火箭

火箭（rocket）是火箭發動機噴射工質（工作介質）產生的反作用力向前推進的飛行器。它自身攜帶全部推進劑，不依賴外界工質產生推力，可以在稠密大氣層內，也可以在稠密大氣層外飛行，是實現航天飛行的運載工具。 火箭按用途分為探空火箭和運載火箭。

火箭
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目錄

發明歷史

「火箭」一詞根據古書記載，最早出現在公元3世紀的三國時代，距今已有1700多年的歷史了。當時在敵我雙方的交戰中，人們把一種頭部帶有易燃物、點燃後射向敵方、飛行時帶火的箭叫做火箭。這是一種用來火攻的武器，實質上只不過是一種帶「火」的箭，在含義上與我們現在所稱的火箭相差甚遠。唐代發明火藥之後，到了宋代，人們把裝有火藥的筒綁在箭杆上，或在箭杆內裝上火藥，點燃引火線後射出去，箭在飛行中藉助火藥燃燒向後噴火所產生的反作用力使箭飛得更遠，人們又把這種噴火的箭叫做火箭。這種向後噴火、利用反作用力助推的箭，已具有現代火箭 的雛形，可以稱之為原始的固體火箭。

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。通常火箭一詞也包括導彈、航天器，甚至煙花焰火。

最常見的火箭燃燒的是固體或液體的化學推進劑。推進劑燃燒產生熱氣，通過噴口向火箭後部噴出氣流。火箭自帶燃料和氧化劑，而其他各種噴氣發動機僅須攜帶燃料，燃料燃燒所須的氧取自空氣中。所以，火箭可以在地球大氣層以外使用，而其他噴氣發動機不能。火箭發射時產生巨大的推力使火箭在很短的時間內迅速升入高空，隨着燃料不斷減少，火箭自身質量逐漸減小，在與地球距離增大的同時，質量和重力影響不斷下降，火箭速度也因此越來越快。

「土星」5號火箭啟程登月時，5台發動機每秒鐘消耗近3噸煤油，它們產生的推力相當於32架波音747的起飛推力。無法確定火箭發明的確切時間。大部分專家認為中國人早在13世紀就研製出了實用的軍用火箭。19世紀出現了幾項重大技術進步：燃料容器的紙殼改為金屬殼，延長了燃燒的持續時間;火藥推進劑的配方標準化;製造出發射台;發現了自旋導向原理等等。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。19世紀末20世紀初美國科學家戈達德和其他幾位專家奠定了現代火箭技術的基礎，並發射了第一枚液體燃料火箭。

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20世紀70年代，美國研製出全新的火箭動力航天運載工具即航天飛機。它主要分3個部分：機身後部裝有3台主發動機的軌道飛行器;裝有液氫和液氧推進劑的外掛燃料箱(5分鐘後脫落)，保證主發動機工作;裝有2台可分離的固體燃料火箭發動機(2分鐘後脫落)，它們與軌道飛行器主發動機同時啟動，提供初始升空階段的推力。1981年4月12日，人類第一架航天飛機「哥倫比亞」號發射升空。

中國古代火箭技術傳到歐洲之後，經改進，火箭曾被列為軍隊的裝備。早期的火箭射程近、落點散布大，以後被火炮代替。第一次世界大戰後，隨着科學技術的不斷進步，火箭武器得到迅速發展，並在第二次世界大戰中發揮了威力。

