漫谈火箭和卫星 pb05000831 陈伟

漫谈火箭和卫星漫谈火箭和卫星 pb05000831 pb05000831 陈伟陈伟

• 火箭和卫星的诞生• 火箭的原理• 卫星的原理• 中国的长征火箭• 中国的卫星• 神州飞船

古代的火箭古代的火箭 古代火箭主要被用作军事古代火箭主要被用作军事武器，据史书记载，宋神宗元武器，据史书记载，宋神宗元丰六年丰六年 (( 公元公元 10831083 年年 )) ，北宋，北宋抵抗西夏入侵时，一次就利用抵抗西夏入侵时，一次就利用火箭火箭 2525 万支。在万支。在 1212 ～～ 1616 世世纪的宋、元、明纪的宋、元、明 33 个朝代，我个朝代，我国古代火 箭在军事上得到广泛国古代火 箭在军事上得到广泛的应用。在众多史书记载的许的应用。在众多史书记载的许多火箭中，可以找到现代火箭多火箭中，可以找到现代火箭的各种雏型或胎坯：多级火箭的各种雏型或胎坯：多级火箭雏型“火龙出水”。龙身两侧雏型“火龙出水”。龙身两侧前后的前后的 44 支大火箭把火龙抬离支大火箭把火龙抬离水面并向前飞行，这时引燃龙水面并向前飞行，这时引燃龙腹内的众多小火箭飞向敌船。腹内的众多小火箭飞向敌船。

在公元第一个千年末，处在当时世界颠峰的我国科学技术，继续向前迈进。 宋太祖开宝三年，即公元 970 年，有个叫冯继升的人向皇帝献火箭，并在朝廷上做了表演，皇帝很高兴，奖给他许多衣物和布匹。

　　记载虽然很简略，但这应该是具有反作用动力因素的古代火箭诞生的时间。道理很简单，因为在箭杆上绑火的那种“火箭”，早在这以前 700 多年已经出现。关键是，那时已有反作用力火箭诞生的基础，黑色火药在唐朝时已得到完善。据考证，公元 850 年，我国已用黑色火药制造焰火。正因为如此，反作用力火箭雏型一诞生，便很快得到完善和发展。据《宋会要稿》记载，宋真宗咸丰三年 ( 公元 1000 年 ) ，神卫兵器军队长唐福，除向朝廷献火箭外，还有火毯、火蒺藜。

　　古代火箭具有现代火箭的基本结构，包括有效载荷 ( 箭头 ) 、箭体( 箭杆 ) 、发动机 ( 火药筒 ) 和控制系统 ( 起稳定作用的羽尾 ) 。

现代火箭的诞生现代火箭的诞生 俄国人康 · 爱 · 齐奥尔科夫斯基 (185

7 ～ 1935) ，是世界上公认的宇宙航行理论奠基人，在他的一生中，对宇宙航行的所有基本问题都从理论上进行了研究，并得出了正确的结论。

　　在宇宙航行动力方面，早在 1883 年，他就在《外层空间》一书中，发展了反作用推进理论，第一个从理论上证明，火箭能在空间真空环境工作。随后他又在 1903 年出版的《火箭进入宇宙空间》一书中指出，燃料烧完后的火箭质量 (Mo)越大，火箭的性能越好；发动机喷管排出的气体的速度 (W)越快，火箭的速度 (V)越高。由此，他提出了宇宙航行理论中最重要、最基本的公式，即火箭公式 V=WLn（Mo/Mk） ,式中 Mk为包括燃料在内的火箭质量。这个公式后来被称为齐奥尔科夫斯基公式。

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在火箭燃料方面，他指出固体燃料能量太低，固体燃料火箭不容易控制，作为宇宙航行动力的火箭，应使用液体燃料，它可以用汽车油门一样的东西来控制流量，也就是控制推力。最好的液体燃料是液氢和液氧。但当时的工业技术还无法制造液氢。齐奥尔科夫斯基就大胆地设想用煤油和液氧做火箭燃料。 通过计算，齐奥尔科夫斯基进一步指出，单级火箭能达到的最大速度为 9 千米 /秒，由于空气阻力等造成的速度损失，实际速度只有 7 千米 /秒，这还达不到克服地球

引力所需要的 7.9 千米 /秒的第一宇宙速度，更不用说摆脱地球引力和太阳引力的第二、第三宇宙速度了。这就得出了用多级火箭实现宇宙航行理想的结论。

除火箭外，齐奥尔科夫斯基还设想了其它许多克服地球引力的方式，如地球赤道上的 36000 千米登天塔和大气层外登天台等等。他还提出利用太阳光的光压来加速飞船的太阳帆的概念。

