火箭的原理

人們從古至今總是夢想著飛上天空，可以像鳥一般自由地在空中飛翔，甚至大部分的人在小時候總會幻想著長大之後要當一個太空人，要搭著火箭飛向宇宙，一探其中的奧秘。雖然至今尚無法讓所有的人完成這個夢想，但我們卻可以藉由水火箭這個活動，讓大家瞭解火箭的飛行原理，同時圓個小小的飛行夢。

火箭的構造

　　火箭的外殼堅固耐熱

　火箭的原理

　火箭內裝配高效能燃料及氧化劑。

　高效能燃料燃燒時，火箭底部噴出氣體，能產生強大的力量。

　 這種力量足以抵消地心吸力，把太空船送到太空去。

　　　　穿梭機發射的影片　

　 火箭的速度最少要每秒8公里，才能脫離地心吸力

　盛載燃料的部分用完後會脫落

現代火箭是從古代火箭發展而來，而最早的火箭是中國人o明的。

　　中國人是富有想像力和探索精神的民族，古時很多關於飛離地球、奔向太空的神話傳說，都激勵人們挑戰自然。有了火箭之後，中國人還作了火箭載人飛行的首次嘗試，又研製了二級火箭，並提出回收火箭的構想，古時的中國人在這些方面都走在當時世界的前列。

　　中國古代的火箭是近現代火箭的祖先。

　　中國古書中「火箭」一詞常指不同武器，這裏所說的火箭，指一種飛行裝置，以固體黑火藥為燃料和助燃劑，借燃燒室迅速噴出高壓氣體所產生反作用力而推動的飛行裝置，並可在大氣或沒有空氣的情況下工作。中國人發明的火箭與近現代火箭工作原理相同，是近現代火箭的祖先。

火箭為什麼可以飛上天空呢？這是一門極深的科學，在後面的幾個章節裡我們會告訴您火箭在太空航行的問題，作用力與反作用力、地心引力和空氣間的角逐以及多級火箭的應用等探索。不過在這裡我們先回顧一下火箭的衍變和原理。

早在13世紀中國人發明了火藥，接著用火藥發展出大家都玩過的沖天炮，這就是火箭的前身呢！大家也許會問，沖天炮這麼簡單，怎麼能跟火箭想提並論呢？其實火箭和沖天炮的道理是一樣的：沖天炮裡的火藥燃燒爆炸產生的壓力向後噴出，形成一股強大的推力使沖天炮飛向天空；火箭也是這樣，只是它要脫離地心引力的束縛，需要更引擎才可以。



　

我們可以做個小實驗：在一個密封的鋼瓶上，有兩道輸入管，分別輸入燃料和氧氣，燃料和氣混合燃燒後會產生熱氣，這個時候鋼瓶內的壓力急遽增加，並自噴嘴口噴出，壓力愈大，噴出的氣體的速度就愈快（噴出的速度和壓力及噴嘴截面積大小有關），於是產生了更大的作用力向後噴出，並產生反作用力，這就是火箭推進力引擎的原理，其中氧氣和燃料這兩種東西合稱為推進劑。

推進劑愈多，燃燒時間也會越久，給予火箭的推力也愈久，火箭便可升到更高的天空，若速度愈來愈快，到了飛離地球的最小速度（簡稱第二宇宙速度）每秒11.2公里，就可以脫離地心引力束縛，衝向太空。

從上面有關火箭原理的說明中瞭解到火箭的最重要部份就是它的推進引擎-提供高於第二宇宙速度每秒11.2公里，便可飛離地球。世界各國的科學家無不絞盡腦汁的發展更具威力的火箭引擎，依燃料的不同可分為下列幾種火箭：



化學火箭：此類火箭依燃料的性質可分成固體火箭和液體火箭。


固體火箭：較為簡單，主要由燃燒室推進劑。

小學常識科節目
「航天飛行」
教師參考資料

節目對象小學四至六年級

節目長度十五分鐘

教學重點

(一)認識最早期火箭的推進形式；
(二)認識火箭的原理；
(三)認識在太空中航行和生活的必要條件和困難；
(四)認識太空探索的目的和
(五)中國對太空探索的貢獻和成就


