火箭发射技术研究进展论文

火箭的发射原理航空和航天航空和航天是当今人类认识和改造自然过程中最活跃，最有影响力，也最有发展前途的科学和技术领域，是人类文明高度发展的重要标志，也是衡量一个国家科学和技术水平，以及综合实力的重要标志。航空航空是指载人或不载人的飞行器在地球大气层中的航行活动。航空活动的范围主要限于离地面30公里的大气层内。在大气层中航行的飞行器（航空器），只要克服自身的重力就能升空。比空气轻的航空器，如气球、飞艇，用空气静力升空；比空气重的航空器，如飞机、直升机，则要利用空气动力才能升空，风筝也是利用空气动力升空的一种最原始的航空器。可见，航空离不开地球的大气圈，也摆脱不了地球的引力作用。航天航天是指载人或不载人的飞行器在太空的航行活动，也叫做空间飞行或宇宙航行。航天包括：环绕地球的运行、飞往月球或其它星球的航行（包括环绕某一天体运行、从其近旁飞过或在其上着陆）、行星际空间的航行及飞出太阳系的航行。可见，航天活动的范围要比航空活动的范围大得多。一类在太阳系内的航行活动叫做航天；一类，在太阳系以外的航行活动叫做航宇。航天不同于航空，航天要在极高真空的太空以类似于自然天体的运行规律飞行。因此，航天首先，必须有不依赖空气，且具有巨大推力的运载工具——火箭。火箭的概念和原理火箭是一种依靠火箭发动机喷射工作介质产生的反作用力推动前进的飞行器。火箭的飞行原理是它借助了物体的反作用力，就像一只充足气体的气球，当我们把它从手中放开后，气球内的气体便顺着气球的气嘴喷出，同时气球向前冲去。因自身携带氧化剂，用不着像飞机那样依靠大气中的氧，所以火箭可以飞出大气层，在真空条件下飞行。火箭的三大系统 运载火箭是将人造卫星、宇宙飞船、空间站和宇宙探测器等航天器送入太空的运载工具，是人类一切航天活动的基础。它主要包括三大系统：动力系统、结构系统和控制系统。 动力系统即火箭发动机系统，是火箭的动力装置，堪称火箭的心脏。它依靠推进剂在燃烧室内燃烧，形成高温高压燃气，通过喷管高速排出后产生反作用力推动火箭前进。火箭发动机按使用推进剂的类别分为液体火箭发动机、固体火箭发动机、固液混合式火箭发动机三种。 结构系统通常称为箭体结构，它是火箭的躯体，用于连接火箭所有结构部段，使之成为一整体，具有良好的空气动力外形和飞行性能。 控制系统是火箭的大脑和神经中枢。火箭发射后的级间分离、俯仰偏航、发动机关机与启动、轨道修正和星箭分离等一系列动作，都依靠控制系统完成。推进剂——发动机的“食粮”火箭发动机使用的燃料称为推进剂，堪称火箭发动机的“食粮”。目前，各国研制的运载火箭多使用化学燃料推进剂。化学燃料推进剂可根据物理形态分为液体推进剂和固体推进剂两类，根据性质可分为可贮存推进和低温推进剂。可贮存推进指在常温下可以长期在火箭推进剂贮箱中贮存的推进剂，如硝酸和煤油等。低温推进剂指在常温下沸点低的推进剂，如昭液氧、液氢等。随着航天技术的发展以及环保和人体健康要求的日益提高，火箭主发动机目前正朝着采用无毒、无污染的液氢、液氧和液氧、煤油推进剂的方向发展。固体火箭发动机固体火箭发动机是最简单的一种化学火箭发动机，它所携带的固体推进剂主要由燃料和氧化剂组成，通常制成具有一定几何形状的红柱，贮存在被叫做燃烧室的半封闭容器中（图）。