　　在载人航天方面，他指出行星际空间为真空区，载人航行必须携带空气，这样飞船上必须有密封座舱，座舱中的空气必须不断净化，才能提供新鲜空气，进而提出用动植物组成生物循环链的密闭生态系统；他指出，在宇宙飞船上会是失重状态，推论了不同质量的物体在失重状态下的运动规律；他提出建设空间站和轮胎形太空住宅的设想，并提出用自转来产生人工重力。　　齐奥尔科夫斯基的贡献是令人钦佩的。如果知道他是自幼两耳失聪的残疾人，则更加令人钦佩。他有坚强的意志和百折不回的精神，残疾障碍、幼年丧母、家庭穷困、世俗偏见、权威排斥、火灾无情等等都没有能把他压倒。他把自己的一生凝聚成 730 多篇论著，为宇宙航行打下了理论基础。

第一颗人造卫星第一颗人造卫星 世界上第一颗人造地球卫星是人造地球卫星 1号，是 1957 年 10月 4日发射的。它的本体是一只用铝合金做成的圆球，直径 58厘米，重 83．6 公斤。圆球外面附着 4根弹簧鞭状天线，其中一对长 240厘米，另一对长 290厘米。卫星内部装有两台无线电发射机棗频率分别为 20． 005及40． 002兆周，无线电发射机发出的信号，采用一般电报讯号的形式，每个信号持续时间约 0． 3秒，间歇时间与此相同。此外还安装有一台磁强计，一台辐射计数器，一些测量卫星内部温度和压力的感应元件及作为电源的化学电池。它在拜克努尔发射场由一支三级运载火箭发射。起飞以后几分钟，卫星从第三级火箭中弹出，达到第一宇宙速度（ 7． 9 公里／秒），进入环绕地球飞行的轨道。它距离地面最远时为 964． 1 公里，最近时为 228． 5 公里，轨道与地球赤道平面的夹角为 65度，以 96． 2分钟时间绕地球 1周，比原来预计的所需时间多 1分 20秒。在秋夜的晴空中，有时它象一颗星星在群星中移动，肉眼可以看到它。这颗卫星的运载火箭于 1957 年 12月 1日进入稠密大气层陨毁。卫星在天空中运行了 92天，绕地球约 1400圈，行程 6000 万公里，于 1958 年 1月 4日陨落。为了纪念人类进入宇宙空间的伟大时刻，苏联在莫斯科列宁山上建立了一座纪念碑，碑顶安置着这个人造天体的复制品。

火箭的原理

火箭的原理

现代火箭是指一种靠发动机喷射气体产生反作用力向前推进的飞

行器，是实现卫星上天和航天飞行的运载工具，故又称为运载火

箭。

火箭的工作原理就是动量守恒定律，当火箭推进剂燃烧时，从尾

部喷出的气体具有很大的动量，根据动量守恒定律，火箭就获得

等值反向的动量，因而发生连续的反冲现象，随着推进剂的消

耗，火箭质量不断减小，加速度不断增大，当推进剂燃尽时，火

箭即以获得的速度沿着预定的空间轨道飞行。

提高火箭速度有两个办法，一是提高气体的喷射速度，二是提

高质量比（火箭开始飞行时的质量与燃料燃尽时的质量之比），

而提高喷射速度的办法比提高质量比的办法更有效，但喷射速度

的提高也有一定的限度。因为要提高喷射速度，必须有高效能的

燃料，才能产生高温高压的气体，高速地从喷口喷出；同时还要

求制作燃烧室和喷口的材料能经受得住高温、高压和高速。现代

液体燃料的火箭喷射速度为2500m

/s

，气体的压强为4

个大气压，

温度已高达3000

℃左右。把喷气速度提高到4~

4.5km/s

就是很

高的技术水平了，要想把质量比提高到10

也是很难办到的，火箭

除了外壳、存贮燃料设备和燃烧室外还要有发动机、仪器、控制设

备和要运送的人造卫星、爆炸弹头等，燃料燃尽后，剩余的总质

量还是相当大的。如果质量比是6

，气体的喷射速度为2500m

/s

，

火箭的最大速度也不到4.5km

/s

，远小于第一宇宙速度

（7.9km/s

），更不用说脱离地球引力了，可见，单级火箭的最

终速度是有一定限制的，因此只有利用多级火箭才能较大的最终

速度。

火箭可应用在军用和民用两大方面，按不同的飞行任务，大致可分为三类：探空火箭，用于高空大气测量；弹导式导弹，是带战斗部的有控火箭；卫星（宇宙飞船）运载器，把卫星或飞船送上轨道。目前世界上最大的运载火箭是美国的“土星五号”，它的直径为 10m ，高 85m ，起飞时质量近 3000t ，第一级火箭装有五台发动机，推力超过 3000t ，点火后 150s 即可把 2000t 多吨液氧和煤油烧完；第二级火箭装有 450t 高能推进剂（液氧和液氢）推力 525；第三级火箭装有 106t推进剂，推力 100t ，“阿波罗”登月飞船就是由它运载并送入轨道的。

