火 箭 推 進 成 功 大 學 航 太 系 教 授 賴 維 祥 2009.11 何 謂 火 箭 (Rocket)? 火 箭 定 義 為 何??? 水 火 箭 算 不 算 火 箭? Aeolipile 算 不 算 火 箭? (250 BC) ramjet, scramjet 算 不 算 火 箭?(air-breathing) Solar sail/ ion sail/ nuclear thermal 算 不 算 火 箭? 1
網 路 討 論 文 章 : 何 謂 火 箭 (Rocket)? Actually, I'm not claiming the Greeks invented rockets. I'm saying several things. 1) Wikipedia should use a consistent definition of what is and isn't a rocket engine. 2) That definition should include solid, liquid, and hybrid rockets; ion thrusters; resistojets; monopropellant rockets; cold gas thrusters; solar, microwave, laser, and nuclear thermal rockets; nuclear and antimatter photon rockets; hobby and amateur motors, from small Estes black powder motors on up; rockets that can't ignite or otherwise operate in a vacuum. 3) It shouldn't include mass drivers; light sails; magnetic sails; Bussard ramjets; guns, cannons, and mortars; ramjets; scramjets; air-breathing pulsejets; liquid air cycle engines; maglev vehicles; space elevators; warp engines; antigravity and other reactionless drives. 4) It should be clear, simple, and concise. 5) Sutton's Rocket Propulsion Elements, a highly respected text on the subject, provides such a definition. However, I have no particular need for us to use that definition if there's a different one that meets the preceding criteria that other people would prefer. And finally, I'm saying that regardless of wording, I believe any definition that meets the preceding criteria will include the Aeolipile as a rocket. This is not the same as saying the Greeks invented rockets -- personally, I would say that they didn't invent rockets because that was the only instance, and they didn't apply the principles or study them in any real way. But that's a matter of defining "invent." IMHO, the Chinese invented rockets, but the Aeolipile was a rocket. Evand 18:09, 22 October 2006 (UTC) 何 謂 火 箭 (Rocket)? 