火箭的历史由来,火箭的分类组成与发展

火箭的历史由来

火箭的历史由来,火箭的分类组成与发展

火箭是目前唯一能使物体达到宇宙速度,克服或摆脱地球引力,进入宇宙空间的运载工具。火箭的速度是由火箭发动机工作获得的。早在1903年齐奥尔科夫斯基就推导出单级火箭的理想速度公式:V=ωLnMo/Mk,被称为齐奥尔科夫斯基公式。ω为发动机的喷气速度,Mo和Mk,分别是火箭的初始质量和发动机熄火(推进剂用完)时的质量。Mo/Mk被称为火箭的质量比。

由这齐奥尔科夫斯基公式可知,火箭的速度和发动机的喷气速度成正比,并且随火箭的质量比的增大而增大,即发动机的质量减少时,火箭的速度会越来越大。即使使用性能最好液氢液氧推进剂,发动机的喷气速度也只能达到4.3~4.4公里/秒。因此,单级火箭无法将物体送到太空轨道,必须用多级火箭才能完成太空发射任务,即用接力式原理的火箭将航天器送往太空轨道。

用来发射航天器的火箭称为运载火箭,用于运载军用炸弹叫火箭武器(无控制)或导弹(有控制)。航天运载火箭一般由动力系统、控制系统和结构系统组成,有的还加遥测、安全自毁和其他附加系统。

多级火箭各级之间的联接方式,有串联、并联和串并联几种。串联就是把几枚单级火箭串联在一条直线上;并联就是把一枚较大的单级火箭放在中间,叫芯级,在它的周围捆绑多枚较小的火箭,一般叫助推火箭或助推器,即助推级;串并联式多级火箭的芯级也是一枚多级火箭。

各级火箭之间、火箭和有效载荷及整流罩之间,通过连接分离机构实现连接和分离。分离机构由爆炸螺栓和弹射装置组成。平时,它们由爆炸螺栓或爆炸索连成一个整体;分离时,爆炸螺栓或爆炸索爆炸,使连接解锁,然后由弹射装置或小火箭将两部分分开,也有借助前面一级火箭发动机启动后的强大射流分开的。

火箭技术是一项十分复杂的综合性技术,主要包括火箭推进技术、总体设计技术、火箭结构技术、控制和制导技术、计划管理技术、可靠性和质量控制技术、试验技术,对导弹来说还有弹头制导和控制、突防、再入防热、核加固和小型化等弹头技术。

火箭的故乡在中国

火箭的历史由来,火箭的分类组成与发展

中国是最早使用火箭的国家,在清朝以前,中国曾经是火箭技术最发达的国家。在明朝的时候一度是世界上唯一掌握火箭武器技术和大规模应用火箭技术的国家。大约在南宋时期,人们用球状火药包装在箭头杆附近,点着引线之后,用弓箭射出去杀伤敌人,这就是后来的“万人敌”。之后,人们将火药装填在竹筒里,火药背后装着细小的“定向棒”点燃引火管上的火硝,引起筒里火药迅速燃烧,产生向前的推力,使之飞向敌阵爆炸,这就是世界上第一种火药火箭。在明朝旧火箭技术达到高峰并广泛应用于实战,从明朝初年的靖难之役,到万历时期的援朝抗日战争,再到后来对英国人的战斗中都有大规模使用的记载,《武备志》一书中更是记载了当时琳琅满目的火箭类武器,从单发的简单火箭,到多管连发的一窝蜂等火箭炮,在到多级火箭出水火龙,基本已经形成了现代火箭的所有门类,根据《明史》记载在当时明朝同蛮族的战争中,一场战斗动用几万支火箭是司空见惯的。更有一位叫万户(可能是官名)的人将47支大型火箭绑在椅子上,同时点燃,想利用反推原理飞上太空,但可惜最后以失败告终。这是世界上可考的第一次载人火箭的发射。在当时的科技背景下,可想而知,先人的科学探索精神是多么勇敢。而当时在华的窦玛丽等人也都部分记载了相关史料,参见《窦玛丽杂记》,对中国的火箭技术也有一定得记载。

后来,在满清后期的残暴统治下,中国采用闭关锁国的思想。统治者为了防止汉族和民间武装力量发展,从而抑制火箭技术的发展,中国的火箭技术从此日益倒退并停滞不前。直到1958年才制造出第一支现代火箭,不但晚于当时的两大强国,还晚于日本等国,这都是中国科学史上的损失和教训。

