火箭的发射原理

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。 无线电技术 德国人赫兹发现了无线电波以及随后意大利人马可尼发明无线电报之后，无线电通信技术经过一个多世纪的发展，取得了惊人的成果。无线电技术在不断成熟和发展的同时，其应用领域也不断拓宽，应用价值逐步显现，因而为了推动无线电通信技术的进一步发展。 与有线电通信技术相对应，近年来无线电通信技术得到了快速飞跃的发展，鉴于频谱资源的有限性，及社会各界对无线电频谱资源的强烈需求，使无线电技术及其管理问题日益受到人们的广泛重视。 一、无线电通信技术 无线通信领域各种技术的互补性日趋鲜明，下面具体介绍： （一）3G技术 3G，全称为3rd Generation，中文含义就是指第三代数字通信。目前3G无线电通信技术标准主要有CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA。从技术角度来看，3G主流技术已经基本成熟，CDMA2000由于技术本身的平滑演进特性，进入3G的障碍不大。WCDMA以前受版本不断更新的影响，阻碍了商用进程，但目前主体标准已经定型，具备了规模商用的基础。事实上欧美等运营商已经进入了3G网络部署阶段。TD-SCDMA是中国自主知识产权的3G标准，该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。另外，由于中国内的庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TDSCDMA标准。该标准提出不经过2.5代的中间环节，直接向3G过渡，非常适用于GSM系统向3G升级。 （二）3.5GHz技术 3.5GHz 宽带固定无线接入技术 MMDS，是工作于3.5GHz 无线频段上的中宽带无线接入技术，宽带固定无线接入技术因为其高带宽、建设速度快、接入方式灵活等特点，受到了业界的关注。现在MMDS使用了传统的调制技术，但是未来的技术将是基于VOFDM的，接收端与反射的信号相结合，生成一个更强的信号。这种技术成本低廉，常用于远离服务中心的小型企业接入网，它有时被称为WDSL或通称为宽带无线技术。但这项技术也有其局限性，比如高频段 26GHz 的 LMDS 技术受天气影响较大，而 3.5GHz MMDS 技术在我国又受到了带宽不足等因素的限制。 （三）WLAN（WiFi）技术 无线局域网技术WLAN（WiFi），其技术标准为802.11，可实现十几兆至几十兆的无线接入。我国目前发展的主要是802.11b标准的WLAN网络，支持11Mbps的无线接入。WLAN技术将在特定的区域和范围，特别是热点区域和高速信息接入领域，发挥对移动通信网络的重要补充作用。 （四）WiMAX技术 WiMAX即全球微波接入互操作系统，WiMAX不仅在北美、欧洲迅猛发展，而且这股热浪已经推进到亚洲。WiMAX又称为802.16无线城域网，是又一种为企业和家庭用户提供“最后一英里”的宽带无线连接方案。因在数据通信领域的高覆盖范围(可以覆盖2530英里的范围),以及对3G可能构成的威胁，使WiMAX在最近一段时间备受业界关注。WiMAX相对于WiFi的优势主要体现在WiFi解决的是无线局域网的接入问题，而WiMAX解决的是无线城域网的问题。WiFi只能把互联网的连接信号传送到300英尺远的地方，WiMAX则能把信号传送31英里之远。WiFi网络连接速度为每秒54兆，而WiMAX为每秒70兆。 无线电通信技术作为极具有发展潜力的一门通信技术，目前得到了持续和持久的快速发展，但在快速发展的过程中，仍时常暴露出管理方面的不足，因而我们应该坚持两条腿走路，一方面，加强技术研究，另一方面，加强管理，使之实现又好又快的发展。 光纤光栅传感器的原理及制作技术浅谈1 光纤光栅概述 光纤光栅是近几年发展最为迅速、最有前途的光无源器件之一。自从 1978 年加拿大渥太华通信研究中心的 Hill 等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅以来1，在这一领域展开了大量的研究工作。直到 1989 年，美国联合技术研究中心的 Meltz 等人用 244nm 紫外光全息曝光法实现了 FBG (光纤布拉格光栅)的 UV 激光侧面写入技术2，克服了驻波干涉法的缺点，使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展，从而在全世界范围内掀起了光纤光栅的机理、制作技术以及应用研究的高潮。1993 年 Hil