字 典 的 定 義? Rocket propulsion of an object is achieved by the combustion of fuel (propellant) and an oxidiser, both of which are carried by the object. The explosive energy of combustion is vectored in a linear fashion away from the body. This vectored energy provides an opposing thrust to the body causing it to accelerate.. Because rocket propulsion can generate far greater thrust and can operate in oxygen-free environments, it is currently the only method for getting an object (a rocket) from the Earth's surface and into space. 專 業 書 籍 的 定 義? Rocket Propulsion is a class of jet propulsion that produces thrust by ejecting stored matter, called the propellant. By:Sutton's Rocket Propulsion Elements, 6th ed. John Wiley & Son, Inc. 2
火 箭 的 歷 史 ( 外 國 篇 ) 1903 年, 蘇 俄 的 液 體 火 箭 始 祖 席 考 斯 基 (Tsilkovsky) 發 表 了 一 本 宇 宙 火 箭 的 書, 是 最 早 有 關 液 體 火 箭 製 造 的 書 火 箭 的 歷 史 ( 外 國 篇 ) 哥 達 德 - 美 國 火 箭 之 父 1926 年 三 月 十 六 日, 美 國 科 學 家 哥 達 德 ( Goddard) 以 液 氧 跟 汽 油 進 行 液 體 火 箭 實 驗 第 一 枚 液 體 火 箭 在 麻 省 奧 邦 城 發 射 成 功, 雖 然 只 飛 了 2.5 秒,12.5 公 尺 高, 但 卻 是 液 體 火 箭 發 展 的 一 大 進 步 3
火 箭 的 歷 史 ( 外 國 篇 ) 德 國 的 科 學 家 馮 布 朗 (W. von Braun) 是 除 了 前 述 三 位 先 知 外, 另 一 位 對 於 火 箭 及 發 射 載 具 的 領 域 有 卓 越 貢 獻 的 人 物 馮 布 朗 (1912~1977) (Wernher von Braun) 1944 年 馮 布 朗 在 德 國 建 造 了 V-2 火 箭, 其 直 徑 五 呎 半, 長 四 十 六 呎, 重 十 四 噸, 射 程 超 過 百 哩, 這 飛 彈 帶 給 倫 敦 莫 大 的 威 脅 火 箭 的 歷 史 ( 外 國 篇 ) 二 次 大 戰 結 束 後, 馮 布 朗 及 德 國 火 箭 專 家 連 同 V-2 火 箭 的 零 件 均 被 帶 至 美 國 繼 續 研 究 火 箭 馮 布 朗 更 策 劃 了 美 國 的 阿 波 羅 計 畫, 設 計 了 全 世 界 有 史 以 來 最 大 的 火 箭 - 高 111 公 尺 的 農 神 五 號 (Saturn-V) Saturn-V( 農 神 五 號 火 箭 ) 4