为了点燃药柱，在燃烧室头部安装带有安全机构的点火装置，通电点火后，燃烧室中的药柱被点燃，并持续燃烧，产生高温、高压的燃气（工质），此时，固体推进剂的化学能转变为热能；燃气通过燃烧室尾部的拉瓦尔喷管以高速排出，从而产生推动火箭前进的推力，此时的热能转变为动能。与液体火箭发动机相比，固体火箭发动机由于不需推进剂输送系统，推力室无需强制冷却，因此结构简单，没有活门、喷注器、涡轮泵、燃气发生器等部件。由于这个特点，它的可靠性较高，操作简便。另外，固体发动机能够长期贮存。固体火箭发动机的缺点是：比推办较低，工作时间较短，不易调节推力和多次启动。 固体火箭发动机由药柱、燃烧室、喷管和点火装置等组成。固体推进剂常常被制成不同的形状，称为药柱，在推进剂相同的情况下，固体火箭发动机的推力由药柱的燃烧面决定。固体火箭发动机的喷管具有将推进剂放出的热能转换成推进用的动能的作用，因为它不像液体发动机那样采用冷却措施，所以一般采用合金钢或高温玻璃钢等抗高温材料制成，并采用烧蚀等技术进行保护。一台固体火箭发动机可以设计成一个喷管，也可以设计成几个。喷管有固定的，也有可动的，可动喷管可以绕发动机纵轴转动或摆动，实现对发动机推力方向的控制。 固体火箭发动机的工作过程比液体火箭发动机简单得多，点火时，先通电使电爆管爆炸，引燃点火药，点火药燃烧后点燃推进剂药柱。液体火箭发动机 液体火箭发动机是采用液体推进剂的一种化学火箭发动机，一般由推力室、液体推进剂贮箱、供应系统和控制系统组成。推力室是推进剂混合、燃烧并高速喷出产生推力的重要部件，由喷注器、熔炼室和喷管组成。推进剂燃烧时温度极高，极易烧穿燃烧室，因此必须进行冷却，冷却方法通常有再生冷却和同冷却两种。推进剂贮箱包括燃料贮箱和氧化剂贮箱。推进剂量测定供应系统由管路、活门以及高压气瓶、减压器，或涡轮泵组成。供应系统的作用是按要求的流量和压强向燃烧室供应推进剂。将高压气瓶的气体引入贮箱，使推进剂从贮箱送到各需要部分，这种系统大多用于大推力的发动机。图示出挤压式和泵压式两种液体火箭发动机的供应系统图。推进剂供应系统的目的是将推进剂从贮箱输送到推力室，包括涡轮泵、各种导管和活门。推进剂输送方式有两种，一种是挤压式，一种是泵压式。 挤压式是利用贮存在高压气瓶内的压缩气体，将推进剂从贮箱内挤压到燃烧室内。由于这种方式将使贮箱承受很大压力，需把贮箱制造得十分坚固，因此不利于减轻火箭的结构重量。 泵压式是用涡轮泵将推进剂送入燃烧室。这种方法可使推进剂贮箱的压力大大减轻，减少贮箱的壁厚尺寸，减轻结构重量。发动机控制系统的作用是控制发动机的启动、点火和关机等程序，控制推进剂的混合比例、推力的大小和方向等。固体与液体火箭发动机的利弊固体火箭发动机的优点是：结构简单；可靠性高；推进剂直接贮存在燃烧室中，可以做到常备不懈；反应速度快。其缺点是：比冲（单位质量推进剂产生的冲量）较低；起飞加速度大，工作时间短，不利于载入飞行。因此固体火箭发动机很适合用于导弹，满足反应快、作战迅速的要求。此外，可用作运载火箭的助推器，载入航天器的救生系统等。液体火箭发动机星使用液体推进剂的火箭发动机，具有推力大、工作时间长、推力易于调节和控制、易于启动和关机、可多次启动等优点。缺点是，需要推进剂增压输送系统、燃烧室和喷管冷却系统，因而结构复杂；推进剂不能在火箭中长期贮存，发射前操作较为复杂。 固液混合火箭发动机 由于液体火箭发动机和固体火箭发动机各有各的优缺点，所以科学家把它作结合起来，组成了固液混合式和液固混合式两种。