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A.航天科技發展簡介

 
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  3. 人造嶼P
  4. 登陸月球
  5. 太空穿梭機
  6. 太空站
  7. 美蘇兩國的太空探索史

  C.航天科學的基本知識
  D.航天科學的基本知識  
 E.航天系統的配套
 

火箭發展先軀-各國的發展及特點

前言

火箭是一種噴射推進裝置,以熱氣流向後高速噴出所產生的反作用力,來推向前運動。與飛機不同,火箭自身攜帶燃料與氧化劑,無需依賴空氣中的氧助燃,所以它既可在大氣中,又可在太空中飛行。在飛行過程中,隨著燃料與氧化劑的消耗,火箭的重量不斷減小,飛行速度可更輕易提升。火箭是目前唯一能使物體達到宇宙速度,從而克服或擺脫地球引力,進入宇宙空間的運載工具;它亦可用作快速、遠距離的運載工具(如洲際飛彈、人造 嶼P、飛船、太空站等),以及其他飛行器(如飛機和嶼P)的助推器。如果用作投送飛彈頭,便成為火箭武器。可以控制軌道的稱為導彈(Ballistic Missile),沒有軌道控制系統的稱為火箭彈(Rocket shell)。

 
 

『火箭』一詞的由來

根據古書記載,火箭一詞最早出現在西元3世紀的三國時代,距今已有1700多年的歷史。人們把一種頭部帶有易燃物、點燃後射向前方、飛行時帶火的箭叫做『火箭』。
火藥發明之後,人們把裝有火藥的筒綁在箭杆上,或在箭杆內裝上火藥,點燃引火線後射出,在飛行途中,火藥燃燒向後噴火產生作用力和反作用力,使箭飛得更遠。人們又把這種噴火的箭叫做『火箭』。

 

(圖A1-F1. 中國古代火箭
來源: 維基百科)

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現代火箭的發展歷程

中國古代火箭技術由蒙古人傳到歐洲,經過不斷改進,成為當時軍隊的裝備。早期的(火藥)火箭射程不遠、落點誤差大,準確度低,所以後來被火炮取代。第一次世界大戰後,隨著科技的突飛猛進,火箭武器得到迅速和突破性發展,並在二次大戰中發揮了巨大威力。
19世紀火箭技術的幾項重大進步:
1. 燃料容器由木(紙)殼改為金屬殼,延長了持續燃燒的時間;
2. 火藥燃料配方的標準化,增加燃燒時的釋放能量;
3. 研製出火箭發射台,增加發射效率;
4. 發現自旋導向原理,增加準確度等。
- 19世紀末,火箭開始用於非軍事目的,如用火箭攜帶救生索飛向海上遇難船隻。
- 20世紀初,美國科學家哥達德(RobetGoddard)奠定了現代火箭技術的基礎,並成功研製出第一枚可控式液體燃料火箭,成為現代大型火箭的雛形。

現代大型火箭的發展歷程

1. 俄國的齊奧爾科夫斯基 - 最早有系統地研究火箭的先驅,於1903年發表關於火箭的整套論文《利用噴氣式器械探索宇宙空間》,這是第一部闡述火箭飛行理論的論文:

  1. 論述火箭用於太空飛行、星際交通的可行性;
  2. 論證有關宇宙航行的若干理論和工程技術問題;以及
  3. 首先提出製造大型液體燃料可控式火箭的構想和設計原理。

他其後於1929年發表論文《宇宙航行》,提出多級火箭的構想圖,為研製『克服地球引力』的大型運載火箭提供理論依據。

 
   

2. 美國的哥達德 - 醉心於火箭技術的研究,於1919年將他10多年來精心計算和細心研究的成果進行歸納,發表成一篇突破性論文《達到極大高度的方法》:

  1. 詳細論述火箭運動的數學原理和計算方法;
  2. 外太空飛行的原理;以及
  3. 圖文並茂地說明以火箭飛達月球的可行方法。

除了做理論研究和數據推算,他還埋頭於研製火箭的技術,包括:

  1. 試驗各種火箭燃料;
  2. 製作各種火箭樣板;以及
  3. 進行靜態試驗和飛行實驗。

哥達德和他的火箭

(圖A1-F2. 哥達德和他設計的人類首枚火箭
來源: 維基百科)

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他最大的突破在於引入瑞典工程師拉瓦爾(Gustaf de Laval)發明的拉瓦爾噴管(de Laval Nozzle)作為火箭引擎的噴咀,使火箭引擎的輸出功率由2%大幅提升至64%;同時改良燃燒室,使火箭引擎的設計日臻完善。經過日夜努力,哥達德終於在1926年成功研製出人類第一枚可控式液體燃料火箭。由於他只有少量的贊助經費,加上以『獨行俠』形式來製作,沒有助手,所以只能研製出小型火箭,但其設計原理和製作技術卻成為現代大型火箭的典範。哥達德名留青史,被譽為航天科技奠基人(Founder of Aerospace Engineering),對奧伯特、馮·布朗、科羅廖夫及錢學森等隨後的航天先軀都有極大的影響。

 
   
3. 德國的奧伯特 - 自幼鑽研有關於火箭和宇宙航行的理論,於1923年出版經典著作《飛往星際空間的火箭》,並於1929年修改和充實內容後改名為《通向航天之路》,對早期火箭技術的發展和後期的航天先驅有極大影響。他對航天科學作出了理論層面的貢獻,建立了下列條件之間的理論關係:燃料消耗、燃氣消耗速度、火箭速度、發射階段重力作用、飛行延續時間及飛行距離等。這些關係對火箭的設計提供了最基本原理。他只是理論家,而不是實驗工作者,但他的理論影響了整整一代的火箭工程師。

