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General Knowledge Lecture of Science

General Knowledge Lecture of Science. 通識 科學 講座. Rocket Science & Satellite Technology 火箭科學 與 衞星技術. Speaker : Alta Y. N. C HOI 主講 : 蔡玉寧 先生. 國立荷蘭科技大學 航天 工程師 Delft University of Technology Aerospace Engineer. 日期 ： 15- July – 200 8 地 點 ：生產力促進局大 禮堂

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Presentation Transcript

  1. General Knowledge Lecture of Science 通識 科學 講座 Rocket Science & Satellite Technology 火箭科學 與衞星技術 Speaker : Alta Y. N. CHOI 主講 : 蔡玉寧 先生 國立荷蘭科技大學航天 工程師 Delft University of Technology Aerospace Engineer 日期：15- July–2008 地點 ：生產力促進局大 禮堂 Venue : Hong Kong Productivity Council Exhibition Hall

  2. Ancient Chinese Rocket中國古代火箭 Modern Rocket現代 火箭

  3. Pioneer in Rocket Development火箭發展的先驅 K.E. Tsiolkowsky (1857-1935, Russia) -1903年提出 將火箭運用于太空飛行 -提出 Tsiolkowsky方程式V = Vf - Vi =…= Ispgoln - 今天我們還是利用這方程式來計算 火箭功率(Isp) R.H. Goddard (1882-1945, USA) - 1926年 成功設計世界首枚液體燃料火箭 - 提出運用火箭進行探月飛行 計劃Link H.J. Oberth (1894 - 1989, Aus.Hon., German, Romania) -20年代進行 太空飛行理論研究 和 火箭設計 -1927 年創立航天學會 開展 火箭研製工作和培養火箭人材 W. von Braun (1912-1977, German) - 成功設計出 V-2火箭 ，成爲 火箭專家 的代表人物 -V-2是第一枚 真正大型 火箭，也是日後大型火箭的模範

  4. The first real RocketV-2第一枚真正的火箭 彈頭 導航系統 酒精/水(3:1) 混合 燃料箱 液體氧 燃料泵 燃燒室

  5. Saturn V Rocket(農神5号 火箭)

  6. Delta Series Rocket三角洲 火箭 系列

  7. RussianRocket俄羅斯 火箭 Soyuz Proton

  8. Ariane Series(歐洲 亞利安 火箭) Kick Booster Payload L H2 L O2 Booster L H2

  9. Series of Long March Rocket長征 火箭 系列 長征-3A 長征-2F

  10. 長征(CF) –2F 長征(CF)- 3A

  11. 長征(CF) - 2F 長征(CF) -3A

  12. Japanese Rocket (H) Series日本火箭(H II)系列 H-IIA H-IIA H-II H-IIA H-IIB

  13. Rocket Performance in Different Country各國 火箭 性能 比較 Delta Ariane Soyuz Long March H-series (1.68%) (0.80%) (0.45%) (0.75%) (1.28%)

  14. The Launch of CZ-3Awith CI-1長征 3甲火箭 載著 嫦娥 1 号 探測船 發射

  15. From Launch base intoOrbit從 發射升空 至 進入軌道 第3節 點火 第3節 熄火 (15s) 第2節 熄火 巡航軌道 (6.6m) (9.8 min) 衞星 運行軌道 第1節 熄火 第2節 點火 (2.5m) 第1節 下墜點 第2節 下墜線 第1節 點火 發射

  16. Effect of Earth Rotation & Gravitational Field地球 自轉 與 重力場 對 飛行軌道 的影響 水平飛行 進入軌道 火箭 爬升 過程的 軌道偏移 動力轉向 引致軌道偏移 重力場引致軌道偏移 地球自轉引致軌道偏移 ω(360o/24hr) 垂直發射