液固混合式发动机是燃烧剂为液体，氧化剂为固体，而固液混合式发动机正好与它相反。从性能上说，固液混合火箭发动机的比推力高于固体火箭发动机，低于高能液体发动机，与可贮存的液体发动机相当。从系统和结构来说，这种火箭发动机的优点是简单紧凑，缺点是燃烧效率低，推进剂混合比不易控制，调节推力时能量损失较大。结构系统——火箭的躯体 火箭结构系统通常为系为箭体结构，大多是用金属板和加强件组成的硬壳、半硬壳式结构。材料多为比强度和比刚度较高，塑性范围较窄的铝合金，部分采用不锈钢、钛合金和非金属材料。 从火箭的头部向下数，多级液体火箭的箭体结构主要包括有效载荷整流罩、仪器舱、推进剂贮箱、箱间段、级间段、尾舱、尾翼。固体火箭的箭体结构与液体火箭的箭体结构基本相同，不同的是它比较简单，大部分为发动机外壳。位于运载火箭项端的有效载荷整流罩，有火箭的“皇冠”之称，它用于包容卫星、飞船、宇宙探测器等有效载荷，使它们免受火箭在大气层内飞行时产生的空气动力和空气动力加热的损害。火箭飞出大气层后，完成使命的有效载荷整流罩即被抛掉。 仪器舱一般位于有效载荷的下面，用于安装火箭飞行控制用的仪器和设备，仪器舱的壁板上经常开有舱口，便于安装仪器设备和对仪器设备进行检查测试。控制系统——火箭的大脑和神经中枢 控制系统是一个非常精密、复杂、而且非常重要的系统，它的一部分安装在火箭上，称为飞行控制系统，另一部分安装在地面，称为测试发射控制系统。其中，箭上部分包括导航系统、姿态控制系统，电源配电系统。导航系统是控制系统的核心，它的功能包括，当火箭达到要求的速度时，发出启动和关闭各级发动机的信号，使火箭沿预定轨道飞行；给各级火箭的执行机构提供各种指令信号，完成级间分离任务，测定火箭的实际位置，将其与预定飞行轨迹比较，若火箭偏离预定轨道，及时发出信号控制发动机摆动，保证火箭稳定飞行。姿态控制系统的功能是随时纠正飞箭中产生的俯仰、偏航和滚动误差，保持火箭以正确的姿态飞行。一旦出现误差，过去的方法是采用燃气舵，它是一种装在发动机喷管尾部的用石墨耐高温合金制成的类似于船舵一样的部件，经燃气冲击后可产生控制力矩，现已很少使用，目前大多采用由姿态控制系统利用伺服机构摇摆发动机进行校正的方法。 电源配电系统主要包括三种功能：一是向控制系统的各种仪器、推进系统的火工品、级间分离和星箭分离使用的火工器供电，二是按预定程序发出各种指令控制有关电路，三是与地面测试设备配合完成控制系统的测试。除了动力系统、结构系统和控制系统这三大系统外，火箭还包括分离系统、遥测和跟踪系统、自毁系统、方位瞄准系统，垂直度调整系统等。 我自己找的

一、迅速发展的中国运载火箭技术1956年10月8日，中国第一个火箭导弹研究机构——国防部第五研究院正式成立，这标志着中国航天事业从此拉开序幕。1970年4月24日，中国长征1号运载火箭在甘肃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”，迈出了中国发展航天技术的第一步，标志着中国已正式进入航天时代，并使中国成为世界第五个独立研制和发射卫星的国家。1981年9月20日，中国用风暴1号运载火箭同时将3颗卫星送入轨道，它使中国成为世界第三个实现一箭多星技术的国家。1984年4月8日，中国用新研制的长征3号火箭首次将东方红2号试验通讯卫星送入赤道上空静止轨道运行，中国由此成为世界第三个掌握氢氧发动机技术的国家和第五个独立发射地球静止轨道卫星的国家。