火箭

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  火箭(rocket),靠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,可以在大气层内,也可以在大气层以外飞行。火箭是实现航天飞行的运载工具。

沿革

  火箭起源于中国,是中国古代重大发明之一。古代中国火药的发明与使用,给火箭的问世创造了条件。北宋后期,民间流行的能升空的“流星”(后称“起火”),已利用了火药燃气的反作用力。按其工作原理,“起火”一类的烟火就是世界上最早的用于玩赏的火箭。南宋时期,出现了军用火箭。到明朝初年,军用火箭已相当完善并广泛用于战场,被称为“军中利器”。明代初期兵书《火龙神器阵法》和明代晚期兵书《武备志》以及其他有关中外文献,均详细记载了中国古代火箭的形制和使用情况。仅《武备志》便记载了20多种火药火箭,其中的“火龙出水”已是二级火箭的雏形。到13世纪,中国的火药、火箭传入欧洲,并在战争中得到广泛的应用和发展。第一次世界大战后,随着技术的进步,各种火箭武器又迅速发展起来,并在第二次世界大战海湾战争等现代战争中显示威力。

应用

  火箭的应用包括军用和民用两大方面,范围广泛,从民间节日焰火用的小火箭到各种探空火箭直到将人送上月球的巨型运载火箭;从攻击陆地、水面和空中目标的各类导弹到攻击太空目标的反卫星火箭武器,还有利用火箭助推的鱼雷、靶机、火箭滑车、火箭飞机以及其他应用。以下是一些重要的应用实例。

  1. 无控火箭弹(炮)。为近程无控单级火箭,带有弹头。通常设计简单,无制导系统,命中精度较差,但可多发齐射,覆盖面大,弥补精度之不足。可车载或机载发射,机动性较好,比火炮使用方便,破坏威力也较大。
  2. 导弹。是带战斗部的有控火箭。近程战术导弹可由高精度制导系统控制,在攻击距离、命中精度和破坏威力方面远远超过火炮。远程地地导弹、防空导弹和反弹道导弹导弹通常采用2级甚至3级火箭。远程地地导弹的射程可达数千至上万千米。这种导弹带有核弹头,命中精度高,可用来破坏敌方的军事要地、政治经济中心、交通枢纽等战略目标。
  3. 运载火箭。通常由多级火箭组成,能将人造地球卫星、载人飞船和空间探测器等航天器送入预定轨道。它不受发射准备时间、机动性等作战条件的约束,而着重于提高运载能力,因而可以采用高性能的低温推进剂液氧和液氢。火箭的推力和级数取决于有效载荷和轨道速度要求。现代最大的运载火箭是土星5号运载火箭,总长约110米,起飞推力达33350千牛或3400吨力。

  火箭的其他应用还包括:使飞行器旋转稳定的旋转火箭;姿态控制和末速修正用的微调火箭;多级火箭级间分离用的分离火箭;驾驶员座椅或座舱应急弹射用的救生火箭,以及信号火箭、雷达假目标火箭等。

分类

  火箭根据能源的不同分为化学火箭、核火箭和电火箭等。化学火箭又分为固体火箭、液体火箭和混合推进剂火箭。此外,火箭还可以按有无控制、用途、级数、射程和其他原则分类。火箭的分类方法虽然很多,但工作原理和组成部分基本相同。

原理

  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。K.E.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。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3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。

组成

  火箭的基本组成部分有推进系统、箭体结构和有效载荷。有控火箭还装有制导和控制系统,有时还可根据需要在火箭上装设遥测、安全自毁和其他附加系统。

  推进系统是火箭飞行的动力源。固体火箭的推进系统就是固体火箭发动机。液体火箭的推进系统包括发动机、推进剂贮箱、增压系统和管路活门组。

  箭体结构的作用是装载火箭的所有部件,使之构成一个整体。通常固体火箭发动机的壳体和液体火箭的箱体构成箭体结构的一部分。除此之外,还包括尾段、级间段、仪器舱结构和有效载荷整流罩等部分。箭体结构应有良好的空气动力外形。在完成相同功能的前提下,箭体结构的重量和体积越小越好。减轻箭体结构重量的途径,除设计技巧和工艺方法外,结构型式和材料的选择也很重要。

  有效载荷是火箭所要运送的物体。火箭的用途不同,有效载荷也不同。军用火箭的有效载荷就是战斗部(弹头)。科学研究用的火箭的有效载荷是各种研究仪器。运载火箭的有效载荷则是人造卫星、载人和无人飞船或空间探测器等航天器。

  20世纪40年代以后,火箭得到了飞速发展和广泛应用。火箭的结构日益庞大,系统越来越复杂,精度不断提高。人造卫星运载火箭的重量已由早期的近10吨提高到2900多吨,运载低轨道卫星的能力也由几千克、几十千克提高到120多吨。火箭将进一步向可靠性高、经济性好和多次使用的方向发展。化学火箭仍将占有重要的地位,电火箭将进入实用,太阳能火箭和光子火箭也有可能取得新的进展。