  17. Controlling of Rocket Engine 火箭引擎 的控制 • Tilt the whole engine轉動 整個 引擎 油壓筒

  18. Controlling of Rocket Engine火箭引擎的控制 2. Generating one side stall產生 單邊 失速 不對稱噴射流 衝擊波 液壓氣 噴注孔

  19. Launching of Satellite in Geostationary Orbit發射衛星 至 地球 同步軌道 地球同步軌道(35,786 km) 地球同步轉移軌道 (停泊軌道) (200km)

  20. Kick Booster助推器

  21. Launch Bases in China中國 火箭 發射場 北京(飛行控制中心) 太原(38°50'N) 酒泉(38o43’N) 海南(19o19’N) 西昌(28o12’N)

  22. Change of Orbit in Space太空 變軌 赤道 平面

  23. Change of Orbit of Chang’E-1in Space 「嫦娥 1 號」太空 變軌 飛 行

  24. Change of Orbit of Chang’E-1in Space 「嫦娥一號」太空 變軌 飛 行 LaGrangian point 拉格朗日點

  25. Change of Orbit of Kaguyain Space「月亮女神」變軌圖

  26. Classification of Rocket火箭 分類 1 Chemical Propulsion System化學燃料 推進系統 i) Solid-fuel Rocket固體燃料 火箭(Isp~250秒) ii) Liquid-fuel Rocket液體燃料 火箭(Isp~450秒) iii) Hybrid-fuel Rocket混合燃料 火箭 2 Electrical Propulsion System電力 推進系統 i) Electronic Power Rocket電子力 火箭(Isp=700-1000秒) ii) Ionian Power Rocket離子力 火箭(Isp=8500-20,000秒) iii) Plasma Power Rocket等離子力 火箭(Isp=5,000-25,000秒) 3 Thermal-Nuclear Pro. Sys.熱核燃料推進系統(Isp~850秒) 4 Photonic Propulsion System光子推進系統(光子力 火箭)

  27. Solar Sail of NASA 光子力火箭(太陽帆)

  28. Solid Rocket-propellant固體燃料推進劑

  29. Working Principal of Solid Rocket Engine固體火箭引擎運作模式 推力

  30. Possible Forms of Loading Solid Rocket-propellant裝載 固體燃料 推進劑 的可行性方法 1. Gradually accelerate to maximum speed 1. 由慢到快到極速 推力 點火器 引擎外殼 時間 管形 固體燃料 推力 耐熱物料 噴嘴 十字形 時間

  31. Possible Forms of Loading Solid Rocket-propellant裝載 固體燃料 推進劑 的可行性方法 2. Instantly to maximum speed then gradually decelerate 2. 立卽至 極速 然後 減慢 推力 點火器 引擎外殼 時間 星形 固體燃料 推力 耐熱物料 噴嘴 双勾形 時間

  32. Liquid Rocket Propellant 液體 燃料推進劑

  33. Working Principal of Liquid Rocket Engine液體火箭引擎運作模式 推力

  34. Liquid Rocket Engine液體火箭引擎

  35. Transporting of liquid fuel液體燃料之傳輸過程 Hydrogen 氫氣(-253oC, 67kg/s, 0,2 MPa) Oxygen 氧氣 (-162oC,400kg/s, 0,7 MPa) 加壓 (36 MPa)升温(1,088 oC) 加壓 (35 MPa)升温(1,233oC) Exhaust (排氣) (467 kg/s)

  36. Comparison Between Solid-fuel and Liquid-fuel固體燃料 與 液體燃料 之比較 Solid fuel固體燃料 1.可在室溫下儲存 2.易起動 3.性能較底 (比衝值Isp~250秒) 4. 主要用在軍事上 (洲際彈道導彈、防空導彈 、空對空導彈、助推器…等) 5. 引擎燃燒室和噴財筒必須十分堅固, 以耐極高溫和高壓 6. 不需要燃料輸送系統 7. 點燃後無法熄滅，直至燃盡 8. 易操作，少維修。 Liquid fuel液體燃料 - 不能在室溫下儲存 (聯胺除外) - 較難起動，需多些時間準備 - 性能較高 (比衝值 Isp~450秒) - 主要在商用、衛星軌道或姿態修正 (亞利安火箭、長征火箭、三角洲火箭，日本H2火箭…等) -較輕薄 ，因可用自身燃料冷却 - 需要燃料傳輸系統 ，以致結構複雜，重量增加。 - 可控制燃燒過程 ，作多次起動。 - 難操作，常維修。

  37. Satellite Science and it’s Related Technology衛星科學 及其 相關技術

  38. Development of Satellite 人造衛星的發展 1945- 英國亞瑟·克拉克(Sir Arthur C. Clark) - 提出利用地球同步衛星進行遠程通訊 1957- 蘇聯成功發射了第一顆人造衛星(Sputnik 1) - 揭開了人類航天的序幕，開始人類探索宇宙的新紀元。Link 1958- 美國成功發射第一顆人造衛星探險家1 號(Explorer 1) - 發現地球周圍的范.愛倫輻射帶(Van Allen Belts) - 太空科技競賽就這麼開始。 1970 -中國第一顆自行研製的人造衛星 東方紅 1號在酒泉 衛星發射中心升空，中國從此進入太空時代。Link 2007 - 中國發射第一顆探月衛星嫦娥一號， 成功進入繞月軌 道 -嫦娥一號成為中國第一顆衝出地球的繞月衛星。Link