內容

本節目分成七個部分：


1.最早期火箭的推進形式

火箭的推進原理，是十七世紀科學家牛頓所創立。在公元前二世紀，中國人已經發明利用火藥來製造爆竹。當燃點火藥的時候，會產生強大的推動力。在三國時期，魏國軍隊將火藥縛在弓箭上，利用火藥燃燒時產生強大反作用力，推動弓箭前進，攻擊蜀國軍隊，就這樣世界上第一支利用固態燃料的火箭就誕生了。在明朝，有一個名叫「萬戶」的煙火工匠，他在一張椅上縛上47支火箭，想利用火藥點燃後的反作用力，飛向太空。雖然實驗沒有成功，但卻可以稱得上世界上最早的載人飛行創舉，而現代天文學家將月球上一個環型山命名為「萬戶山」，以記念他對現代航天科技的貢獻。



2.作用力和反作用力

利用氣球和「噴水火箭」解釋作用力和反作用力。發射火箭進入太空，火箭必須有足夠推進力，才能夠克服地球的重力，將火箭推出地球大氣層，進入太空。火箭能脫離地球的重力束縛而上升，是火箭引擎利用作用力和反作用力原理，產生強大推動力。


3.火箭的燃料

介紹火箭使用的燃料可分為固體燃料和液體燃料兩大類。
使用固體燃料的火箭構造比較簡單，能夠產生巨大的推力。但固體燃料火箭上的載荷，必須能夠承受約相等於十多倍地球氣壓的壓力，所以不可以用來發射載人太空船。固體燃料火箭只可以用作輔助推進火箭，加強火箭升空所需要的推動力。
而使用液體燃料的火箭構造較為複雜。液態燃料儲存在火箭內，隨時準備在引擎內混合燃燒，而燃燒速率亦較易調控，以令到火箭加速度控制在太空人可以承受範圍之內。


4.火箭的設計

介紹火箭與飛機在設計上的分別。
由於飛機在地球大氣層內飛行，所以飛機必須有流線型的設計，使飛機在前進的時候，所受空氣產生的阻力會最小。由於火箭的飛行速度更高，所以在設計上更加需要有流線型的外型，令火箭上升時遇到更小的空氣阻力。
介紹太空艙和探測船在沒有摩擦力環境下的設計特點。
太空艙和探測器會因應不同任務要求而有不同的古怪外型，例如登陸月球的載人登月艙，就好像一隻甲蟲，而飛往其它行星的探測器會有長長的天線，完全不用考慮流線型的設計。




5. 在太空中

介紹在太空中的無重運動對太空人生活所產生的影響。例如在無重狀態下，在太空艙內沒有上下的分別，亦沒有固定的物體，所有物體都會在太空艙內飄浮，所以太空人需要時間來適應在太空中的生活。在持續處身無重狀態之下，太空人的肌肉會日漸萎縮，而骨骼中的鈣亦會慢慢流失，所以太空人必須進行適當的體能訓練和運動去保持健康。
介紹太空衣的功能及設計特點。太空衣是保障太空人生命安全最重要的個人救生設備。它是由裏外三層組成。第一層是限制層，由耐高溫、抗磨損材料製成，用來保護太空服內層。第二層是氣密層，這一層作用是為太空人構築一個同外面完全隔絕的屏障，用塗有特殊化學材料做成。第三層是散熱層，這一層有很多疏通氣流的管道，帶走人體代謝過程中產生的熱量。在太空衣內，裝有通訊器材和能夠量度太空人身體狀態的體溫計和脈搏計。中國的太空衣的重量大概只有十千克，比其它國家要輕。



6. 重返地球

介紹太空人重返地球時，需要準確操控太空船和克服空氣阻力對太空船影響的問題。
太空人首先會啟動反推進火箭，去減慢太空船速度，令到太空船脫離原來軌道，向大氣層進發。當飛行高度降低到距離地球約140 千米的距離，太空船的推進艙和返回艙分離。當太空船以超音速穿過地球大氣層的時候，因和空氣摩擦會產生溫度高達數千度的高熱。這個高溫足以令到金屬融化，所以太空船的外殼會利用特殊的防熱結構和防熱方式，去保護返回艙內的太空人。當返回艙降至離地球約10千米，回收陸系統會啟動，會連續完成拉出引導傘等動作令到返回艙慢慢下墜，到離地1米，再點燃反推火箭，令返回艙軟陸。

7.太空新人類

提出人類未來面對的挑戰和介紹中國首次載人航天飛行。
建議活動

(以下活動，僅供教師參考。教師可因應學生的學習能力、課堂的學習環境和教學時間酌情選用。)


