建立空間工廠、空間基地以及星際航行等成為可能。

6 火箭 -發展

法規

國際法規定,發射載具的擁有者的國籍決定了那個國家必須為任何造成的損害負責。因此有些國家要求火箭製造者及發射者遵循特定法令去補償及保護人員及財產可能受到的影響。在美國,任何非歸類為業餘,也非政府相關的火箭必須由位於華聖頓特區的美國聯邦航空局商業太空運輸辦公室(FAA/AST)批准。

火箭意外

由於所有的火箭燃料都具有強大的化學能量(單位重量的能量比炸藥多,但比汽油少),因此有可能發生意外。雖然一般對於火箭安全都會特別注意,使因火箭意外喪生或受傷的人數通常比較少,但這樣的記錄也稱不上完美。

7 火箭 -中國相關

中國航天事業是在基礎工業比較薄弱、科技水平相對落後和特殊的國情、特定的歷史條件下發展起來的。中國獨立自主地進行航天活動,以較少的投入,在較短的時間裡,走出了一條適合本國國情和有自身特色的發展道路,取得了一系列重要成就。

現代的軍事力量和一個國家的經濟基礎和科技是總體上成正比的,但兩者之間並不是線性關係,在高瞻遠矚的國家戰略的指導,作為上層建築的國家軍事力量能對一國的主要歷史方向,也就是其經濟基礎和科學技術所主導的方向,發生決定性影響;信息技術就是典型的起源軍事對抗,然後擴展到國家經濟的每個部門,而對現代化國家起仍關鍵性作用的一個例子。而在信息技術之後,太空力量將是另一種起源於國家的軍事對抗,而最終將對各國的歷史方向發生深遠影響的現代軍事活動。

8 火箭 -現代火箭鼻祖

V2火箭

V2工程開始於1940年。第二次世界大戰期間[1],正是德國的V2火箭曾給英國帶來巨大災難,當時又叫「飛彈」。V2工程起始於A系列火箭研究,由馮·布勞恩主持,是1936年後在佩內明德新建火箭研究中心的重點項目。A系列火箭經過許多新的改進,性能大大提高。是世界上第一種實用的彈道導彈。"V"來源於德文Vergeltung,意即報復手段,這是納粹在遭到盟國集中轟炸后表示要進行報復的意思。V1和V2表示這兩種型號僅僅是整個系列的恐怖武器的先驅。

V2長13.5米,發射全重13噸,能把1噸重的彈頭送到322千米以外的距離。火箭由液體火箭發動機推動,燃燒工質為液氧和甲醇。發射時火箭先垂直上升到24-29千米高,然後按照彈上陀螺儀的控制,在噴口燃氣舵的作用下以40度的傾角彈道上升,也可由地面控制站向彈上接收機發射無線電指令控制。一分鐘后,火箭已飛到48千米的高度,速度已達每小時5796千米。此時,無線電指令控制系統指令關閉發動機,火箭靠慣性繼續上升到97千米的高度,然後以每小時大約3542千米的速度大致沿一拋物線自由下落,擊中目標。由於當時制導系統的精度所限,誤差較大。

V2工程的目標是擴大容積和承載重量,以容納自控、導航系統和戰鬥部。1942年10月3日,V2試驗成功,年底定型投產。從投產到德國戰敗,前德國共製造了6000枚V2,其中4300枚用於襲擊英國和荷蘭。

1943年初按盟國情報人員的情報,盟國發現這一計劃,並由對佩內明德的空中偵查得到證實。1943年8月17日夜,英國皇家空軍對佩內明德進行了一次著名的大規模空襲,毀傷了V2的地面設施。為預防重蹈8月17日災難,納粹將V2工廠遷到德國山區的山洞工廠,這個過程耽誤了預期的火箭攻勢。