19世紀80年代，瑞典工程師拉瓦爾發明了拉瓦爾噴管，使火箭發動機的設計日臻完善。19世紀末20世紀初,液體火箭技術開始興起。1903年,俄國的к.e.齊奧爾科夫斯基提出了製造大型液體火箭的設想和設計原理。1926年，3月16日美國的火箭專家、物理學家r. h. 戈達德試飛了第一枚無控液體火箭。 1944年，德國首次將有控的、用液體火箭發動機推進的v—2導彈用於戰爭。1931年5月，德國科學家赫爾曼·奧伯特領導的宇宙航行協會試驗成功了歐洲的第一枚液體火箭。到了1932年，德國軍方在參觀該協會研製的液體火箭發射試驗之後，意識到火箭武器在未來戰爭中具有的巨大潛力，便開始組織一批科學家和工程技術人員，集中力量秘密研製火箭武器。到40年代初，德國在第二次世界大戰中期，先後研製成功了能用於實戰的v-1、v-2兩種導彈。其中v-1是一種飛航式有翼導彈，採用空氣噴氣發動機作動力裝置;v-2是一種彈道式導彈，採用火箭發動機作動力裝置第二次世界大戰以後，蘇聯和美國等相繼研製出包括洲際彈道導彈在內的各種火箭武器。

中國於20世紀50年代開始研製新型火箭。1970年 4月24日，用長征1號三級運載火箭成功地發射了第一顆人造衛星。1975年11月26日，用更大推力的「長征」2號運載火箭發射了可回收的重型衛星。1980年5月18日,向南太平洋海域成功地發射了新型火箭。1982年10月，潛艇水下發射火箭又獲成功。1984年4月8日， 用第三級裝液氫液氧火箭發動機的 「長征」3號運載火箭成功地發射了地球同步試驗通信衛星。1988年9月7日，用「長征」4號運載火箭將氣象衛星成功地送入太陽同步軌道。1992年8月14日，新研製的長征2號e捆綁式大推力運載火箭又將澳大利亞的奧賽特b1衛星送入預定軌道。這些都表明火箭發源地的中國，在現代火箭技術領域已跨入世界先進行列，並已穩步地進入國際發射服務市場。

在發展現代火箭技術方面，中國的錢學森、德國的馮·布勞恩和蘇聯的s.p.科羅廖夫齊奧爾科夫斯基等都做出了傑出的貢獻。

基本結構

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無論固體運載火箭還是液體運載火箭，無論單級運載火箭還是多級運載火箭，其主要的組成部分均包括結構系統（又稱箭體結構）、動力裝置系統（又稱推進系統）和控制系統。這三大系統稱為運載火箭的主系統，主系統的可靠與否，將直接影響運載火箭飛行的成敗。此外，運載火箭上還有一些不直接影響飛行成敗並由箭上設備與地面設備共同組成的系統，例如遙測系統、外彈道測量系統、安全系統和瞄準系統等。

工作原理

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火箭的運動服從牛頓運動定律。火箭發動機工作時,噴出的高速氣體給予火箭本體一個反作用力,即推力，使火箭的速度產生變化。在飛行過程中，隨着推進劑的消耗,火箭的質量不斷減小,速度不斷增大。

齊奧爾科夫斯基首先推導出單級火箭所能得到的理想速度公式，稱為齊奧爾科夫斯基公式。這個公式假設火箭在真空中飛行，而且不受地球重力的作用。從地面起飛的火箭，要受到地球重力和空氣阻力的作用，因此所得速度總比理想速度小。由於受到火箭發動機比沖和火箭結構水平的限制，用單級火箭通常難以達到第一宇宙速度，因此遠程火箭和運載火箭往往使用多級火箭。多級火箭用兩級或多於兩級的火箭組成。多級火箭工作時先點燃最下面一級，即第一級。第一級工作結束後被拋掉。隨即點燃第二級，依此類推，直到帶有有效載荷的末級將有效載荷送到預定軌道為止。多級火箭總的理想速度等於各級理想速度的總和。火箭的級數增加，初始重量就會減小。但級數過多系統會變得複雜，反而沒有好處。最經濟的級數是2~4級。