人造卫星的原理人造卫星的原理地球上的物体受地球的引力作用而被束缚在地球表面不能离去，当物体以很大的速度绕地球圆周运动时，需要很大的向心力，这个向心力也由万有引力提供，因而物体受到的得力会相应减小，当物体的速度达到一定的速度，物体就绕着地球运动而不会落到地面，成为人造地球卫星。若物体在地球表面，则运动半径即为地球半径 R ，则有： ，可得 =7.9km/s ，此速度称为第一宇宙速度，也叫环绕速度。

物体脱离地球引力进入围绕太阳的轨道需要的速度叫做第二宇宙速度，第二宇宙速度

=11.2km/s 。 物体如果进一步挣脱太阳引力的束缚，则需要更多的能量。挣脱太阳系而向太阳系以外的

宇宙空间去，必须具有的最小速度叫做第三宇宙速度 =16.7km/s 若物体在离地面高 h 处绕地球做圆周运动，则有

，可得 h越大， v越小；

，可得 h越大， ω越小； ，可得 h越大， T越大。

飞船和卫星的发射和回收过程中存在着绕地球做匀速圆轨道运行和以地球为一个焦点的椭圆轨道运行，如何用中学所学物理知识来分析飞船（卫星）沿轨道运动和变轨问题？要正确分析这类问题，就必须掌握卫星在不同轨道上运行时的受力与运动的关系。1 、飞船（卫星）绕地心做匀速圆周运动飞船绕地心做匀速圆周运动，地球对飞船的万有引力恰好提供飞船做圆周运动所需要的向心力，万有引力的方向与线速度方向垂直，若卫星的轨道平面在地球的赤道平面上且卫星做匀速圆周运动的周期与地球的自转周期相同，绕行方向与地球自转方向也相同（从地球上看是自西向东），则这种卫星就是地球同步卫星，它距地面的高度是一个定值。2 、飞船（卫星）绕地球在椭圆轨道上运行 飞船（卫星）绕地球在椭圆轨道上运行时，由开普勒第一定律可知，地球位于卫星椭圆轨道的一个焦点上飞船在轨道上的两个特殊位置 A 、 B（ A 为近地点， B 为远地点）所受万有引力的方向虽然与飞船线速度的方向垂直，但均不满足万有引力等于该点所需向心力的条件；飞船在椭圆轨道上的其它各个位置（如 C位置）所受的万有引力方向既不与线速度方向垂直，也不满足万有引力等于该点所需向心力的条件，故飞船在椭圆轨道上运行时线速度的大小和方向均不断发生变化。在近地点 A 处，由开普勒第二定律知，飞船的速度较大，地球对飞船的万有引力小于飞船做半径为 Ra 的圆周运动所需的向心力，故飞船做离心运动，轨迹是椭圆，随着到地心的距离增大，万有引力减小，飞船克服万有引力做功，引力势能增大，动能减小，速度减小。飞船由远点 B 向近地点 A运动时，地球对飞船的万有引力大于它绕地球做半径为 Rb 的圆周运动时所需向心力，飞船做向心运动。飞船运动到椭圆轨道上的一般位置（如C

处）时，所受万有引力的方向与速度方向不垂直，可将万有引力分解为沿速度方向的切向分力和垂直于速度方向上的法向分力，切向分力使飞船加速或减速，法向分力使飞船速度方向改变。

3 、飞船变轨当飞船沿椭 圆轨道运动到近地点 A 时，若飞船向前喷气而使其减速到绕地心做圆周运动所需的向心力刚好等于飞船在 A所受地球的万有引力，则飞船由椭圆轨道变为半径为 Ra 的圆轨道，反之，当飞船沿半 径为 Ra 的圆轨道运动到 A点时，若飞船向后喷气而使飞船加速，万有引力提供飞船绕地球做圆周运动的向心力不足，飞船将沿椭 圆轨道做离心运动，同理，当飞船沿椭 圆轨道运动到 B点时，若飞船向后喷气而使飞船加速到绕地心做圆周运动所需的向心力刚好等于在 B点时的万有引力时，飞船将由椭圆轨道变为以地心为圆心，以 Rb 为半径的圆轨道运动；反之，当飞船沿半 径为 Rb 的圆轨道运动到 B点时，若飞船向前喷气而使飞船减速，万有引力提供向心力有余，飞船将沿椭 圆轨道做向心运动。当飞船沿椭 圆轨道运动到 C点时，将此时速度分解为沿万有引力方向和垂直于万有引力方向两个分速度，若向前或向后喷气使与引力方向在同一直线方向的分速度恰好减为零，此时若垂直于引力方向的分速度恰好满足飞船绕地心做圆周运动所需的向心力等于飞船所受的万有引力，则飞船由椭圆轨道变为半径为 Rc 的圆轨道，反之，当飞船沿半 径为 Rc 的圆轨道运动到 C点时，若飞船向远离地球方向或向着地球方向喷气而获得沿半 径方向的分速度，则合速度方向不与万有引力方向垂直，飞船从圆轨道变为 C点的椭圆轨道。

