第10章機械能內(nèi)能及其轉(zhuǎn)化

2021/6/11從地球到太空地球是人類文明的搖籃，可是地球的引力又把人類緊緊地束縛在地球表面；大氣層為人類營造了安全、溫暖、濕潤的生存環(huán)境，可是它又限制了人類的視野和活動范圍。不過，人類的想象力和探索精神并不會因此泯滅。一百年來，科學家和天文愛好者們一直在為實現(xiàn)人類飛出地球的夢想在做著不懈的努力……2021/6/112021/6/11現(xiàn)代火箭的先驅(qū)俄國人齊奧爾科夫斯基是現(xiàn)代火箭理論

的奠基人。他生于1857年，從小自學，40歲左右開始研究火箭。1903年他發(fā)表了著名論

文《乘火箭飛船探索宇宙》。他最早從科學

的角度論述了人能夠在宇宙空間工作和生活。他的理論完整、系統(tǒng)，至今在任何一本講述

火箭理論的書中都會講到他提出的理論、公

式，俄國人稱他為“火箭之父”。2021/6/11火箭誕生的歷程1920年哥達德（美）開始試制液體火箭1926年3月16日哥達德（美）成功地發(fā)射了世界上第一枚液體火箭1939年奧伯特（德）使液體火箭豎直上升91米火箭的基本原理（1）我們都知道牛頓第三定律，即作用力與反作用力定律。在航空領(lǐng)域里，火箭就是應(yīng)用牛頓第三定律的杰出代表。火箭正是靠著燃料推力產(chǎn)生的反作用力而沖上云霄的。2021/6/11火箭的基本原理（2）火箭飛行的另一個重要依據(jù)就是動量守恒定律。燃氣噴發(fā)時做反沖運動，作用力很大，作用時間短，從而使火箭獲得很大的速度，進而飛入太空。2021/6/112021/6/11固體火箭的推進劑為固體，這種推

進劑又稱為“火藥”，火藥鑄成塊狀，

排放在箭體內(nèi)，占了大部分空間。固體

火箭結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，裝入火藥后

可以長期存放，隨時可以點火；點燃后

燃燒時間短，燃燒的激烈程度無法控制，發(fā)射時震動大，因此它不適于發(fā)射載人

的飛行器，多用于軍事方面。2021/6/11固體火箭推進原理示意圖2021/6/11液體火箭的推進劑為液體，燃料和氧化劑的組合情況很多，如酒精和液態(tài)氧、煤油和液態(tài)氧、液態(tài)氫和液態(tài)氧等。液體火箭燃燒時間長，便于控制，控制推進劑的輸送，可以使火箭停火、重新點燃，從而控制火箭的飛行速度，操縱很方便。液體火箭的燃料不易儲藏，成本很高。它是進行宇宙航行的主要交通工具。2021/6/11液體火箭推進原理示意圖2021/6/11火箭提速依據(jù)的公式齊奧爾科夫斯基曾經(jīng)提出了一個公式：V=μlnM0/Mk這里，v是發(fā)動機?；饡r火箭的速度，μ是噴氣的速度，M0是火箭起飛時的總質(zhì)量，

Mk是發(fā)動機?；饡r（即推進劑燃盡后）剩余部分的質(zhì)量，ln是自然對數(shù)符號。2021/6/112021/6/11怎樣給火箭提速？由齊奧爾科夫斯基的公式可知，火箭

飛行速度與μ和M0/Mk的自然對數(shù)成正比，即噴氣速度越大，所攜帶推進劑越多，火

箭最后能達到的速度也就越大。因此我們

考慮尋找超高能燃料提高噴氣速度或是提

高質(zhì)量比M0/Mk。事實上，目前尚未研制出用以提速的高能燃料；而若想提高質(zhì)量比，就要在不改變推進劑質(zhì)量的前提下減輕殼

體質(zhì)量，這樣也是行不通的。于是，人們

想出了給火箭“接力”的辦法?；鸺敖恿Α钡娜N形式串聯(lián)式2021/6/11并聯(lián)式混聯(lián)式第一顆人造地球衛(wèi)星為了使航天技術(shù)更好地為人類服務(wù)，人造衛(wèi)星誕生了，它可以環(huán)繞地球運動，搜集資料和傳輸各種信息。1957年10月4日，一條火龍騰空而起，為月球添了一個新伙伴，它就是前蘇聯(lián)發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星“東方一號”。2021/6/11中國的第一顆人造衛(wèi)星1970年4月24日，隨著一曲《東方紅》的旋律在神州大地上回響，我國自行研制

的“東方紅一號”人造衛(wèi)星由“長征一號”運載火箭發(fā)射成功，從而標志著中國

成為繼蘇聯(lián)、美

國、法國、日本

之外世界上第五

個能夠獨立發(fā)射

衛(wèi)星的國家。2021/6/11航天飛機的誕生載人飛行是

一件嚴肅的事情。要解決一系列復

雜的技術(shù)問題和

醫(yī)療、生物學問

題。對此，火箭

無能為力，于是

人們想到了航天

飛機。2021/6/11航天飛機的發(fā)射實況2021/6/11宇航員在航天飛機貨艙內(nèi)工作的情景2021/6/11從月球走向太空隨著科技的進步，人類把眼光伸向了月球。1969年，美國發(fā)射了“阿波羅

11號”月球探測器。下圖是它的示意圖。2021/6/11月球上的第一步1969年7月20日22時56分20秒，美國宇航員阿姆斯特朗走出登月艙，標志著人類邁出了走向

月球的第一步。2021/6/11認識太陽系從認識月球開始，人類已基本了解了太陽系其它行星的大致情況。2021/6/112021/6/11中國的載人航天事業(yè)經(jīng)過40多年不懈努力，中國已擁有一支技術(shù)高超的太空科技隊伍，已具備發(fā)射宇宙飛船的技術(shù)實力。1999年11月20日，中國第一艘載人實驗飛船“神舟號“發(fā)射升空；2001年1月，“神舟二號”也順利升空，中國將在下一階段實施載人航空實驗。中國的“二一一”計劃據(jù)有關(guān)資料報道，中國將在二十一世紀初完成“二一一”計劃，計劃內(nèi)容包括：建成衛(wèi)星共用平臺和新一代運載火箭系列兩大2021/6/11型譜；建立一

個天地一體

化的綜合衛(wèi)

星應(yīng)用體系；實現(xiàn)一個空

間科學研究

與探測工程。人類是偉大的，人類探測空

間的歷史也是不平凡的。從1926年世界上第一枚液體火箭試制成

功以來，差不多80年的時間過去

了，我們對于空間領(lǐng)域的探