播映前的準備

教師可借用「神舟五號」太空船為引子，引導學生探討火箭的基本原理和認識中國在歷史上對太空探索的貢獻和成就。

播映後的活動

(1) 讓學生就節目內容，列舉太空旅程所需的條件。
(2) 指導學生進行「噴水火箭」的實驗。
(3) 讓學生總結有關太空船的設計，原理和重返地球的資料。
(4) 組織學生辯論人類應否再繼續進行太空探險。


因為蘇俄在發射人造衛星的競賽之中，拔得了頭籌。因此身為科技大國的美國當然不願落後，所以在倉促之間緊跟著就發射了前鋒號火箭，不幸的是只飛了兩秒鐘之後就掉下來了。直到一九五八年，美國才成功的將探險家一號衛星發射進入軌道。
註：V2火箭全長十四公尺，重十四噸，以酒精和液態氧為燃料，攜帶有一噸的黃色炸藥，有二十七噸的推進力，可以飛行兩百多公里。在V2火箭的尾端，特別安置了被稱為「排氣翼」的金屬板，主要是為了改變氣流，誘導火箭朝正確的方向前進，也可以用來改變火箭前進的路線。

四.太空梭（1981）
以往的火箭都只能使用一次就報廢了，既不經濟也不方便，因此為了取代舊式的火箭，美國開發了太空梭，它可以多次往來太空與地球之間。
太空梭在發射升空時，像是火箭一樣，筆直地發射上去。但是，由於太空梭本身的推力不夠。所以，除了本體之外，它還必須帶了一句裝滿液態氫的外部燃料箱及左右兩邊各一具的固態燃料輔助火箭。

註：一九七二年元月五日，美國總統尼克森批准了太空梭的開發計畫，費用是五十五億美元，期限為六年。不過，最後經費增為兩倍，也就是一百一十億美元，首航也延至第九年才完成。

火箭是一種推進裝置，本身備有燃料及氧化劑，不須依賴空氣就能燃燒而產生向後噴射的熱氣流，使它向前推進。


* 進行近地軌道飛行，試驗各種載人航太技術，如軌道交會和對接及宇航員在軌道上出艙，進入太空活動等；
* 考察軌道上失重和空間輻射等因素對人體的影響，發展航太醫學；
* 進行載人登月飛行；
* 爲太空站接送人員和運送物資；
* 進行軍事偵察和地球資源勘測；
* 進行臨時性的天文觀測。

載人飛船組成

載人飛船大多由由乘員返回座艙、軌道艙、服務艙、對接艙和應急救生裝置等部分組成，登月飛船還具有登月艙。

* 返回座艙是載人飛船的核心艙段，也是整個飛船的控制中心，返回座艙不僅和其他艙段一樣要承受起飛、上升和軌道運行階段的各種應力和環境條件，而且還要禁受再入大氣層和返回地面階段的減速過載和氣動加熱。軌道艙是宇航員在軌道上的工作場所，裏面裝有各種實驗儀器和設備；服務艙通常安裝推進系統、電源和氣源等設備，對飛船起服務保障作用；對接艙是用來與太空站或其他太空飛行器對接的艙段。



火箭


推進技術

火箭推進是一種精密的結構，它的原理主要是力學、熱力學，以及其它有關科學之運用，諸如電學等。火箭跟一般的飛機主要的不同點在於：飛機只能在大氣層內飛翔，但是火箭可以在外太空工作，因為它不需要利用空氣便能夠燃燒推進。

火箭推力的獲得，乃由高速噴出物反作用而生成。其原理與花園中用橡皮管噴水時，橡皮管會向後退，以及槍向后座的原理一樣。

火箭的燃料經過燃燒室燃燒以後，會產生高溫高壓的氣體，之後再經過一個噴嘴而加速，併排氣到外界。這些氣體便是推動火箭的原動力。

火箭依不同種類發動機可分為：

* 化學火箭發動機
o 固態火箭發動機
o 液態火箭發動機
o 混合式火箭發動機
* 原子能火箭發動機
* 電力火箭發動機
* 離子發動機

固態火箭跟液態火箭便是現今比較常用的火箭。此外，還有混合火箭---就是用固體的燃料而用液體的氧化劑。另外，值得一提的是，現今運載火箭大多包含了液態火箭跟固態火箭，也就是說，一個火箭可能第一節是固態的而第二節卻是液態的。
火箭發動機
火箭發動機