美国航空航天博物馆的照壁上第一句话就是:最早的飞行器是中国的风筝和火箭。

根据古籍记载,“火箭”一词最早出现在公元3世纪的三国时代,至今已有1700多年的历史了。当时在敌我双方的交战中,人们把一种头部带有易燃物、点燃后射向敌方、飞行时带火的箭叫做火箭。这是一种用来火攻的武器,实质上只不过是一种带“火”的箭,在含义上与我们现在所称的火箭相差甚远。唐代发明火药之后,到了宋代,人们把装有火药的筒绑在箭杆上,或在箭杆内装上火药,点燃引火线后射出去,箭在飞行中借助火药燃烧向后喷火所产生的反作用力使箭飞得更远,人们又把这种喷火的箭叫做火箭。宋代的火箭向后喷火利用反作用力助推火箭升空就是现代火箭的雏形,被人们称之为最原始的固体火箭。

火箭一般包括,导弹、航天器、甚至烟花焰火等,是一种利用向后喷出的高速热气流的反作用而向前推进的装置。最常见的火箭燃烧的是固体或液体的化学推进剂。推进剂燃烧产生热气,通过喷口向火箭后部喷出气流。火箭自带燃料和氧化剂,而其他各种喷气发动机仅须携带燃料,燃料燃烧所需的氧取自空气中。因此,火箭与其他喷气发动机的区别就是,火箭可以在地球大气层之外使用,而普通喷气发动机是离不开空气的。火箭发射后速度会越来越大,因为火箭被高速发射出去之后,随着燃料的燃烧,其重量会越来越轻,重力影响就会随之下降,速度也会越来越大。“土星”5号火箭启程登月时,5台发动机每秒钟消耗近3吨煤油,它们产生的推力相当于32架波音747的起飞推力。

火箭发明的确切时间还没有定论。大部分专家认为中国人早在13世纪就研制出了实用的军用火箭。火箭技术在19世纪出现了几项重大进步:燃料容器的纸壳改为金属壳,延长了燃烧的持续时间;火药推进剂的配方标准化;制造出发射台;发现了自旋导向原理等等。19世纪末,火箭开始用于非军事目的,如用火箭携带救生索飞向海上遇难船只。19世纪末20世纪初美国科学家戈达德和其他几位专家研制发射了世界上第一枚液体燃料火箭,奠定了现代火箭技术的基础。

20世纪70年代,美国研制出第一架航天飞机,它是全新的火箭动力航天运载工具。它主要分3个部分:机身后部装有3台主发动机的轨道飞行器;装有液氢和液氧推进剂的外挂燃料箱(5分钟后脱落),保证主发动机工作;装有2台可分离的固体燃料火箭发动机(2分钟后脱落),它们与轨道飞行器主发动机同时启动,提供初始升空阶段的推力。1981年4月12日,人类第一架航天飞机“哥伦比亚”号发射升空。

中国古代的火箭技术传播到欧洲后,经过改进,逐渐被运用到军事装备中。早期的火箭射程近、落点散布大,以后被火炮代替。第一次世界大战后,随着科学技术的不断进步,火箭武器得到迅速发展,并在第二次世界大战中发挥了威力。

19世纪80年代,瑞典工程师拉瓦尔发明了拉瓦尔喷管,使火箭发动机的设计逐渐完善。19世纪末20世纪初,液体火箭技术开始兴起。1903年,俄国的К·E·齐奥尔科夫斯基提出了制造大型液体火箭的设想和设计原理。1926年,3月16日美国的火箭专家、物理学家R·H·戈达德试飞了第一枚无控液体火箭。1944年,德国首次将有控的、用液体火箭发动机推进的V-2导弹用于战争。1931年5月,德国科学家赫尔曼·奥伯特领导的宇宙航行协会试验成功了欧洲的第一枚液体火箭。到了1932年,德国军方在参观该协会研制的液体火箭发射试验之后,意识到火箭武器在未来战争中具有的巨大潜力,便开始组织一批科学家和工程技术人员,集中力量秘密研制火箭武器。到40年代初,德国在第二次世界大战中期,先后研制成功了能用于实战的V-1、V-2两种导弹。其中V-1是一种飞航式有翼导弹,采用空气喷气发动机作动力装置;V-2是一种弹道式导弹,采用火箭发动机作动力装置第二次世界大战以后,苏联和美国等相继研制出包括洲际弹道导弹在内的各种火箭武器。

中国于20世纪50年代开始研制新型火箭。1970年4月24日,用“长征”1号三级运载火箭成功地发射了第一颗人造地球卫星。1975年11月26日,用更大推力的“长征”2号运载火箭发射了可回收的重型卫星。1980年5月18日,向南太平洋海域成功地发射了新型火箭。1982年10月,潜艇水下发射火箭又获成功。1984年4月8日,用第三级装液氢液氧火箭发动机的 “长征”3号运载火箭成功地发射了地球同步试验通信卫星。1988年9月7日,用“长征”4号运载火箭将气象卫星成功地送入太阳同步轨道。1992年8月14日,新研制的“长征”2号E捆绑式大推力运载火箭又将澳大利亚的奥赛特B1卫星送入预定轨道。这些都表明火箭发源地的中国,在现代火箭技术领域已跨入世界先进行列,并已稳步地进入国际发射服务市场。