火 箭 的 歷 史 ( 中 國 篇 ) 古 文 獻 中 記 載, 約 在 西 元 1040 年, 就 已 經 有 火 矢, 亦 即 古 代 火 箭, 箭 身 附 帶 有 圓 筒, 裡 面 裝 著 黑 火 藥, 利 用 十 字 弓 發 射, 被 公 認 第 一 個 實 用 的 火 箭 火 箭 是 用 弓 發 射 的, 後 來 才 利 用 其 自 身 推 進 力. 推 進 用 的 發 射 火 藥, 附 著 於 箭 或 茅 身, 上 以 使 此 等 兵 器 能 飛 行 較 遠 之 距 離, 或 附 有 縱 火 劑 攻 擊 敵 人 火 箭 的 歷 史 ( 中 國 篇 ) 火 箭 名 稱 由 來 : 火 箭 一 詞, 源 自 我 國 宋 代 發 明 火 藥 時 所 製 成 之 一 種 武 器, 由 於 在 火 藥 前 綁 著 長 槍, 原 稱 為 飛 火 槍, 形 狀 恰 如 以 火 藥 載 送 飛 行 之 火 箭, 故 名 為 大 火 箭 中 國 於 1232 年 所 發 明 之 大 火 箭 - 飛 火 槍 蒙 古 人 的 改 進 火 箭 - 地 行 魚 雷 5
火 箭 的 歷 史 ( 中 國 篇 ) 據 說, 在 明 朝 的 時 候, 有 一 位 名 叫 萬 盧 的 人, 用 幾 十 支 火 箭 綑 綁 在 椅 子 後 面 想 一 飛 衝 天, 自 己 坐 在 椅 子 上, 手 拿 兩 個 大 風 箏, 叫 僕 人 點 燃 火 箭, 使 自 己 飛 上 去, 不 過, 在 一 聲 大 爆 炸 後, 萬 盧 就 從 此 消 失 了, 可 說 是 為 載 人 火 箭 犧 牲 的 第 一 人 噴 射 推 進 系 統 之 分 類 (Classification of Jet Propulsion System) 核 能 火 箭 固 體 火 箭 發 動 機 (Solid Rocket Motor) 噴 射 推 進 系 統 火 箭 發 動 機 (Rocket motor) 吸 氣 式 發 動 機 (Air-breathing Engine) 化 學 火 箭 電 能 火 箭 太 陽 能 火 箭 衝 壓 引 擎 (Ramjet) 渦 輪 引 擎 (Turbine engine) 液 體 火 箭 發 動 機 (Liquid Rocket Engine) 氣 體 火 箭 發 動 機 (Gas Rocket Engine) 混 合 火 箭 發 動 機 (Hybrid Rocket Engine) 次 音 速 燃 燒 液 體 燃 料 (LF Ramjet) 固 體 導 管 火 箭 (Solid Duct Ramjet, SDR) 超 音 速 燃 燒 衝 壓 引 擎 (Scramjet) (Supersonic Combustion Ramjet) 渦 輪 噴 射 引 擎 (Turbojet engine) 渦 輪 軸 引 擎 (Turboshaft engine) 渦 輪 槳 引 擎 (Turboprop engine) 渦 輪 扇 引 擎 (Turbofan engine) 6
火 箭 發 動 機 之 分 類 (1) 固 態 火 箭 發 動 機 (2) 液 態 火 箭 引 擎 (3) 混 合 火 箭 引 擎 另 類 火 箭 - 吸 氣 式 火 箭 發 動 機 例 如 : 衝 壓 引 擎 (ramjet), 脈 衝 引 擎 (pulse jet) 等 固 態 燃 料 衝 壓 火 箭 引 擎 超 音 速 反 艦 飛 彈 ( 衝 壓 火 箭 引 擎 ) 中 國 C101 7
高 速 飛 行 紀 錄 (X-43) 火 箭 原 理 (Principle of Rocket) 火 箭 的 基 本 操 作 原 理, 是 將 火 藥 裝 在 一 個 艙 室 (chamber) 內, 點 燃 火 藥 後 產 生 的 熱 氣, 迅 速 的 從 排 氣 口 噴 出, 瞬 間 產 生 一 股 強 大 力 量, 將 火 箭 高 速 的 推 出 由 這 股 高 速 朝 後 噴 出 的 氣 體, 會 產 生 向 前 推 的 反 作 用 力, 便 是 推 動 火 箭 飛 行 的 動 力 的 來 源 ( 稱 為 推 力 Thrust) 固 態 燃 料 衝 壓 火 箭 引 擎 8