奧伯特

(圖A1-F2.5 奧伯特
來源: 維基百科)

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  1. 1927年,他在德國創立太空旅行學會,組織和領導一批火箭愛好者共同研製和分享火箭技術,這可算是他對火箭發展作出的最大貢獻。
  2. 1930年,現代火箭之父馮·布朗(Von Braun)成為其中一員,在那裡學得火箭設計和製作技術。
  3. 1932年,德國軍方在參觀該學會研製的火箭發射試驗之後,意識到火箭在未來戰爭中具有的巨大威力,開始組織火箭專家集中力量秘密研製火箭武器。馮·布朗便從這時開始受聘於德國陸軍軍械部,從事火箭研究生涯。

從此火箭研製獲得龐大經費和頂尖人才,不出10年便在1942年成功研製出現代大型液體燃料可控式火箭『V-2』。奧伯特後來被尊稱為『航天科學之父』。

 
   

4. 德國的馮·布朗- 於1937年開始領導研製德軍的犀利武器『V-2』火箭,當時又叫飛彈。V-2是單級、液體燃料、可控性火箭,採用較先進的程式和陀螺儀(Gimbals)雙重系統控制,推力方向舵由強力、耐高溫石墨舵片(Graphite Fin)操縱執行。V-2在工程技術上實現了航天先驅的技術設想,對現代大型火箭的發展起了指導性作用,成為航天發展史上一個重要的里程碑。隨後的大型火箭皆按此設計基礎研製。

二次大戰結束後,馮·布朗和一批火箭專家被俘到美國,繼續研製大型運載火箭,先後研製出各種大型、先進、可靠的運載火箭。1969年成功地把太空人送上月球的超大型運載火箭『農神5號』(Saturn V),便是馮·布朗火箭事業的巔峰之作,也是人類有史以來的最大火箭。他被尊稱為『現代火箭之父』(Father of Modern Rocket)。

馮•布朗

(圖A1-F2.7. 現代火箭之父:·布朗
來源: 維基百科)

V-2火箭

(圖A1-F3 V2-火箭
來源: 維基百科)

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5. 蘇聯的科羅廖夫 - 科學天才,前蘇聯時代火箭和航天系統的總設計師,載人航天飛行的開創者。為前蘇聯發展火箭及導彈計劃,後又主持太空計劃:

  1. 1957年,成功發射人類第一顆人造嶼P『史潑尼克1號』(Sputnik I);
  2. 1961年,將第一位太空人送上太空;
  3. 設計太空站,為太空人提供長期工作基地;以及
  4. 策劃載人長期太空飛行、太空漫步、太空船的軌道對接技術等。

美蘇在進行激烈的太空競賽時,他領導前蘇聯火箭和太空專家,集成各式科技設計、組織化及戰略運用,搶先美國(以現代火箭之父馮·布朗為首)把第一顆人造 嶼P和第一位太空人送上太空。科羅廖夫被尊稱為『載人航天之父』。

 
   

6. 中國的錢學森 - 於1955年自美國返回中國後,在火箭、導彈、人造 嶼P和太空船的研發作出極大貢獻,對中國航天事業的迅速發展發揮巨大作用。被譽為『中國火箭之父』。
錢學森於1956年開始為中國研製大型火箭,過程包括:
- 1960年,成功試射第一枚(仿製)近程地對地導彈,是中國軍事史上的一個重要轉捩點。
- 1964年,成功試射第一枚自行研製中近程導彈,顯示徹底掌握火箭技術。
- 1970年,以『長征1號』三級運載火箭成功發射中國第一顆人造嶼P『東方紅1號』,使中國躋身太空強國之列。

  1. 1975年,以更大推力的『長征2號』運載火箭發射可回收的重型嶼P。
  2. 1980年,向南太平洋海域成功地發射新型越洲火箭。
  3. 1984年,以『長征3號』運載火箭成功發射地球同步嶼P。
  4. 1988年,以『長征4號』運載火箭將氣象嶼P成功地送入太陽同步軌道。
  5. 2003年,以『長征2F』運載火箭成功將中國第一位太空人送入太空,並安全返回。
  6. 2007年,以『長征3A』運載火箭將中國第一顆探月嶼P成功地送入環月球軌道。

這些都表明作為火箭的發源地,中國在現代大型火箭技術方面已跨入世界先進行列,並已穩步進入國際 嶼P發射服務市場。

錢學森

(圖A1-F3.5 錢學森
來源: 維基百科)

錢學森

(圖A1-F3.6 錢學森
來源: 維基百科 )

長征2F火箭

(圖A1-F4 長征2F火箭
來源: 維基百科)

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後記

1970年代,美國研製出以火箭作推進力的全新航天運載工具『太空穿梭機』。它的結構主要分為三部分:

  1. 軌道飛行器(Orbiter)-機身後部裝有3台主引擎;
  2. 外掛燃料箱-箱內裝有液體氫和液體氧,供3台主引擎燃燒,發射後5分鐘脫落;
  3. 固體燃料助推火箭-與軌道飛行器主引擎同時啟動,提供初始階段升空的推力,發射後2分鐘與燃料箱分離。

美國穿梭機-發現號

(圖A1-F5 美國穿梭機-發現號-升空
來源: 維基百科)

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1981年4月12日,人類第一架穿梭機『哥倫比亞』號成功發射升空,然後又安全返回著陸。軌道飛行器和兩枚固體燃料助推火箭都可循環使用。美國航天史開展了新的篇章,從此穿梭機逐漸取代傳統火箭的功能。
 

基礎

進階

2008 © | 最後更新日期: 24.09.2008