航太科技小常识

Raptor2468

刚刚在游览NASA的网站是发现了这一页，感觉很不错一下所以决定转一些过来，给对宇航有兴趣的朋友分享。


NASA - Facts

Orville and Wilbur Wright made their first successful flight on December 17, 1903. Wilbur and Orville had two older brothers and a younger sister. None of the Wright children were given a middle name.

莱特兄弟于１９０３年１２月１７日成功完成人类首次飞行。



http://en.wikipedia.org/wiki/Orville_Wright#Flights


On March 16, 1926, Dr. Robert H. Goddard successfully launched the first liquid fueled rocket. The launch took place at Auburn, Massachusetts, and is regarded by flight historians to be as significant as the Wright Brothers flight at Kitty Hawk.

Dr. Robert H. Goddard 于１９２６年３月１６号成功发射世界上第一枚液态燃料火箭。此次发射地点位于麻省奥尔本及被航空历史学家视为与莱特兄弟在Kitty Hawk的人类首次飞行同样意义。



http://en.wikipedia.org/wiki/Rocket#Modern_rocketry


On August 29, 1929 the Graf Zeppelin, a rigid airship (or dirigible), completed a historic flight around the world that included a nonstop leg from Friedrichshafen, Germany to Tokyo, Japan -- a distance of almost 7,000 miles. The airship was 100 feet in diameter and 110 feet high, including the gondola bumpers. During its operating life from 1928 to 1937, the Graf Zeppelin made 590 flights, covering more than a million miles. A total of 13,100 passengers were carried without a single injury.

一艘坚硬的飞艇，Graf Zeppelin，于１９２９年８月２９号完成了环球历史性首航，包括一段从德国Friedrichshafen到日本东京总计约７０００里不停飞的航程。这艘飞艇包括底部的吊舱的直径为１００尺及１１０尺高。在从１９２８年到１９３７年的服役期间，总共完成了５９０次飞行，航迹超过１００万里。总计踏载过１３１００位乘客并且都每位都毫发无伤。



http://en.wikipedia.org/wiki/LZ_127_Graf_Zeppelin


On October 14, 1947, in the rocket powered Bell X-1, Capt. Charles E. Yeager flew faster than sound for the first time.
１９４７年，１０月１４日，Capt.Charles E. Yeager 驾驶的以火箭推进的贝尔X－１第一次突破音速。



http://en.wikipedia.org/wiki/Bell_X-1


On January 31, 1958, Explorer 1 became the first artificial satellite launched into space by the United States. Onboard was a cosmic ray detector designed to measure the radiation environment in Earth orbit.

探测１号于１９５８年１月成为美国发射的第一枚人造卫星。这颗人造卫星上装有宇宙射线探测器以用来衡量地球轨道上的辐射环境。



http://en.wikipedia.org/wiki/Explorer_1

[ 本帖最后由 Raptor2468 于 11-12-2006 10:35 PM 编辑 ]

Raptor2468

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。

火箭可用于加速，改变轨道以及在降落时减速，如在月球降落的登月舱和联盟号太空飞船便是在降落时启动火箭减速减少降落时的撞击力。

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。
(参考:http://en.wikipedia.org/wiki/Newton's_Laws_of_Motion)

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 (chemically powered rockets )
  .固態火箭發動機 (solid propellant )
  .液態火箭發動機 ( liquid propellant )
  .混合式火箭發動機 (hybrid mixture )
-原子能火箭發動機 (nuclear photonic rocket)
-電力火箭發動機
-離子發動機 (ion engine)

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。

资料参考：http://en.wikipedia.org/wiki/Rocket

[ 本帖最后由 Raptor2468 于 11-12-2006 11:24 PM 编辑 ]

Raptor2468

固态火箭发动机

固态火箭发动机相对于液态火箭发动机，它的燃料和氧化剂是以固体状态储存在火箭的弹体里面。固态火箭使用的历史也相当的早，中国在宋朝使用的武器当中就有现代固态火箭的雏型。目前在中小型的火箭发动机上面，固态火箭占据很大的比例。

燃料类型与特性
固态火箭发动机的燃料是直接安装在火箭的后部，使用的时候利用点火器引发燃料燃烧，产生推力推送火箭。因为固态火箭燃料不需要额外的燃料槽，也不需要输送或加压的管线，在构造上固体火箭发动机比液态火箭发动机要简单许多，重量也比较轻。

然而也因为固态火箭发动机的燃料的量与型态是固定的，要随意藉由调整燃料与氧化剂的量来控制推力非常困难，燃料一但开始作用，若是中断燃烧的过程，很难重新点燃，因此固态火箭发动机多半使用在推力需求较为固定，一经启动就不需要停止的设计上面。在设计上需要依靠精确的形状和燃料颗粒来控制燃烧的速度和产生的推力。

