火箭

火箭（rocket）是火箭发动机喷射工质（工作介质）产生的反作用力向前推进的飞行器。它自身携带全部推进剂，不依赖外界工质产生推力，可以在稠密大气层内，也可以在稠密大气层外飞行，是实现航天飞行的运载工具。 火箭按用途分为探空火箭和运载火箭。

火箭
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发明历史

“火箭”一词根据古书记载，最早出现在公元3世纪的三国时代，距今已有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。这种向后喷火、利用反作用力助推的箭，已具有现代火箭 的雏形，可以称之为原始的固体火箭。

火箭是以热气流高速向后喷出，利用产生的反作用力向前运动的喷气推进装置。通常火箭一词也包括导弹、航天器，甚至烟花焰火。

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，燃料燃烧所须的氧取自空气中。所以，火箭可以在地球大气层以外使用，而其他喷气发动机不能。火箭发射时产生巨大的推力使火箭在很短的时间内迅速升入高空，随着燃料不断减少，火箭自身质量逐渐减小，在与地球距离增大的同时，质量和重力影响不断下降，火箭速度也因此越来越快。

“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。无法确定火箭发明的确切时间。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。19世纪出现了几项重大技术进步：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奠定了现代火箭技术的基础，并发射了第一枚液体燃料火箭。

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20世纪70年代，美国研制出全新的火箭动力航天运载工具即航天飞机。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。

中国古代火箭技术传到欧洲之后，经改进，火箭曾被列为军队的装备。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日臻完善。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。

基本结构

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无论固体运载火箭还是液体运载火箭，无论单级运载火箭还是多级运载火箭，其主要的组成部分均包括结构系统（又称箭体结构）、动力装置系统（又称推进系统）和控制系统。这三大系统称为运载火箭的主系统，主系统的可靠与否，将直接影响运载火箭飞行的成败。此外，运载火箭上还有一些不直接影响飞行成败并由箭上设备与地面设备共同组成的系统，例如遥测系统、外弹道测量系统、安全系统和瞄准系统等。

工作原理

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火箭的运动服从牛顿运动定律。火箭发动机工作时,喷出的高速气体给予火箭本体一个反作用力,即推力，使火箭的速度产生变化。在飞行过程中，随着推进剂的消耗,火箭的质量不断减小,速度不断增大。

齐奥尔科夫斯基首先推导出单级火箭所能得到的理想速度公式，称为齐奥尔科夫斯基公式。这个公式假设火箭在真空中飞行，而且不受地球重力的作用。从地面起飞的火箭，要受到地球重力和空气阻力的作用，因此所得速度总比理想速度小。由于受到火箭发动机比冲和火箭结构水平的限制，用单级火箭通常难以达到第一宇宙速度，因此远程火箭和运载火箭往往使用多级火箭。多级火箭用两级或多于两级的火箭组成。多级火箭工作时先点燃最下面一级，即第一级。第一级工作结束后被抛掉。随即点燃第二级，依此类推，直到带有有效载荷的末级将有效载荷送到预定轨道为止。多级火箭总的理想速度等于各级理想速度的总和。火箭的级数增加，初始重量就会减小。但级数过多系统会变得复杂，反而没有好处。最经济的级数是2~4级。

多级火箭有三种组合形式:串联、并联和混合式。串联式火箭沿轴向连接成一个整体，结构紧凑，气动阻力小，发射设备简单。并联式火箭又称捆绑式火箭，各级沿横向连接，长度短，发射时所有的发动机可同时点火。并联式火箭的缺点是箭体横向尺寸大，发射设备复杂，费用高。在相同起飞重量的前提下，并联式火箭的运载能力稍低于串联式火箭。串联和并联同时使用的组合方式称混合式，它兼有上述两种方式的优点和缺点。多级火箭的分离方式有冷分离和热分离两种。冷分离是两级先分开，然后上面级点火。热分离则是上面级先点火，然后再使两级分离。

分类

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1、按照级数分为：单级火箭和多级火箭

2、按能源分为：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

3、按用途分为：卫星火箭、布雷火箭、气象火箭、防雹火箭以及各类军用火箭等

4、按有无控制分为：有控火箭和无控火箭

5、按结构形式分为：串联火箭和并联火箭

6、按射程分为：近程火箭、中程火箭、远程火箭和洲际火箭等。

各部件的作用

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箭体结构是运载火箭的基体，它用来维持火箭的外形，承受火箭在地面运输、发射操作和在飞行中作用载火箭上的各种载荷，安装连接火箭各系统的所有仪器、设备，把箭上所有系统、组建连接组合成一个整体。

动力装置系统是推动运载火箭飞行并获得一定速度的装置。对液体火箭来说，动力装置系统由推进剂输送、增压系统和液体火箭发动机两大部分组成。固体火箭的动力装置系统较为简单，它的主要部分就是固体火箭发动机，推进剂直接装在发动机的燃烧室壳体内。

控制系统是用来控制运载火箭沿预定轨道正常可靠飞行的部分。控制系统由制导和导航系统、姿态控制系统、电源供配电和时序控制系统三大部分组成。制导和导航系统的功用是控制运载火箭按预定的轨道运动，把有效载荷送到预定的空间位置并使之准确进入轨道。姿态控制系统（又称姿态稳定系统）的功用是纠正运载火箭飞行中的俯仰、偏航、滚动误差，使之保持正确的飞行姿态。电源供配电和时序控制系统则按预定飞行时序实施供配电控制。

遥测系统的功用是把运载火箭飞行中各系统的工作参数及环境参数测量下来，通过运载火箭上的无线电发射机将这些参数送回地面，由地面接收机接收；亦可将测量所得的参数记录在运载火箭上的磁记录器上，在地面回收磁记录器。这些测量参数既可用来预报航天器入轨时的轨道参数，又可用来鉴定和改进运载火箭的性能。一旦运载火箭在飞行中出现故障，这些参数就是故障分析的依据。

外弹道测量系统的功用是利用地面的光学和无线电设备与装在运载火箭上的对应装置一起对飞行中的运载火箭进行跟踪，并测量其飞行参数，用来预报航天器入轨时的轨道参数，也可用来作为鉴定制导系统的精度和故障分析的依据。

安全系统的功用是当运载火箭在飞行中一旦出现故障不能继续飞行时，将其在空中炸毁，避免运载火箭坠落时给地面造成灾难性的危害。安全系统包括运载火箭上的自毁系统和地面的无线电安全系统两部分。箭上的自毁系统由测量装置、计算机和爆炸装置（炸药筒）组成。当运载火箭的飞行姿态、飞行速度超出允许的范围时，计算机发出引爆爆炸装置的指令，使运载火箭在空中自毁。无线电安全系统则是由地面雷达测量运载火箭的飞行轨道，当运载火箭的飞行超出预先规定的安全范围时，从地面发出引爆箭上爆炸装置的指令，由箭上的接收机接收后将火箭在空中炸毁。

瞄准系统的功用是给运载火箭在发射前进行初始方位定向。瞄准系统由地面瞄准设备和运载火箭上的瞄准设备共同组成。

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