1988年9月7日，中国长征4号甲运载火箭成功发射中国第一颗风云1号A气象卫星，它表明中国是世界第四个掌握发射太阳同步轨道卫星技术的国家和第三个拥有极轨气象卫星的国家。1990年4月7日，中国长征3号运载火箭成功地发射了美国制造的亚洲1号通信卫星，使中国成为世界上第三个进入国际卫星发射服务市场的国家。1999年5月10日，长征4号乙火箭首次发射获得成功，并把风云1号C气象卫星和实践5号科学实验卫星送入轨道，这也是长征系列火箭第65次飞行，总计发射卫星80颗，其中中国卫星51颗，外国卫星29颗。中国运载火箭的捆绑技术、氢氧发动机技术、一箭多星技术、发动机真空状态下二次点火技术等，使地球同步轨道运载能力从吨提高到5吨，低地球轨道运载能力从吨提高到吨，同时成功开发了用于近地点变轨的EPKM固体发动机和用于发射铱星的卫星分配器。长征火箭的最大运载能力与发射入轨精度已与美国、俄罗斯、欧空局的火箭相当。目前，中国长征系列运载火箭技术已处于国际先进水平。二、飞速发展的中国卫星技术自1968年2月20日中国空间技术研究院成立以来，中国的卫星技术也取得了飞速发展，研制成功了实验卫星、返回式遥感卫星、地球静止轨道通信卫星和气象卫星、太阳同步轨道气象卫星、地球资源卫星等，并在卫星返回、一箭多星、卫星通信、卫星遥感、卫星姿控、卫星热控、微重力试验和空间环境地面模拟试验等方面达到较高水平，其中有些项目已跨入世界先进行列。1984年4月8日，中国试验通信卫星发射成功，开创了中国卫星通信的新时代。目前中国已成功发射了5颗东方红2号系列通信卫星，承担着全国30路对外广播、中央电视台一、二套节目和8000路卫星电话的传输，使全国收看电视的人口覆盖率由30％提高到83％～84％。1997年5月12日，载有24个C波段转发器的中容量通信卫星“东方红3号”顺利入轨，它可同时转发6路彩色电视和近8000路双程电话，相当于6颗东方红2号甲卫星，能满足2000年甚至更长一段时间卫星通信的要求。1988年、1990年和1999年，中国先后发射了3颗风云1号极轨气象卫星，1997年发射了首颗风云2号静止轨道气象卫星，这不仅使中国成为世界第三个同时拥有两种气象卫星的国家，而且还大大加速了中国气象卫星的现代化，使其在天气预报、减灾等领域发挥了重要作用。1991年7月～8月，长江流域遭受特大洪涝灾害，要不要分洪是个重大决策问题，气象部门根据气象卫星的云图资料，及时、准确地判断出天气变化趋势，帮助政府作出了不分洪的决定，使40万人免离家园，4万公顷良田免遭水淹，仅此一项就减少损失6亿多元。1975年11月26日到1996年10月20日，中国共发射17颗返回式卫星，其中16颗安全回收。回收成功率达94％，这些返回式卫星是遥感技术卫星，它所获得的卫片具有比例尺较大、图像清晰、灰度等级较高、视野开阔、速度快、地面分辨率高等特点。因此，在国土资源普查、地质勘探、水利建设、地图测绘、环境监测、铁路选线、文物考古、城市规划等领域得到广泛应用。例如，在修建大秦铁路时，最初认为桑乾河是不可通行的地段，铁路需绕行40千米，还要占用数千亩良田，后对返回式遥感卫星的卫片研究后发现，桑乾河的地质条件可让铁路通过，这样就为国家节省了4亿多元的投资。