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火箭

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军用攻击多管火箭炮
军用攻击多管火箭炮

火箭或称喷进器,是一种利用排出物质以制造反作用力而前进的载具,因火箭机构最早用于发射箭矢上,因此在中文称为火箭。另外古代将箭头附上可燃物质并点火的箭矢也叫火箭,但不在本篇的讨论范围内。

历史

起源

明代的群射火箭
明代的群射火箭

最早的火箭的记载出于中国宋代,[1]所以中国被公认是火箭之祖,但其不一定具军事的价值,通常只限于娱乐用途,例如放烟花。最迟到明代有军用的火箭问世,作为武器的火箭相对大炮主要优点是发射设备轻巧,但因为精密度较同期的大炮低,而没有被广泛应用。

18世纪,印度在对抗英国法国军队的多次战争中,曾大量使用火箭,获取良好的战果,也因此带动欧洲火箭技术的发展。

之后又发展出精密的导引与控制系统,而成为射程远、命中率高的武器系统-导弹

在现代多次实战中,火箭展现出野战机动性、射程远、射速快、火力强、高震撼力与高命中率等特性,奠定其在军事武器发展史上的地位。

理论发展

20世纪初,关于星际旅行的科学调查蔚然成风,这很大程度上是由诸如凡尔纳威尔斯等科幻作者的神奇想象力激发。科学界在火箭技术上的发展让这一目标渐渐成为现实。

1903年,高中数学老师齐奥尔科夫斯基发表了《利用反作用力设施探索宇宙空间》,这是第一部关于使用火箭进行空间旅行的严谨论文。火箭推进计算公式以他的名字命名,他第一个提出使用液氢和液氧作为火箭推进剂,并计算出这类火箭的最大排气速度。他的工作在苏联以外默默无闻,但是在苏联国内,他的工作为后续的研究实验打下了基础,并促成了1924年宇航学会(Society for Studies of Interplanetary Travel)的成立。

1912年,埃斯诺·佩尔特里(Robert Esnault-Pelterie)发表了关于火箭理论和星际旅行的演讲。他独立推导出了齐奥尔科夫斯基火箭推进公式,计算出了往返月球和其他行星所需基本能量,提出了使用原子能(如,)进行火箭喷射驱动。

1912年,罗伯特·戈达德,在威尔斯早期工作的启发下,开始了一系列的火箭研究,包括固体燃料火箭需要在三个方面改进。首先,燃料应该在一个小燃烧室燃烧而不是建造整体的的推进剂容器,以承受高压;然后,火箭可以分为多级;最后,使用拉伐尔喷管(De Laval nozzle)可以使排气速度超过音速,他在1914年为这些发现申请了专利。他还独立发展了火箭飞行数学理论。

1920年,戈达德在《A Method of Reaching Extreme Altitudes》中将研究成果公布,其中关于将固体燃料火箭送上月球的内容引起了世界范围内的关注,褒贬不一。纽约时代周刊写到:

——时代周刊, 1920.01.23

推进技术

火箭推进是一种精密的结构,它的原理主要是力学热力学,以及其它有关科学之运用,诸如电学等。火箭跟一般的飞机主要的不同点在于:飞机只能在大气层内飞翔,但是火箭可以在外层空间工作,因为它不需要利用外界空气便能够燃烧推进。

火箭发动机
火箭发动机

火箭推力的获得,乃由高速喷出物反作用而生成。其原理与用水管喷水时水管会向后退,以及枪向后座的原理一样。

火箭的燃料经过燃烧室燃烧以后,在燃烧室里产生高温高压气体,燃烧室与外界的压力差是火箭的动力来源。之后气体将经过一个喷嘴加速,排出到外界,推动火箭向前飞行。

火箭发动机

固态火箭与液态火箭便是现今比较常用的火箭。此外,还有混合火箭---就是用固体的燃料而用液体的氧化剂。另外,值得一提的是,现今运载火箭大多包含了液态火箭跟固态火箭,也就是说,一个火箭可能第一节是固态的而第二节却是液态的。

至今只有化学火箭和离子火箭被实用化。

现代火箭

罗伯特‧高达德和第一枚液态火箭
罗伯特‧高达德和第一枚液态火箭
多节式火箭
多节式火箭

现代火箭诞生自罗伯特·戈达德将超音速喷管(拉伐尔喷管)装上液态燃料火箭引擎燃烧室。这种喷嘴将燃烧室中的热气体转成较冷的极超音速喷射气体,使推进力增加超过两倍且巨幅地增加了效率;在此之前,早期的火箭因为热能随气体排放被浪费掉了而相当的没效率。在1920年,戈达德出版了《A Method Of Reaching Exreme Altitudes》,这是在齐奥尔科夫斯基之后第一本认真谈论使用火箭在空间旅行的著作。这本书引起了全世界的注意,也同时获得赞赏与嘲笑,特别是在认为火箭理论上可以到达月球的方面。纽约时报的社论甚至指控戈达德欺骗世人,认为火箭在空间中不可能运作。