歷史

起源

中國人在公元前300年就已發明了火箭，但是是作為像煙花一樣娛樂品。 11世紀之後發展為軍用。[來源請求] 北宋初年，曾用以製作火箭、火球等。後來又出現了帶爆炸性的霹靂炮。南宋時期更出現了鐵火炮、突火槍、火銃等新式武器。這些武器威力巨大，被廣泛使用在對蒙戰爭中。Template:Tw 1150年 宋朝 南宋高宗紹興二十年 軍隊發明了全世界上第一支火箭. 他們將裝滿火葯的竹管綁放箭上, 加上一條引信. 接著在靠近箭羽部份綁上一小塊鐵. 讓箭簇傾斜以便射得更遠.Template:Tw

18世紀末印度人用火箭抵抗英國，從此傳入歐洲。

附有燃燒物的箭矢也被稱為火箭。在赤壁之戰時這種火箭已經被廣泛使用。[來源請求]

現代火箭

現代火箭誕生自羅伯特‧高達德將 超音速de Laval噴嘴裝上液態燃料火箭引擎燃燒室。這種噴嘴將燃燒室中的熱氣體轉成較冷的極超音速噴射氣體，使推進力增加超過兩倍且巨幅地增加了效率；在此之前，早期的火箭因為熱能隨氣體排放被浪費掉了而相當的沒效率。在1920年，高達德出版了《A Method Of Reaching Exreme Altitudes》，這是在齊奧爾科夫斯基之後第一本認真談論使用火箭在太空旅行的著作。這本書引起了全世界的注意，也同時獲得讚賞與嘲笑，特別是在認為火箭理論上可以到達月球的方面。紐約時報的社論甚至指控高達德欺騙世人，認為火箭在太空中不可能運作。

在1923年，赫爾曼·奧伯特(1894-1989)在慕尼黑大學拒絕了他的博士論文後，將其一個版本出版成為《飛向行星太空的火箭》(德文：Die Rakete zu den Planetenräumen)

在1926年，羅伯特‧高達德於美國麻塞諸塞州奧本鎮發射了世界第一枚液態燃料火箭。

在1920年代之間，美國、奧地利、英國、捷克斯洛伐克、法國、義大利、德國及俄國相繼出現研究火箭的組織。1920年代中期，德國科學家開始實驗能到達高空及長距離的液態推進火箭。一群業餘火箭工程師在1927年組成德國火箭學會（德文：VfR），而在1931年發射了一枚液態推進火箭（使用[[氧|氧氣]及汽油）

從1931年自1937年為止，最大規模的火箭引擎設計發生在列寧格勒的氣體動力實驗室。在充足的資金與良好的人員經營下，超過100枚實驗性火箭在Valentin Glushko的領導下被製造出來。這項工程包括了再生冷卻、自燃點火以及包括旋轉及雙推進混合設計（swirling and bi-propellant mixing injectors）的噴油器。然而，這項工程卻由於1938年史達林大清洗使Glushko被逮捕而遭到縮減。同時間奧地利教授Eugen Sänger也進行了相似但較小規模的工作。

在1932年，德國國防軍(1935年後改稱德國防衛軍) 開始對火箭技術感興趣。由於凡爾賽條約火炮禁令限制德國取得長程武器，當德國防衛軍看到了使用火箭做為長程火炮的可能性後，一開始資助了德國火箭學會，但發現他們的目標純粹只限於科學後，便創建了屬於防衛軍所有、以赫爾曼·奧伯特為領導的研究團隊。在軍隊領導人的命令下，當時有強烈抱負理想的年輕火箭科學家馮‧布朗與兩位前火箭學會的成員加入了軍隊，發展納粹德國用於二次大戰長程武器，尤其是後來惡名朝彰的V2火箭（一開始稱為A4）的前身A系列火箭。

1943開始，V2火箭開始製造。V2火箭擁有350公里的作戰距離以及搭載1000公斤阿瑪圖炸藥彈頭。此載具與大部份現代火箭只有極少數不同，有渦輪幫浦、慣性導引裝置及其它許多特性。雖然它們無法被攔截，但它們的導引系統設計及單傳統彈頭意味了V2火箭無法準確地描準軍事目標。數以千計的V2火箭射向盟軍國，其中大部份是英國，以及比利時與法國，在發射作戰結束前，共有2,754人在英國因而死亡，還有6,523人受傷。雖然V2火箭並沒有明顯地影響戰爭的發展，但它展示了導引火箭作為武器的潛力。 當時, 英國倫敦受到攻擊, 人心惶惶. 英國政府馬上派人研究.發現火箭攻擊的分佈為 泊松分佈(Poisson Distribution),也就是機率分佈(random distribution).