固态火箭发动机的另外一个好处就是不需要经常维护，燃料虽然也有使用年限，通常需要更换的时间比液态火箭发动机的燃料要长。因此在需要使用的场合，固态火箭发动机的反应和准备时间较短。此外，固态火箭发动机没有管线或者是加压设备，对于外界的震荡或者是碰撞的忍耐程度比液态火箭发动机要高。苏联在发展机动弹道导弹系统的时候就发现，以铁路运输的方式，车体的震荡对于液态火箭发动机的设备损伤很大，固态火箭就没有这个问题。

特点
-固态火箭发动机的燃料和氧化剂以固态储存在弹体当中，不需要额外的储存设备。
-固态火箭发动机的构造比较简单，重量也比较轻。
-固态火箭发动机对于环境所引发的冲击的忍耐力比较高。
-固态火箭发动机不需要经常的维护，在保养上比液态火箭发动机简单。
-与需要在使用的时候才灌注燃料的液态发动机比较，固态火箭发动机的反应时间比较短。


固态火箭发动机


固态燃料可以以更廉价的方式提供很高的推进力。因为如此，许多初级火箭都采用固态燃料，太空梭的就是一个经典的例子。除此之外，和液态燃料发动机比起来，固态燃料发动机也不需冷冻和隔热设备。



STS-71任务里的亚特兰帝丝号。图中固定在太空梭下侧两旁的就是固态火箭推进器(Solid Rocket Booster,SRB)，并且可清楚看出喷出的火焰和排烟量会比使用液态燃料的太空梭主发动机来得耀眼和大。太空梭起飞时８３％的推进力由提供，产生的推进力是当年用于登月的土星５号火箭的1.8倍。

其他使用固态燃料的火箭包括Ariane 5和Atlas V 。


Ariane 5




固态火箭发动机的其中一个坏处是它不能轻易地关上或者在飞行时终结推进力，因此对载人飞船构成一定的风险。此外，固态火箭发动机由于燃料被预先灌入火箭内，因此可能会导致意外起火或爆炸。

在２００３年８月２２日，巴西VLS火箭发射架便发生了一场意外，导致２１名技术人员丧生。

相关新闻：http://www.space.com/missionlaunches/brazil_failure_030823.html


１９８６年１月２８日挑战者号的灾难的起因便是里其中一个环节发生故障导致而成。



相关资料:http://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_Challenger_disaster

[ 本帖最后由 Raptor2468 于 13-12-2006 11:23 AM 编辑 ]

Raptor2468

液态火箭发动机

液态火箭发动机是指产生推力的燃料(fuel)和氧化剂(oxidizer)是以液态的方式储存，使用的时候才以气态的方式混合，燃烧产生推力。液态火箭发动机的使用历史早于固态火箭发动机，二次世界大战时期被短暂的作为飞机的推力来源，同时也是目前大型火箭最常使用的发动机。

燃料类型与特性

理论上任何能够以液态储存，与氧化剂混合下足以产生快速或者是爆炸性燃烧的化学物质都可以做为液态火箭发动机的燃料来源。譬如说美国航天飞机的主推进火箭发动机是使用液态氢做为燃料，液态氧做为氧化剂。 当然具体细节要复杂得多。举例而言，燃料和氧化剂都必须非常快速地送入燃料室，并加以巨大的压力。以下描述燃料的时候是将氧化剂一起合并说明。

常见的液态火箭燃料可以概略区分为需要特殊装置储存，或者是能够在火箭燃料箱里面保存一段时间两类。需要特殊装置的燃料像是上述的液态氢和液态氧，它们需要加压和冷却设备，在燃烧前保持在液体的状态下。这一类的液态火箭燃料多半是在发射前才会输入到火箭的燃料槽当中。

另外一类燃料是在一般环境下就是以液态存在，不需要另外的设备维持。早期这一类的燃料的腐蚀性很高，即使可以放在火箭的燃料箱里面，也无法常年的储放，因此也是在需要的时候才输入火箭的燃料箱当中，假如等待时间过长，还是需要将燃料抽出，检查发动机和燃料槽与相关的管线，必要的时候还可能需要清理或者是更换。而在处理或者是运输的过程当中，周遭人员都必须穿戴防护衣服，假如与人体直接接触，很可能会有致命的危险。德国在二次大战时期使用的Me 163火箭拦截机曾经发生过液态燃料流入驾驶舱，将飞行员溶解的意外。

后期的液态燃料转向于简化储存和使用上的手续和措施。这些燃料能够在火箭燃料槽储存较长的时间，腐蚀性较低，火箭发射前的准备时间较短，反应较为迅速。不过这种燃料的储存年限仍是一定的，只是大幅延长。譬如苏联在他们第三代的弹道导弹使用的液态燃料上，能够在燃料槽当中储存7年而不必经常抽出检查。