火 箭 噴 嘴 原 理 (Principle of Rocket Nozzle) 噴 嘴 出 口 噴 嘴 入 口 高 壓 低 速 區 ( 次 音 速 ) 收 斂 段 噴 喉 音 速 區 擴 散 段 低 壓 高 速 區 ( 超 音 速 ) 拉 瓦 耳 噴 嘴 示 意 圖 (de Laval Nozzle) 在 流 體 力 學 的 領 域 內, 對 於 管 道 內 的 流 體 速 度, 存 在 一 個 有 趣 的 現 象, 就 是 對 於 低 速 的 流 體, 在 流 過 管 道 截 面 積 漸 減 的 流 道 時, 流 速 會 逐 漸 增 加 至 音 速 ; 而 對 於 流 速 較 高 (M>1 時 ), 流 道 的 截 面 積 漸 增 時 才 會 有 增 加 流 速 的 效 應 拉 瓦 耳 噴 嘴 即 是 利 用 此 一 原 理 將 氣 流 加 速, 它 是 由 一 個 圓 錐 型 的 收 縮 段 和 的 擴 張 段 所 組 成 的 蜂 腰 型 噴 嘴 截 面 積 最 小 的 部 份 稱 為 喉 部 (Throat), 噴 嘴 的 收 縮 段 入 口 連 接 著 火 箭 的 燃 燒 室 出 口 燃 燒 室 內 強 大 的 壓 力, 將 推 進 劑 燃 燒 生 成 的 熱 氣 推 入 噴 嘴 內, 先 經 由 收 縮 段 將 低 速 氣 流 加 速, 到 達 噴 喉 時 氣 流 速 度 已 達 音 速, 接 著 由 下 游 的 擴 張 段 繼 續 進 行 加 速, 使 得 噴 嘴 出 口 的 速 度 都 能 到 達 更 快 的 超 音 速 狀 態 固 體 火 箭 藥 柱 形 狀 (shapes of solid propellants) 9
固 體 火 箭 構 造 (Solid Rocket) 主 要 組 件 : 燃 燒 室, 推 進 劑, 噴 嘴, 點 火 器 液 體 火 箭 構 造 (Liquid Rocket) 燃 料 箱 液 體 火 箭 推 進 系 統 通 常 包 括 一 個 或 一 個 以 上 的 推 力 室 儲 存 推 進 劑 / 氧 化 劑 用 之 燃 料 箱 推 動 反 應 液 體 進 入 燃 燒 室 之 供 給 機 構 及 控 制 反 應 液 體 流 量 儀 器 因 此, 在 構 造 上, 液 態 火 箭 比 固 態 火 箭 複 雜 很 多 液 態 火 箭 簡 圖 10
火 箭 性 能 參 數 (specific impulse, Isp) 比 衝 值 (specific impulse, Isp): 單 位 燃 料 流 量 (Mass Flow) 所 能 產 生 之 推 力, 其 單 位 為 秒, 用 以 評 估 燃 料 使 用 效 率 推 力 重 量 比 (Thrust-to-Weight Ratio, T/W): 推 力 與 系 統 重 量 比 值, 用 以 評 估 飛 行 器 加 速 能 力 渦 輪 噴 射 引 擎 Isp 約 為 3000s 液 態 火 箭 Isp 約 為 400s 固 態 加 力 器 Isp 約 為 240s 固 態 火 箭 液 態 火 箭 固 態 液 態 火 箭 優 缺 點 優 點 1. 構 造 簡 單 操 作 容 易 備 便 迅 速 2. 沒 有 管 路 洩 漏 及 液 體 濺 出 的 問 題 3. 在 低 比 衝 應 用 時, 具 有 較 低 的 重 量 4. 儲 存 期 限 較 長 (5~25 年 ) 5. 體 積 較 小, 可 縮 小 載 具 外 型, 減 少 飛 行 阻 力 6. 可 靠 度 高 安 全 性 佳 1. 推 進 劑 能 量 高 可 提 升 火 箭 飛 行 速 度 與 加 速 能 力 2. 可 隨 意 調 節 推 力 及 燃 燒 時 間, 並 可 執 行 多 次 熄 火 與 再 啟 動 3. 各 部 份 組 件 經 由 週 全 的 檢 驗 後, 可 以 重 複 使 用 4. 多 數 的 推 進 劑 不 具 毒 性 5. 點 火 後 可 即 時 修 改 操 作 條 件, 以 減 少 發 射 意 外 與 失 敗 缺 點 1. 推 進 劑 能 量 較 低 燃 燒 時 間 較 短 2. 無 法 任 意 調 節 推 力 大 小 燃 燒 時 間 長 短 及 執 行 多 次 重 複 啟 動 3. 重 複 啟 動 時 須 使 用 個 別 點 火 器 4. 含 有 過 氯 酸 氨 的 推 進 劑 通 常 會 產 生 有 毒 的 排 氣 5. 火 箭 裙 焰 較 易 削 弱 無 線 電 波, 影 響 信 號 的 傳 送 6. 推 進 劑 含 鋁 或 其 他 金 屬 時, 在 排 氣 會 產 生 較 多 的 煙 霧 1. 構 造 複 雜 且 零 組 件 繁 多, 故 障 機 會 較 高 2. 低 溫 推 進 劑 不 利 於 長 期 儲 存 3. 整 體 重 量 過 大, 不 利 於 短 時 間 低 比 衝 的 應 用 4. 有 些 推 進 劑 的 洩 漏 會 引 起 危 險 腐 蝕 毒 性 及 火 災 等 問 題 5. 因 推 進 劑 密 度 較 低, 故 佔 用 較 大 的 體 積, 使 載 具 變 得 十 分 龐 大 11