二戰結束時，俄國、英國及美國軍事及科學人員競相從佩內明德的德國火箭計劃獲取火箭技術及訓練有素的人員。俄國與英國獲得了一些成果，但美國卻從中獲益最多。美國獲得了大批德國火箭科學家（其中大部份為納粹黨員，包括馮‧布朗在內），將他們帶回美國做為迴紋針行動中一部份成員。原本設計來攻擊於英國的相同火箭被這群科學家們用做發展新技術的載具。V2火箭演變成美國紅石火箭(Redstone rocket)，用於早期太空任務。

戰後，火箭被用做研究高海拔環境，無線電遙測溫度及氣壓、偵測宇宙射線及其它研究。這些研究在馮‧布朗及其它人之下持續進行。

另外一方面，蘇聯的火箭研究在科羅廖夫的領導下進行中。從來自德國技術人員的協助，V2火箭被複製及改進成為R-1、R-2及R-5飛彈。原德國的設計在1940晚期被放棄，而這些德國工作人員被遣送回國。由Glushko建造的新系列引擎及基於Aleksei Isaev的發明形成了最初的洲際飛彈R-7。R-7發射了第一顆衛星、第一個太空人及第一個月球探測器及行星際探測器，直到今天還在使用。這些事件吸引了高層政治人物的注意力，投注更多經費於研究中。

當大眾了解到火箭變成核子武器的發射平臺，而搭載這些武器的火箭載具基本上在發射後就無法防禦後，火箭以洲際飛彈的形式在軍事上變得極端重要。

由於冷戰，1960年代形成了火箭科技極速發展的時代，包括蘇聯（東方號、聯合號、質子號）及美國（X-20飛行器、雙子星號），以及其他國家的研究如英國、日本、澳大利亞等等。最終導致了60年代末期的神農五號載人登陸月球，使紐約時報收回以前認為太空任務不可能成功的社論。


法規

國際法規定，發射載具的擁有者的國籍決定了那個國家必須為任何造成的損害負責。因此有些國家要求火箭製造者及發射者遵循特定法令去補償及保護人員及財產可能受到的影響。

在美國，任何非歸類為業餘，也非政府相關的火箭必須由位於華聖頓特區的美國聯邦航空局商業太空運輸辦公室(FAA/AST)批准。

火箭意外

由於所有的火箭燃料都具有強大的化學能量（單位重量的能量比炸藥多，但比汽油少），因此有可能發生意外。雖然一般對於火箭安全都會特別注意，使因火箭意外喪生或受傷的人數通常比較少，但這樣的記錄也稱不上完美。
返回艙內外

1)靜壓高度控制器
回航時，可測量大氣壓力及高度距離，指示減速降落傘打開

2)儀表板
顯示各項儀器的讀數

3)窗
透過窗來觀察艙外

4)降落控制桿
控制太空船降落

5)緩衝座椅
可減輕升空、返航時的推力及衝擊力

6)軟著陸引擎
當啟動時，可大幅減輕著陸時產生的衝力

7)溫度調節系統
控制艙內的溫度、濕度在舒適水平

8)隔熱層
以特殊材料製造，可同時抵受超高及超低溫

推進艙

　推進艙又稱儀器艙。通常安裝推進系統、電源、軌道制動，並為太空人提供氧氣和水。推進艙兩側還裝有面積達20平方米的主太陽能電池板。

太陽能電池板
吸收太陽能來發電

火箭的構造

　　火箭的外殼堅固耐熱

　火箭的原理

　火箭內裝配高效能燃料及氧化劑。

　高效能燃料燃燒時，火箭底部噴出氣體，能產生強大的力量。

　 這種力量足以抵消地心吸力，把太空船送到太空去。

　　　　穿梭機發射的影片　

　 火箭的速度最少要每秒8公里，才能脫離地心吸力

　盛載燃料的部分用完後會脫落