中国的长征火箭中国的长征火箭中国现代火箭事业起步于 20 世纪 50 年代。 40 多年来，中国运载火箭技术研究院从仿制入手，在成功研制战略导弹的基础上，研制了长征一号、长征二号、长征三号三个系列八种运载火箭。火箭近地轨道运载能力从 300 公斤到 11000 公斤，最大可达 13600 公斤，同步转移轨道运载能力从 1500 公斤到 5000 公斤。

从 1970 年 4月至 1999 年 11月，中国运载火箭技术研究院研制的长

征系列运载火箭已进行了 59 次发射，成功的将 50颗国内外卫星送入轨道。除了满足国内用户的需要外，自 80 年代后期，已进入国际发射服务市场，先后为用户发射了 24颗外星，包括长征二号丙改火箭 5次发射，成功的将 2颗铱星拟星、 8颗铱星送入预定轨道，取得了显著的社会效益和经济效益。

长征系列运载火箭的技术性能和可靠性指标已达到当前国际的先进水平，今后还将不断提高和完善，更好地为和平利用空间事业作出应有的贡献。

长征火箭进入世界先进行列的重要标志，可以用 5 、 4 、 3 、 2 、 1

这样一组数字来概括：

1984 年长征三号运载火箭成功发射通信卫星，标志我国火箭技术已经跨入世界先进行列。据当时国外公开报道的资料看，我国成为世界上第五个具有独立研制和发射地球同步通信卫星能力的国家。发射 1.45吨重的通信卫星，从运载能力上讲居世界第四位。掌握并合使用低温高能推进剂 (液氢液氧 )居世界第三位。解决了发动机高空二次启动技术居世界第二位。发射商业卫星费用低廉，居世界第一位。

中国的卫星

中国的卫星

•

中国是第五个能独立发射卫星的国家。1970

年4

月24

日，

我国用自制“长征—

1”

运载火箭，在酒泉卫星发射中心，成

功地发射了第一颗人造地球卫星——

“

东方红”

1

号，它标

志着我国在征服太空的道路上迈出了巨大的一步，并跻身于

世界航天先进国家之林。

•

从1987

年开始，我国还用返回式卫星搭载水稻、小麦、

玉米、青椒、西红柿、黄瓜、西瓜等作物的种子，在太空经

受强辐射、高真空、失重和低温环境的洗礼，诱使它们的遗

传基因发生变异，然后在地面上种植。用这样的方式培育出

来的作物，生长快，长势好，对加快农业发展具有不可估量

的作用。

•

随着卫星技术的日新月异，卫星种类越来越多，令人眼花缭

乱，应接不暇。它们在宇宙“

公海”

里遨游“淘金”

，已为

人类带来了万贯财富，我们今日的生活，已经无法离开它。

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世纪发明的人造地球卫星，改变了人类社会的思维、工作

和生活方式，成为现代社会发展的巨大动力。

中国神州飞天六大步

第一步 “ 神舟一号”无人飞船于１９９９年１１月２０日早晨，在酒泉 卫星发射中心由“长征二号”运载火箭发射升空，第二天成功降落在内蒙古中部。这次是试验性太空飞行。

第二步 “ 神舟二号”无人飞船于２００１年１月１０日升空，于１月１６日成功降落。这次是按照载人飞船的要求进行的飞行试验。

第三步 “ 神舟三号”无人飞船于２００２年３月２５日夜升空，环绕地球运行１０８圈后，４月１日顺利降落。这次飞船上的应急救生系统已基本齐备。

第四步 “ 神舟四号”无人飞船于２００２年１２月３０日升空，于２００３年１月５日顺利返回地面。这次飞船里有两个穿宇航服的模拟人，是我国最后一艘无人试验的飞船。

2003 年 10月 16日晨，中国“神舟”五号载人飞船成功着陆，首位航天员杨利伟自主出舱。　中国首次载人航天飞行任务获得圆满成功。中国由此亦成为世界上继俄美之后第三个有能力将航天员送上太空的国家。

中国载人飞船神舟六号成功着陆于 17日凌晨 4 时半左右 在内蒙古自治区，两名航天员平安无事，中国第二次载人航天飞行成功。

人类探索外太空的脚步没有停止，各种新型的火箭和卫星正不断被发明和应用，愿人类在探索宇宙的道路上一路走好！

完