在1923年,赫尔曼·奥伯特(1894-1989)在慕尼黑大学拒绝了他的博士论文后,将其一个版本出版成为《飞向行星空间的火箭》(德文:Die Rakete zu den Planetenräumen)

在1926年3月16日,罗伯特·戈达德美国麻塞诸塞州奥本镇发射了世界第一枚液态燃料火箭

在1920年代之间,美国奥地利英国捷克斯洛伐克法国意大利德国俄罗斯 相继出现研究火箭的组织。1920年代中期,德国科学家开始实验能到达高空及长距离的液态推进火箭。一群业余火箭工程师在1927年组成空间旅行学会(德文:Verein für Raumschiffahrt, VfR),而在1931年发射了一枚液态推进火箭(使用氧气汽油

从1931年自1937年为止,最大规模的火箭引擎设计发生在列宁格勒的气体动力实验室。在充足的资金与良好的人员经营下,超过100枚实验性火箭在Valentin Glushko的领导下被制造出来。这项工程包括了再生冷却、自燃点火以及包括旋转及双基混合推进设计(swirling and bi-propellant mixing injectors)的喷油器。然而,这项工程却由于1938年斯大林大清洗使Glushko被逮捕而遭到缩减。同时间奥地利教授Eugen Sänger也进行了相似但较小规模的工作。

在1932年,威玛防卫军(1935年后改称德意志国防军)开始对火箭技术感兴趣。由于凡尔赛条约火炮禁令限制德国取得长程武器,当德国防卫军看到了使用火箭做为长程火炮的可能性后,一开始资助了德国火箭学会,但发现他们的目标纯粹只限于科学后,便创建了属于防卫军所有、以赫尔曼·奥伯特为领导的研究团队。在军队领导人的命令下,当时有强烈抱负理想的年轻火箭科学家沃纳·冯·布劳恩与两位前火箭学会的成员加入了军队,发展纳粹德国用于二次大战长程武器,尤其是后来声名大躁的V2火箭(一开始称为A4)的前身A系列火箭。

1943开始,V2火箭开始制造。V2火箭拥有300公里的作战距离以及搭载1000公斤阿玛图炸药弹头。此载具与大部分现代火箭只有极少数不同,有涡轮泵、惯性导引装置及其它许多特性。虽然它们无法被拦截,但它们的导引系统设计及单传统弹头意味了V2火箭无法准确地描准军事目标。数以千计的V2火箭射向盟军国,其中大部分是英国,以及比利时法国,在发射作战结束前,共有2,754人在英国因而死亡,还有6,523人受伤。虽然V2火箭并没有明显地影响战争的发展,但它展示了导引火箭作为武器的潜力。当时,英国伦敦受到攻击,人心惶惶,英国政府马上派人研究,发现火箭攻击的分布为泊松分布(Poisson Distribution),也就是几率分布(random distribution)。

二战结束时,俄罗斯英国及美国军事及科学人员竞相从佩内明德的德国火箭计划获取火箭技术及训练有素的人员。俄国与英国获得了一些成果,但美国却从中获益最多。美国获得了大批德国火箭科学家(其中大部分为纳粹党员,包括冯·布劳恩在内),将他们带回美国做为回纹针行动中一部分成员。原本设计来攻击于英国的相同火箭被这群科学家们用做发展新技术的载具。V2火箭演变成美国红石导弹(Redstone rocket),用于早期空间任务。

战后,火箭被用做研究高海拔环境,无线电遥测温度及气压、侦测宇宙射线及其它研究。这些研究在沃纳·冯·布劳恩及其它人之下持续进行。

另外一方面,苏联的火箭研究在科罗廖夫的领导下进行中。从来自德国技术人员的协助,V2火箭被复制及改进成为R-1、R-2及R-5导弹。原德国的设计在1940晚期被放弃,而这些德国工作人员被遣送回国。由Glushko建造的新系列引擎及基于Aleksei Isaev的发明形成了最初的洲际导弹R-7弹道导弹。R-7发射了第一颗卫星、第一个空间人及第一个月球探测器及行星际探测器,直到今天还在使用。这些事件吸引了高层政治人物的注意力,投注更多经费于研究中。