多級火箭有三種組合形式:串聯、並聯和混合式。串聯式火箭沿軸向連接成一個整體，結構緊湊，氣動阻力小，發射設備簡單。並聯式火箭又稱捆綁式火箭，各級沿橫向連接，長度短，發射時所有的發動機可同時點火。並聯式火箭的缺點是箭體橫向尺寸大，發射設備複雜，費用高。在相同起飛重量的前提下，並聯式火箭的運載能力稍低於串聯式火箭。串聯和並聯同時使用的組合方式稱混合式，它兼有上述兩種方式的優點和缺點。多級火箭的分離方式有冷分離和熱分離兩種。冷分離是兩級先分開，然後上面級點火。熱分離則是上面級先點火，然後再使兩級分離。

分類

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1、按照級數分為：單級火箭和多級火箭

2、按能源分為：化學火箭、 核火箭、電火箭以及光子火箭等。化學火箭又分為液體推進劑火箭、固體推進劑火箭和固液混合推進劑火箭

3、按用途分為：衛星火箭、布雷火箭、氣象火箭、防雹火箭以及各類軍用火箭等

4、按有無控制分為：有控火箭和無控火箭

5、按結構形式分為：串聯火箭和並聯火箭

6、按射程分為：近程火箭、中程火箭、遠程火箭和洲際火箭等。

各部件的作用

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箭體結構是運載火箭的基體，它用來維持火箭的外形，承受火箭在地面運輸、發射操作和在飛行中作用載火箭上的各種載荷，安裝連接火箭各系統的所有儀器、設備，把箭上所有系統、組建連接組合成一個整體。

動力裝置系統是推動運載火箭飛行並獲得一定速度的裝置。對液體火箭來說，動力裝置系統由推進劑輸送、增壓系統和液體火箭發動機兩大部分組成。固體火箭的動力裝置系統較為簡單，它的主要部分就是固體火箭發動機，推進劑直接裝在發動機的燃燒室殼體內。

控制系統是用來控制運載火箭沿預定軌道正常可靠飛行的部分。控制系統由制導和導航系統、姿態控制系統、電源供配電和時序控制系統三大部分組成。制導和導航系統的功用是控制運載火箭按預定的軌道運動，把有效載荷送到預定的空間位置並使之準確進入軌道。姿態控制系統（又稱姿態穩定系統）的功用是糾正運載火箭飛行中的俯仰、偏航、滾動誤差，使之保持正確的飛行姿態。電源供配電和時序控制系統則按預定飛行時序實施供配電控制。

遙測系統的功用是把運載火箭飛行中各系統的工作參數及環境參數測量下來，通過運載火箭上的無線電發射機將這些參數送回地面，由地面接收機接收；亦可將測量所得的參數記錄在運載火箭上的磁記錄器上，在地面回收磁記錄器。這些測量參數既可用來預報航天器入軌時的軌道參數，又可用來鑑定和改進運載火箭的性能。一旦運載火箭在飛行中出現故障，這些參數就是故障分析的依據。

外彈道測量系統的功用是利用地面的光學和無線電設備與裝在運載火箭上的對應裝置一起對飛行中的運載火箭進行跟蹤，並測量其飛行參數，用來預報航天器入軌時的軌道參數，也可用來作為鑑定製導系統的精度和故障分析的依據。

安全系統的功用是當運載火箭在飛行中一旦出現故障不能繼續飛行時，將其在空中炸毀，避免運載火箭墜落時給地面造成災難性的危害。安全系統包括運載火箭上的自毀系統和地面的無線電安全系統兩部分。箭上的自毀系統由測量裝置、計算機和爆炸裝置（炸藥筒）組成。當運載火箭的飛行姿態、飛行速度超出允許的範圍時，計算機發出引爆爆炸裝置的指令，使運載火箭在空中自毀。無線電安全系統則是由地面雷達測量運載火箭的飛行軌道，當運載火箭的飛行超出預先規定的安全範圍時，從地面發出引爆箭上爆炸裝置的指令，由箭上的接收機接收後將火箭在空中炸毀。

瞄準系統的功用是給運載火箭在發射前進行初始方位定向。瞄準系統由地面瞄準設備和運載火箭上的瞄準設備共同組成。

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