1944年6月13日(諾曼底登陸后六天)V1開始攻擊倫敦,9月份第一枚V2落到倫敦。火箭攻擊造成了嚴重的平民傷亡和財產損失。如果在六個月前對登陸部隊集結地進行集中攻擊而不是倫敦的話,即如艾森豪威爾將軍所說,盟國將遭到難以克服的困難。對倫敦的攻擊都是在上午7至9時,中午12至2時,下午6至7時交通高峰期進行的,企圖嚇垮英國的民心士氣。可是,對經過1940年空襲的英國人民,在全面勝利已如此接近時,這種新的恐怖算不了什麼。在諾曼底前線的英國士兵更盡了最大努力用最快速度向威脅他們家庭的火箭發射地挺進。除了向倫敦發射外,在盟軍9月4日佔領安特衛普港后,納粹向安特衛普港進行了大規模導彈攻擊。

1945年德國投降前夕,布勞恩和400餘名火箭專家向美軍投降,後到美國,成為美國火箭技術和空間技術的奠基人之一;蘇聯也繳獲了大量V2的成品和部件,並俘虜了一些火箭專家,以此為起點,開始自己的火箭和空間計劃。

V2是單級液體火箭,全長14米,重13噸,直徑165米,最大射程320千米,射高96千米,彈頭重1噸。V2採用較先進的程序和陀螺雙重控制系統,推力方向由耐高溫石墨舵片操縱執行。V2在工程技術上實現了宇航先驅的技術設想,對現代大型火箭的發展起了承上啟下的作用。成為航天發展史上一個重要的里程碑。

9 火箭 -業餘火箭

所謂業餘火箭,是指主要利用非政府、非商業資金或條件設計和製造的火箭,其設計、製造、發射等活動服務於科技愛好者及其組織,而非政府、軍事或商業用途。火箭是指以飛行、運送載荷或提供推力為主要目地的,自帶推進劑的噴氣推進裝置。火箭模型通常不屬於火箭,而是某種非火箭物體,因為它們的目地是模仿外觀、結構,而不主要是飛行或運送載荷。

模型火箭,是指為了逼真的重現某種火箭的外觀、發射場景等目的,效仿重現對象的形狀、結構、外觀,以一定的比例尺縮放后製作的具備發射功能的火箭。火箭模型,是指為了逼真的重現某種火箭的外觀、內部結構,效仿重現對象的形狀、結構、外觀,以一定比例尺縮放后製作的沒有發射功能的物體;或因科研等目的,為風洞試驗等製作的設計模樣。業餘火箭活動、業餘火箭製作等,屬於科技愛好,是科技愛好者圍繞火箭研究及其應用而展開的研究、開發、製造、測試等一系列活動的總稱。
模型火箭活動有時可能屬於科技愛好的範疇,但是更多的屬於文娛表演、演示的範疇。模型火箭製作,是生產模型火箭的過程。
火箭模型通常用於展示或者教育目的。例如,學校裡面為學生講解火箭結構,有時需要用到火箭模型,這種火箭模型內部包含了按一定比例尺縮小的內部結構,如燃燒室、泵、電控部分等的模型。火箭模型製作,通常是生產火箭模型的過程,也可能是火箭愛好者的一種縮微仿製或縮樣設計過程。
競技火箭,是指專為火箭比賽而製作的火箭。一般比賽中,競技者通過合理設計火箭的結構和外形(不包含發動機及燃料),在相同的發動機條件下,就火箭的飛行高度、載荷質量或特定條件(如採用降落傘)下的滯空時間展開競技,以飛行高度高或者滯空時間長,載荷重者為勝。競技火箭活動屬於科技愛好,往往也屬於業餘火箭的範疇。但是,關於模擬或逼真程度的競賽,不屬於科技愛好。
目前大陸對火箭類活動的稱呼較為混亂,並且未對模型火箭和競技火箭進行區分,往往習慣將業餘火箭稱為模型火箭。大多數普通媒體的記者對上述概念沒有任何認知,加重了這種混亂用語。在中華人民共和國,因為體育運動管理制度系照抄蘇聯模式,因此,本處定義的競技火箭由國家體育總局歸口管理,屬於「三模三電」中的航空航天模型。在大陸,「火箭模型」是一項體育運動,有「教練員」、「運動員」和「裁判員」;前蘇聯或原華約國家基本如此。

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