1988年8月22日，中国空间技术研究院（CAST）和巴西空间研究院（INPE）在北京签订了关于联合研制中巴地球资源卫星的协议书，并于1999年10月14日用长征4号运载火箭成功地将中巴联合研制的首颗地球资源卫星送入预定轨道。地球资源卫星是一种利用星载遥感器获取地球表面图像数据，用以进行地球自然资源调查和生态环境监测的遥感卫星，具有视点高、视域广、数据获取快和可重复覆盖、连续观测等特点，可在国土整治、农林、水利、地矿、测绘、海洋和环境等方面大显神威。它的研制成功，标志着中国传输型遥感卫星研制已获得突破性进展，填补了中国没有自主的陆地资源遥感卫星的空白。三、中国已具备载人航天的基本条件1961年4月12日，苏联航天员加加林乘“东方1号”宇宙飞船进入太空，开创了载人航天之先河。载人航天是人类驾驶和乘坐载人航天器在太空中从事各种探测、研究、试验、生产和军事应用的往返飞行活动。其目的在于突破地球大气屏障和克服地球引力，把人类活动范围从陆地、海洋和大气层扩展到太空，更广泛深入地认识整个宇宙。并充分利用太空和载人航天器的特殊环境进行各种研究和试验活动，开发太空极其丰富的资源。截止到1998年底，全世界共进行了216次载人航天飞行，其中美国124次，苏（俄）92次，共有795人次上天，开展了前所未有的空间实验活动。40多年来，中国一代代航天人以“两弹一星”精神创造了一个个奇迹，如今在运载器、测控、发射场和返回式航天器等方面已跨入世界先进行列。这一切，都为中国载人航天的发展奠定了坚实的基础。首先，中国目前已拥有发射载人航天飞船的运载工具。前苏联和美国第一代载人飞船东方号和水星号重量分别是吨和吨；第二代飞船联盟号和双子星座号的重量分别为吨和吨，而中国现有的长征2号E运载火箭的发射能力，已能把吨有效载荷送入近地轨道，上述苏（俄）、美两代载人航天飞船均可被它发射入轨。其次，中国研究空间航天器的生命保障系统已有20多年历史。早在1964年，中科院生物物理研究所就进行了航天生物学、医学试验。1990年10月，中国首次载有高等动物的科学试验卫星在太空运行8天后安全返回地面，搭载的有小白鼠、果蝇、蚕卵和植物种子等生命体。试验显示：中国航天器生命保障系统的设计是成功可靠的。第三，中国已成功地进行了不载人飞船的发射试验。1999年11月20日6时30分，中国第一艘不载人试验飞船“神舟”号在酒泉卫星发射中心用新型长征运载火箭发射升空，并于21日3时41分在内蒙古中部地区成功着陆。“神舟”号试验飞船的成功发射与回收，标志着中国载人航天技术又有新的重大突破。此外，中国目前有两名航天员被派往俄罗斯接受培训，还有一批航天员在国内太空人培训基地接受训练。总之，中国已具备了载人航天的基本条件，中国的载人航天已万事俱备、呼之欲出

利用动量守恒定律。火箭在飞行时，燃料和氧化剂在燃烧室中燃烧，背着飞行方向不断地喷出大量速度很大的气体，使火箭在飞行方向上获取很大的动量，从而获得巨大的前进速度。如果飞行的宇宙飞船减速或着陆时，则向其前方喷气使其减速。它不依靠空气的作用，所以可以在空气稀薄的高空或宇宙空间飞行。在现实生活中，我们经常会看到这样的现象，一个充足气的气球拿在手上，突然放手时气体会从气球中喷出来，这时气球就向着相反的方向飞出去，这种运动遵循动量守恒定律，在物理上我们称作为反冲。随着科技的不断发展，科学家们已经发明制造了各种型号的火箭，这些火箭内部构造互不相同而且都相当复杂。