  39. Satellite Anatomy衞星解構圖

  40. Classification of Satellite人造衛星的種類 按用途區分： 1. 科學衛星– 用於科學研究和探測；研究高層大氣、地球物理、宇宙射線、太陽粒子輻射等，並可觀測其他星體。如 哈勃Hubble太空望遠鏡Link 2.技術試驗衛星- 進行新技術試驗 或 為應用衛星進行測試。新材料、儀器必須在太空上進行試驗，成功後才能應用。幫助科學家在太空中做許多地面不能做的實驗。 3. 應用衛星– 直接為人類服務的衛星。它的種類最多，數量最大，其中包括；通信衛星，氣象衛星，偵察衛星，導航衛星，地球觀測衛星，資源勘探衛星，截擊衛星 等等。Link

  41. Satellite Orbit 衛星運行的軌道 以高度區分 ： 1.近地軌道(160- 2,000 km)Low Earth Orbit(LEO) - Parking Orbit (200km), Polar Orbit (500-1,000km) 2.中地球軌道(2,000- 35,786 km) Medium Earth Orbit (MEO) or Intermediate Circular Orbit (ICO) - 太陽同步軌道Sun-synchronous Orbit (>6,000km) 3.高地球軌道(~ 35,786 km)High Earth Orbit(HEO) - 地球同步軌道Geosynchronous Orbit (GSO) - 地球靜止軌道Geostationary Earth Orbit (GEO)

  42. Satellite Mostly Used Orbit衛星最常運行的軌道 1. 地球同步軌道Geostationary Earth Orbit (GEO) 2.極地軌道Polar Orbit 3.太陽同步軌道Sun-synchronous Orbit (SSO) Link

  43. 衛星最常運行的軌道 1. 地球同步軌道Geostationary Earth Orbit (GEO) i) 衛星運行方向與地球自轉方向相同(由西向東) ii) 軌道傾角Inclination為0° (赤道上空) iii) 軌道偏心率Eccentricity為0，即圓形軌道 Cir. Orbit iv) 軌道周期與地球自轉周期 Period (360o/24hrs)相等 v) 軌道離地面高度為35,786公里 2.極地軌道Polar Orbit i) 軌道繞過兩極，傾角Inclination為90° ii) 軌道飛經地球任何地區上空 iii) 經常為地球測繪衛星、偵察衛星、氣象衛星所採用 iv) 缺點是，不能對地球上某一點進行持續觀測 3.太陽同步軌道Sun-synchronous Orbit (SSO) i) 軌道平面每天向地球公轉方向轉動0.9856度(即360o/年)

  44. 發射衛星 進入軌道所需的速度 宇宙速度The Cosmic Velocity - 衛星 或太空船從地面發射，在星球的重力場牽引下運動的其中 4 個較有代表性的初始速度 Initial Velocity的統稱。 衛星 或太空船按其任務的不同，需要達到 這4 個 宇宙速度 的其中一個，才能進入預定軌道，正常運作。

  45. The Cosmic Velocity宇宙速度 - 第 1 宇宙速度First Cosmic Velocity (7.8 km/s), 又稱環繞速度 Circular Velocity。 衛星或太空船 環繞地球飛行所需要的 最低速度 - 第 2宇宙速度Second Cosmic Velocity (11.2 km/s) 又稱脫離速度Break Away Velocity。 擺脫地球引力束縛，飛離地球所需要的最低速度 - 第 3宇宙速度Third Cosmic Velocity (16.7 km/s) 又稱逃逸速度Escape Velocity。 擺脫太陽引力束縛，飛出太陽系所需要的最低速度 - 第 4宇宙速度Fourth Cosmic Velocity (~115 km/s) 擺脫銀河系引力束縛，飛出銀河系所需的最低速度

  46. End of seminarThanks for your attention講座完畢 謝謝各位 Acknowledgement 特別鳴謝 Dr. Philip Leung 梁文威博士 Mr. Louis Lai 賴智堅先生 For the Arrangement of this lecture and Consultant of lecture material 為本講座所作之 安排 和 內容指導

  47. Mr. Man Wu 萬户The first Astronaut in human history人類有史以來第一位太空人

  48. Space Craft of Man Wu 萬戶的太空船

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