特点
-液态火箭发动机的比冲值普遍优于固态火箭发动机。
-液态火箭发动机可以间歇性的使用，固态火舰发动机很难分段使用。
-液态火箭发动机需要有相关的管线与加压设备，相对于固态火箭发动机复杂许多。
-液态火箭燃料的腐蚀性使得在燃料槽当中储存的时间较短，需要定期更换与检查。




太空梭尾端的主发动机(Space Shuttle Main Engine)便是液态火箭发动机的一种，采用液态氧(liquid oxygen)作为燃料和液态氢(liquid hydrogen)作为氧化剂。当太空梭发射时，主发动机和SRB会一起启动以产生推进力。
http://www.thebestlinks.com/Space_Shuttle_Main_Engine.html



太空梭尾端的主发动机的燃料消耗率大得惊人。如果以水代替液态氧和液态氢，它在２５秒的时间消耗的水的体积相等于一个家庭式大小游泳池！



位于太空梭下方的就是外置燃料箱(External Tank, ET)，里面库存液态氧和液态氢。当主发动机启动时，液态氧和液态氢将会从这里流进主发动机。与SRB不同，ET不能从复使用，并且会在燃料耗尽后被太空梭抛弃，最终在大气层烧毁。
http://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_external_tank

[ 本帖最后由 Raptor2468 于 13-12-2006 11:15 PM 编辑 ]

Raptor2468

离子推进系统

Ion Propulsion System(IPS)，又称为离子发动机，其原理是先将气体电离，然后用电场力将带电的离子加速后喷出，以其反作用力推动火箭。这是目前已实用化的火箭技术中，最为经济的一种，因为只要调整电场强度，就可以调整推力，由于比冲(specific impulse)远大于现有的其它推进技术，因此只需要少量的推进剂就可以达到很高的最终速度，而既然太空船本身不需要携带太多燃料，总重量大幅减少后就可以使用较小而经济的载运火箭，节省下来的燃料更是可观。缺点是它的推力很小，目前的离子推进系统只能吹得动一张纸，无法使太空船脱离地表，而且也需要很长的时间进行加速。

离子推进系统与化学火箭发动机的分别

两种火箭以产生推进力(thrust)使太空船向前移动。离子发动机的不同之处在于它从哪里获取能量和如何产生推进力。

化学火箭发动机操作的原理是将燃料和氧化剂混合。这将使气体膨胀而从发动机尾端冲出，产生推进力。由于消耗燃料，化学火箭发动机被质量限制，因此被称为受质量限制发动机(mass-limited engine)。这意味着火箭的＂威力＂决定于本身所能携带的燃料和氧化剂。当燃料被耗尽了，火箭便再也不能被加速。

但是，离子发动机的操作方式与化学火箭发动机截然不同。与化学火箭发动机不同，离子发动机利用小量的气体并且将它加速。化学火箭发动机则是利用大量的气体但却以更低的速度将它排出。
离子发动机被能量所限制而并非质量(energy-limited engine)。因此，与化学火箭发动机相比，耗尽燃料的问题并不存在。离子发动机的限制在于如何获取足够的电力来操作发动机。换句话说，离子发动机的限制主要在于能带多少能量（电力）或者通过太阳板能收集到多少能量。

另外一点很重要的是，离子发动机比起传统的化学火箭发动机，离子发动机虽然产生的推进力较小，但确有更高的比冲(specific impulse)。换句话说，离子发动机的加速度虽然较小，但却因为更节省燃料而能工作更久，进而达到更高的最终速度。比冲决定一个发动机的效率。拥有较高的比冲意味着可节省燃料，除了可减轻火箭的重量外，还能达到更高的最终速度。

据说未来更远的太空探索，甚至是跨星际的探索，离子发动机因为比较有效率的特性而扮演了重要的角色。




离子发动机



http://en.wikipedia.org/wiki/Smart_1

欧洲太空署(ESA)的探索卫星Smart 1便是使用离子发动机。于２００６年９月３日结束撞击月球圆满结束为期３年的任务。



http://en.wikipedia.org/wiki/Deep_Space_1

美国太空总署的Deep Space 1也是使用离子发动机的一个例子。

关于thrust与specific Impulse的分别，大家有兴趣的话可到这里：

http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/thrsteq.html
http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/specimp.html
http://www.qrg.northwestern.edu/ ... ecific-impulse.html

建议大家不要看到一大堆公式就不继续看，可以看看里面的解说，这样比较容易了解这两个东西的，而且其实还是蛮有趣的。我本身在看的时候也是skip掉一点公式的部分。


资料参考：维基百科，NASA官方网站和http://www.qrg.northwestern.edu

[ 本帖最后由 Raptor2468 于 15-12-2006 09:32 PM 编辑 ]