火 箭 之 用 途 (Applications of Rocket) 火 箭 用 途 發 射 載 具 太 空 船 飛 彈 其 他 Launch Vehicle 亦 稱 為 運 載 火 箭 ; 將 人 造 衛 星 太 空 船 太 空 實 驗 室 及 太 空 人 或 貨 物 等 平 安 的 運 送 到 太 空 中 Space Shuttle Missile Others 發 射 載 具 (Launch vehicle) 12
發 射 載 具 (Launch vehicle) 雷 神 - 德 爾 他 (Thor-Delta) 擎 天 神 - 人 馬 座 (Centaur ) 大 力 神 ( Atlas) 太 空 梭 (Space Shuttle) Space Shuttle Main Engine (SSME) 由 於 拋 棄 型 的 火 箭 僅 能 使 用 一 次, 不 符 合 經 濟 效 益, 也 使 太 空 運 輸 與 太 空 探 祕 的 成 本 居 高 不 下 因 此, 經 由 彙 集 科 學 家 的 智 慧 與 經 驗, 創 造 了 可 重 複 使 用 的 再 用 型 載 具 太 空 梭, 從 1981 年 的 第 一 次 飛 行 迄 今, 太 空 梭 已 成 功 的 執 行 超 過 100 次 的 任 務 13
太 空 推 進 系 統 火 箭 應 用 在 太 空 推 進 系 統 ( 太 空 船 / 人 造 衛 星 ) 的 功 能, 可 區 分 為 : 主 要 推 進 : 主 要 推 進 的 任 務 是 提 供 切 入 軌 道 更 換 軌 道 及 在 軌 道 中 飛 行 的 動 力, 它 所 產 生 的 推 力 較 大 輔 助 推 進 : 種 輔 助 推 進 則 是 作 為 姿 態 控 制 轉 動 控 制 或 脫 節 分 離 使 用, 經 常 採 用 多 具 小 推 力 的 火 箭, 執 行 控 制 命 令 世 界 首 度 載 人 太 空 飛 行 1961 年 4 月 12 日 蘇 聯 發 射 東 方 一 號 蓋 加 林 成 為 第 一 個 踏 上 太 空 的 人 類 14
美 國 首 度 載 人 太 空 飛 行 1961 年 5 月 5 日 美 國 發 射 水 星 6 號 完 成 繞 地 球 三 圈 之 軌 道 飛 行 踏 上 月 球 的 第 一 步 1969 年 7 月 16 日 農 神 五 號 發 射 升 空 目 的 地 ~ 月 球 15
1969 年 7 月 20 日 阿 姆 斯 壯 在 月 球 上 留 下 了 腳 印 ~ 我 的 一 小 步, 卻 是 人 類 的 一 大 步 美 蘇 太 空 站 的 接 合 美 國 與 蘇 聯 從 競 爭 到 合 作, 太 空 發 展 邁 向 積 極 利 用 太 空 環 境 的 新 局 面 16
太 空 梭 的 登 場 從 用 過 即 丟 到 重 複 使 用 太 空 梭 的 加 入 使 人 類 在 太 空 活 動 的 範 圍 大 為 擴 展 哈 伯 太 空 望 遠 鏡 2.4 米 反 射 式 望 遠 鏡 於 1990 年 4 月 25 日 啟 用 17
國 際 太 空 站 的 建 造 太 空 發 展 邁 向 國 際 合 作 的 時 代 ~ 挑 戰 火 星 ~ 火 星 登 陸 計 劃 火 星 尋 路 號 (pathfinder) 18
生 物 圈 2 號 美 國 代 表 性 發 射 載 具 名 稱 泰 坦 (Titan 34D) (Delta II) 太 空 梭 增 力 器 (booster) (Scout) 級 個 數 0 2 1 2 2 1 3 1 0 9 1 1 2 1 3 1 0 2 1 3 1 1 2 1 3 1 4 1 推 力 ( 磅 ) 推 進 劑 發 射 重 量 酬 載 ( 同 步 軌 道 ) 2,400,000 vac 固 體 燃 料 1,091,000 kg 1,820 kg 529,000 聯 胺 / 混 合 物 101,000 聯 胺 / 混 合 物 23,800 固 體 燃 料 97,000 固 體 燃 料 132,000 kg 1,454 kg 207,000 液 態 氧 / 氫 231,000 氮 氧 化 物 / 聯 胺 9,645 固 體 燃 料 2x2,700,000 固 體 燃 料 3x470,000 液 態 氧 / 氫 107,000 固 體 燃 料 21,500 kg 45 kg 61,800 固 體 燃 料 21,000 固 體 燃 料 5,700 固 體 燃 料 19
