研究性课题水火箭论文

动量定理 动能 流体运动 反冲原理

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一．背景和意义： 宇宙 ，一个陌生而熟悉的名词。陌生，因为它深不可测，致使地球上最先进的科技也只能探索其渺小的一小部分空间；熟悉，宇宙就是我们的家，我们就生活在宇宙中。出于陌生，全球各国对宇宙的探索日益增多。比如我国，自1956年把开发火箭技术纳入国家12年科学发展远景规划后，往后几十年结出了无数的累累硕果；1960年成功发射第一枚探空火箭和第一枚自制运载火箭；1965年制订了研究和发射人造地球卫星的空间计划；1970年第一颗人造卫星“东方红一号”发射成功，成为世界第五个有能力用自制的运载火箭 ，发射本国自行研制的人造卫星的国家；1975年，第一颗返回型人造卫星发射成功，成为世界上第三个掌握卫星放射返回技术的国家，近几年，在人们欢庆祖国诞辰五十周年后，科学家又为祖国送上了一份大礼，十一月二十日六时三十分，中国第一艘载人航天试验飞船，“神舟”号，在酒泉卫星发射中心用新长征运载火箭发射升空，绕地球飞行14圈，并进行了预定的空间科学试验，于21日3时41分在内蒙古中部地区成功着陆，标志着我国的载人航天技术已进入世界强国之列。以上无论是卫星，还是航天器的升空，都离不开火箭。当火箭从尾部喷出烈焰时，那力拔千钧之势，真让人感到一种敬畏。 高中物理课本有“动能和动量守恒”一章，原来火箭也是利用反冲运动的原理制成，文章介绍了古代与现代火箭的知识，还安排了一个“自制水火箭”的小实验。“水火箭”顾名思义，即水反冲火箭，它的外形做成火箭的样子，发射时不用燃料，而是通过高压空气将水向下急速喷出，利用水的反冲，使火箭升空。为了更好地理解动量守恒的原理和应用，加深对火箭这一尖端科技的了解，提高学生学习的兴趣，培养动手能力；又因为“水火箭”具有设计合理，取材广泛，制作容易，操作简单等优点，所以我们几个就成立了研制水火箭小组。

康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(К.З.Циолковский)（1857-1935）是举世闻名的科学家、科幻作家，被誉为“航天之父”。齐奥尔科夫斯基童年的时候不幸得了猩红热，留下耳聋的后遗症。从此，他无法上学，甚至连小朋友们的游戏也无法参加了。然而，他并不孤独，他蹲在家里，开动脑筋，给自己制作玩具。父母和亲友见他小小年纪，用那一双灵巧的手，制出许多精美的自动玩具，惊奇极了。他爱读书爱学习，他在父亲书房里如饥似渴地阅读着科技书籍。有一次竟然根据书上一幅简单的插图，制出了一架可以测量森林的古代观象仪。他从家乡来到莫斯科。莫斯科有大图书馆，使他不再感到书籍的缺乏。整整3年时间，他在这里自学了多门中学和大学课程，尤其是高等数学。他关于宇宙航行的思想似乎就是在这个时期产生的，这有他后来一篇自传中的话为证：“宇宙空间交通的思想从没有离开过我，并促使我研究高等数学。”自学生活是很艰苦的，他吃得很差，有时几个月里除了黑面包和水以外什么也没有。1878年这位20岁的青年在按自己制定的计划继续自修的同时，还开始了独立的研究工作。他制成了转动机，用以测量加速运动对动物机体的影响。他画了好几张太阳系的图，其中有载人的小行星。1883年早春，他写成了自己的第一篇论文，题为《自由空间》，其中首次提出宇宙飞船的运动必须利用喷气原理。而他1903年关于喷气式发动机整套理论的论文《利用喷气式器械探测宇宙空间》，阐述火箭飞行理论，论述了将火箭用于星际交通的可能性，首创液体燃料火箭的设想和原理图，他说明了火箭在星际空间飞行和从地面起飞的条件。提出为实现飞往其他行星的设想，必须设置地球卫星式的中间站。这是他一生中最重要的学术著作，其中通过计算证明了只有用多级火箭才能飞出地球，提出了用煤油和液态氧等液 体燃料代替固体燃料作为火箭推进剂的设计思想，论证了火箭采取流线形的必要性，画出了火箭结构示意图，并且给出了成为宇宙航行基本公式的火箭速度公式即著名的齐奥尔科夫斯基公式，奠定了火箭和液体火箭发动机的理论基础，解决了航天器在行星表面着陆的理论问题，研究大气层对火箭飞行的影响，首次探讨从火箭到人造地球卫星的诸问题、关于建立近地空间站和星际航行的中间基地问题、在长时间宇宙飞行中的医学生物学问题，在火箭技术和宇航理论领域作出开创性的贡献。齐奥尔科夫斯基在人类宇航史的理论奠基人地位由此确定。1927年发表气垫列车理论和方案。1932年发表喷气式飞机在平流层的飞行原理和一些高超音速飞机构造的方案。1929年又提出多级火箭的结构。他还写出了许多科普、科幻著作，《宇宙的召唤》和《在地球之外》是他的代表作。齐奥尔科夫斯基一生撰写了730多篇论著。1932年苏联政府授予他劳动红旗勋章。1935年9月19日在卡卢加逝世。

在大气层内，火箭的飞行可以根据牛顿的作用与反作用的理论解释，即火箭向后喷出气体，气体向后推动空气，空气就会给火箭以大小相同的反作用力来推动火箭前进。 但是，当火箭飞出了大气层到了宇宙空间，空气没有了，空气的反作用力也就不存在了，那么，火箭为什么还能继续飞行呢？其实还是要用牛顿定律来解释这一问题，关键是力和作用点的变换。 火箭向前飞行时，燃烧剂和氧化剂在燃烧室迅速燃烧，产生的高温高压燃气以每秒数千米的速度向后喷出。我们把火箭和喷出的气体作为互相作用的两个物体，作用点选在火箭上，问题就迎刃而解了。 火箭在喷气的时候相当于给气体一个向后的推力，按牛顿定律，喷出的气体就会通过在火箭上的作用点给火箭一个反作用力，使火箭向前飞行。这个物理过程与空气无关，所以即使是在没有空气的宇宙空间，火箭也会照样高速飞行。