当大众了解到火箭变成核子武器的发射平台,而搭载这些武器的火箭载具基本上在发射后就无法防御后,火箭以洲际导弹的形式在军事上变得极端重要。

由于冷战,1960年代形成了火箭科技极速发展的时代,包括苏联东方号联合号质子号)及美国(X-20飞行器、双子星号),以及其他国家的研究如中国英国日本澳大利亚等等。最终导致了60年代末期的土星5号载人登陆月球,使纽约时报收回以前认为空间任务不可能成功的社论。

载运载人宇宙飞船的火箭,从左到右分别为:苏联联盟号运载火箭、美国航天飞机、苏联能源号运载火箭与暴风雪号航天飞机。
载运载人宇宙飞船的火箭,从左到右分别为:苏联联盟号运载火箭美国航天飞机苏联能源号运载火箭暴风雪号航天飞机

法规

国际法规定,发射载具的拥有者的国籍决定了那个国家必须为任何造成的损害负责。因此有些国家要求火箭制造者及发射者遵循特定法令去补偿及保护人员及财产可能受到的影响。

在美国,任何非归类为业余,也非政府相关的火箭必须由位于华盛顿特区美国联邦航空总署商业空间运输办公室(FAA/AST)批准。

火箭意外

由于所有的火箭燃料都具有强大的化学能量(单位重量的能量比炸药少,但比汽油多),因此有可能发生意外。虽然一般对于火箭安全都会特别注意,使因火箭意外丧生或受伤的人数通常比较少,但这样的记录也称不上完美。

相关电影

韩国电影神机箭声称古代朝鲜已经有制造弹弓和石头的技术并且运用于军事上成功击败当时入侵朝鲜半岛的明军(事件为虚构)。不过由于电影题材被学界认为是虚构,因此并不能说明当时朝鲜半岛已经具备了生产火箭的技术。

业余火箭的概念

模型火箭
模型火箭

所谓业余火箭,是指主要利用非政府、非商业资金或条件设计和制造的火箭,其设计、制造、发射等活动服务于科技爱好者及其组织,而非政府、军事或商业用途。火箭是指以飞行、运送载荷或提供推力为主要目地的,自带推进剂的喷气推进装置。火箭模型通常不属于火箭,而是某种非火箭物体,因为它们的目地是模仿外观、结构,而不主要是飞行或运送载荷。

模型火箭,是指为了逼真的重现某种火箭的外观、发射场景等目的,效仿重现对象的形状、结构、外观,以一定的比例尺缩放后制作的具备发射功能的火箭。火箭模型,是指为了逼真的重现某种火箭的外观、内部结构,效仿重现对象的形状、结构、外观,以一定比例尺缩放后制作的没有发射功能的物体;或因科研等目的,为风洞试验等制作的设计模样。业余火箭活动、业余火箭制作等,属于科技爱好,是科技爱好者围绕火箭研究及其应用而展开的研究、开发、制造、测试等一系列活动的总称。

模型火箭活动有时可能属于科技爱好的范畴,但是更多的属于文娱表演、演示的范畴。模型火箭制作,是生产模型火箭的过程。

火箭模型通常用于展示或者教育目的。例如,学校里面为学生讲解火箭结构,有时需要用到火箭模型,这种火箭模型内部包含了按一定比例尺缩小的内部结构,如燃烧室、、电控部分等的模型。火箭模型制作,通常是生产火箭模型的过程,也可能是火箭爱好者的一种缩微仿制或缩样设计过程。

竞技火箭,是指专为火箭比赛而制作的火箭。一般比赛中,竞技者通过合理设计火箭的结构和外形(不包含发动机及燃料),在相同的发动机条件下,就火箭的飞行高度、载荷质量或特定条件(如采用降落伞)下的滞空时间展开竞技,以飞行高度高或者滞空时间长,载荷重者为胜。竞技火箭活动属于科技爱好,往往也属于业余火箭的范畴。但是,关于仿真或逼真程度的竞赛,不属于科技爱好。

前景

  • 核火箭发动机(参见核能
  • 激光脉冲火箭发动机(参见激光
  • 反物质火箭发动机(参见反物质
  • 星际空间气体冲压火箭发动机(参见星际物质

核热火箭激光脉冲式火箭,正在做样板实验,反物质火箭和星际气体冲压火箭更只在理论上探索。

注释

  1. ^ “火箭”一词最早见于《三国志·魏明帝纪》裴松之注引的《魏略》。魏太和二年(228年),蜀国诸葛亮出兵攻打陈仓,魏守将郝昭“以火箭逆射其云梯,梯然,梯上人皆烧死”。据《宋史》载,开宝三年(970年),冯继升向宋朝政府献上了做火箭的方法。《武经总要》正式列载了火箭的形制,有绘图,这是世界上最早的火箭图。

外部链接

用鼠标点点火箭*https://www.khanacademy.org/computer-programming/spin-off-of-gravityv3/5939577381912576

参见

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火箭
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