飛 彈 (Missile) 各 式 飛 彈 我 國 天 弓 飛 彈 美 國 代 表 性 飛 彈 任 務 分 類 名 稱 直 徑 地 對 地 泰 坦 II (ft) 長 度 (ft) 推 進 級 數 / 燃 料 別 發 射 重 量 (Titan II) 地 對 空 標 準 飛 彈 1.13 15/17 2 級 / 固 體 1350/2996 空 對 地 短 程 攻 擊 飛 彈 (lb) 10 103 2 級 / 固 體 330,000 1.46 14 2 級 / 固 體 2230 (SRAM) 空 對 空 鷹 式 飛 彈 0.6 6.5 1 級 / 固 體 152 鳳 凰 飛 彈 1.25 13 1 級 / 固 體 980 響 尾 蛇 飛 彈 0.42 9.5 1 級 / 固 體 191 麻 雀 飛 彈 0.67 12 1 級 / 固 體 515 巡 弋 飛 彈 戰 斧 飛 單 1.74 21 固 體 增 加 器 / 渦 輪 扇 3,900 地 對 飛 彈 愛 國 者 飛 彈 (pariot) 1.34 17.4 1 級 / 固 體 NA 20
世 界 所 發 展 火 箭 比 較 1 Soyuz 2 Proton 3 Energiya/Buran 4 Ariane4 5 Ariane5 6 Long March 7 Delta-II 8 Atlas-II 9 Titan-III 10 Titan-IV 11 Space Shuttle 日 本 近 年 來 所 發 射 火 箭 1 L-4S 2 M-4S 3 M-3C 4 M-3SII 5 M-V 6 N-I 7 N-II 8 H-I 9 H-II 10 J-I 21
中 華 一 號 衛 星 與 發 射 載 具 的 構 造 中 華 一 號 衛 星 發 射 載 具 系 統 名 稱 系 統 廠 商 推 進 器 總 重 量 全 長 直 徑 空 時 推 力 低 軌 載 重 能 力 發 射 方 式 發 射 地 點 洛 克 希 德 一 型 發 射 載 具 (ATHENA-1/LMLV1) 美 國 洛 克 希 德 馬 丁 飛 彈 太 空 公 司 二 節 固 體 火 箭 63,500 公 斤 18.87 公 尺 2.36 公 尺 168,636 公 斤 585 公 斤 地 面 垂 直 發 射 美 國 佛 羅 里 達 州 卡 那 維 爾 角 (Cape Canaveral) 美 東 發 射 場, 位 於 北 緯 28.50 度, 西 經 80.55 度 22
中 華 一 號 衛 星 發 射 情 形 1999.1.27 發 射 升 空 www.nspo.gov.tw 中 華 一 號 衛 星 發 射 過 程 23
中 華 一 號 衛 星 發 射 過 程 順 序 時 間 ( 秒 ) 高 度 ( 公 里 ) 距 離 ( 公 里 ) 火 箭 及 衛 星 狀 態 1 0 0 0 第 一 節 火 箭 點 火 2 36 9.7 7.6 最 大 動 壓 3 73 36.6 52.2 第 一 節 火 箭 最 大 軸 向 加 速 度 4 97 62.9 112.2 第 一 節 燃 畢, 開 始 上 昇 滑 行 5 153 110.8 260.4 整 流 罩 脫 離 6 158 113.8 273.1 第 一 節 脫 離, 第 二 節 點 火 7 285 164.6 790.0 第 二 節 火 箭 最 大 軸 向 加 速 度 8 311 179.4 968.7 第 二 節 燃 畢, 開 始 轉 換 滑 行 9 981 501.9 5460.7 第 二 節 脫 離, 軌 道 調 整 模 組 點 火 10 1898 600.0 11371.1 調 整 模 組 停 火, 進 入 任 務 軌 道 11 3900 600.0 - 衛 星 定 位 12 3960 600.0 - 衛 星 伸 展 13 4120 600.0 - 免 除 碰 撞 與 污 染 之 操 控 14 軌 道 調 整 模 組 脫 落 24