漫谈火箭和卫星 pb05000831 陈伟

1. 漫谈火箭和卫星pb05000831 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

2. 古代的火箭 古代火箭主要被用作军事武器，据史书记载，宋神宗元丰六年(公元1083年)，北宋抵抗西夏入侵时，一次就利用火箭25万支。在12～16世纪的宋、元、明3个朝代，我国古代火 箭在军事上得到广泛的应用。在众多史书记载的许多火箭中，可以找到现代火箭的各种雏型或胎坯：多级火箭雏型“火龙出水”。龙身两侧前后的4支大火箭把火龙抬离水面并向前飞行，这时引燃龙腹内的众多小火箭飞向敌船。

4. 俄国人康·爱·齐奥尔科夫斯基(1857～1935)，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。俄国人康·爱·齐奥尔科夫斯基(1857～1935)，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。 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。 现代火箭的诞生

6. 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。

7. 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。 火箭的原理

9. 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。

12. 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。

13. 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。20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。 中国的卫星