在发展现代火箭技术方面,中国的钱学森、德国的冯·布劳恩和苏联的S.P.科罗廖夫、齐奥尔科夫斯基等都做出了杰出的贡献。

火箭的分类组成与发展现状

分类与组成

火箭的历史由来,火箭的分类组成与发展

火箭的分类有几种不同的方法。按照火箭能源的不同,可以分为化学火箭、核火箭、电火箭以及光子火箭等。化学火箭又分为液体推进剂火箭、固体推进剂火箭和固液混合推进剂火箭。按火箭的用途不同分为卫星运载火箭、布雷火箭、气象火箭、防雹火箭以及各类军用火箭等。按有无控制分为有控火箭和无控火箭。按级数分为单级火箭和多级火箭。按射程分为近程火箭、中程火箭和远程火箭等。虽然火箭的分类方法复杂多样,但其大致结构和工作原理都是很相近的。

如今科研上常用的火箭类型有固态火箭与液态火箭两种。此外,还有混合火箭——就是用固体的燃料而用液体的氧化剂。随着科学的发展,现在的运载火箭大多包含了液态部分和固态部分,即在同一个火箭上,可能第一节是固态的,而第二节则是液态的。

火箭的基本组成部分有推进系统、箭体和有效载荷。有控火箭还装有制导系统。

火箭赖以飞行的动力装置是火箭的推动系统。其中火箭发动机按其工作性质,可分为化学火箭发动机、核火箭发动机、电火箭发动机和光子火箭发动机等。其中使用比较广泛的是化学火箭发动机,它是依靠推进剂在燃烧室内进行化学反应释放出来的能量转化为推力的。推力与推进剂每秒消耗量之比称为比冲,它是发动机性能的主要指标,其高低与发动机设计、制造水平有关,但主要取决于所选用的推进剂的性能。火箭发动机的推力,是根据其特点和用途选定的,其大小相差很大,火箭发动机的推力只有几微牛;而美国的航天飞机的固体火箭助推器的推力则能大到十几兆牛。

箭体用来安装和连接火箭各个系统,并容纳推进剂。箭体除要求具有良好的空气动力外形外,还要求在既定功能不变的前提下,质量越轻越好,体积越小越好。当火箭的起飞质量一定时,若结构质量越轻,则火箭的飞行速度或射程会比较大。

火箭的有效载荷是指火箭能把多少重量的物体成功送到空中。一般运载火箭的有效载荷有人造卫星、飞船或空间探测器等航天器。而火箭武器的有效载荷就是战斗部——弹头。

地面发射装置是成功发射火箭最基础的设施。而地面发射设备有大有小,小的可手提肩扛,如便携式防空火箭和反坦克火箭的发射筒;大的如卫星运载火箭,则需有固定的发射场和庞大的发射设施,以及飞行跟踪测控台站等。

现状与发展

火箭的历史由来,火箭的分类组成与发展

20世纪50年代以来,随着火箭技术的迅速发展,它的应用也越来越广泛。其中尤以各类可控火箭武器(导弹)和空间运载火箭发展最为迅速。从火箭弹到反坦克导弹、反飞机导弹和反舰导弹以及攻击地面固定目标的各类战术导弹和战略导弹,均已发展到相当完善的程度,已成为现代军队不可缺少的武器装备。

各类火箭武器的发展方向基本上集中在,提高命中精确度、抗干扰能力、突防能力和生存能力等方面。此外,反导弹、反卫星等火箭武器也正在研制和发展之中,在地地弹道导弹基础上发展起来的运载火箭,已广泛用于发射卫星、载人飞船和其他航天器等。20世纪80年代初,苏、美两国已经分别研制出六、七个系列的运载火箭。其中,美国载人登月的“土星”5号火箭,直径10米,长111米,起飞质量约2930吨,近地轨道运载能力为127吨。苏联的“能源”号火箭,起飞质量约2000吨,近地轨道运载能力约为100吨。中国的“长征”2号E火箭,采用了并联助推技术,不仅提高了运载能力,还为进一步发展更大运载能力的火箭奠定基础。运载火箭正向着高可靠性、低成本、多用途和多次使用的方向发展,其具体体现就包括可多次往返于太空和地球之间的航天飞机的问世。火箭技术的飞速发展,不仅可提供更加完善的各类导弹和推动相关科学的发展,还将使开发空间资源、建立空间产业、空间基地及星际航行等成为可能。

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