【中華百科全書●工學●火箭】

楊籍富

【中華百科全書●工學●火箭】

 

今天人類能夠登陸月球，探測太空，其所依靠的工具，無他，即是火箭。

 

火箭不但幫人類完成征服太空的宿願，而且在國防上、工業上，皆有極大的貢獻，故今世界各國無不傾其物力、人力去研究，發展火箭，至於我國亦在積極發展中。

 

依照歷史的記載，火箭是我中華民族所發明的，據考證火箭是發明於宋朝，我國初創江南製造局之時，亦曾製造該項武器。

 

後來藉東西文化的交流，而傳於歐美大陸，隨後經科學家與工程師不斷的研究與改進，而成為今天登陸月球、火星及輸送人造衛星的主要工具，故人類能夠完成登陸月球的壯，我中華民族真是功不可滅。

 

火箭之所以能夠將人類送至月球，其主要原因乃是其能產生強大的推力（Thrust），至於推力產生的原因是藉牛頓第二、第三定律及熱力學定律推演出來，以動力與反動力為根據者，它表示出每一主動力均有一相對而且相等之反動力產生，如以一氣球將氣體在一方向洩出為主動力，則此氣球在相對之方向運動為反動力。

 

同理，使砲彈加速射出，必須在砲膛內放置之火藥所產生之氣體壓力在一相當時間內發作，由氣體壓力和時間所得之乘積即為衝力，此力等於砲彈質量和砲口速度之乘積，即所謂砲彈運動之能量。

 

火箭之推動亦有相似情況，若圖中在燃燒室產生熾熱之氣體壓力，則此氣體施展於每一方向之壁上同等之壓力，若在一方向開放，則此氣流即以超音速從此口衝出，同時在燃燒室封閉之方向即產生反動力，（見圖一）因此將火箭推動，此種前進之力等於一時間單位之氣流質量與其速度之乘積。

 

由此可知，若短時間內氣體之通過量愈大以及氣流速度愈高，則前進力亦愈大，故其前進力並非由流出氣體在其周圍環境之推移而產生，而全係一種質量以極高之速度在一封閉之系統內排出而生之反動力所致。

 

因此火箭係惟一可在無空氣層之推進工具。

 

圖二指出衝力原理和反衝力之實際運用情況。

 

如果推動燃料之儲藏完全轉變為前進力，火箭即有最高速度，其最終之速度係與質量微粒之排出速度和火箭之質料比例有關。

 

因此即理解其起始質量（包括推動燃料之起始質量）比末後質量（起始質量減去推動燃料量）大，故增加火箭之末速可用多階節之火箭達成，每一階節階有其本身之推動設備並儲藏有推進之燃料，最後一節連接載重，若一階節之燃料用完則機動式與其他階節脫離，下一階節產生之推進力因火箭之減輕一部分質量而增其速度。

 

（見圖二）火箭以發動動力的種類，可分以下各大類：一、化學火箭，可分為（一）固體、（二）液體、（三）液體與液體、（四）固體與液體等燃料之驅動火箭，在其燃燒室產生高熱之壓縮氣體，由一噴口加速衝出者。

 

關於固體物質火箭，其推動物質由燃料和氧氣合成，可在燃燒室有各種不同之表面型式和裝置，燃燒所生之熾熱氣體，在一拉瓦（Laval）噴口噴出，而產生驅動力將火箭射出。

 

（見圖三）此外亦有液態氣作用於個體燃料者，藉此可調節其推動力。

 

另外一種方法，其熾熱之壓縮氣體係由核子能產生者，將推動物質（氫，水等）在核子反應爐加熱及加速，其壓縮氣體然後亦由一噴口加速噴出。

 

以上之火箭推動設備比較，係在短時間之燃燒，在幾秒鐘、幾分鐘、幾小時內發生高度推動力，因此可將荷重由地面昇起者。

 

太空火箭則有較高之負荷，並用較低之推動力，但可長時閒燃燒，故可運用於太空飛行。

 

二、電氣火箭係電氣熱力火箭或電弧火箭，與化學及核子火箭相似，亦以推動物質加熱（氫，氦等），然後噴出而加速其質量者，其加熱方式則以電弧之力點燃。

 

三、靜電或離子火箭則賴靜電之電場，使離子於最小之推動力作最大之反衝力加速。

 

此種構造系統上有離子產生器和離子加速器以及一中和之區域，在此處可滲進電子，使其電力平衡。

 

四、電磁火箭、液漿火箭或磁性水力火箭（MHD,MagnetohydrodynamischenRaketen）則為加速一種液漿，即用一種離子氣體，多於百分之五十之充電離子，在電場起作用者。

 

電力之產生，必須在火箭飛行體內裝設電源，譬如核子能設備（分裂、控制其擴散）。

 

射程較遠之火箭，常用液體發射藥，且因構造簡單不需要導引裝置，故謂之自由火箭。

 

所謂飛彈者必須包含（一）火箭引擎、（二）飛行控制設備、（三）導向目標裝置、（四）彈頭（高級炸藥或原子彈頭），故火箭僅為飛彈的一部分而已。

 

一般依照火箭與飛彈之用途，可區分為：反坦克火箭、砲兵火箭、近程飛彈（如美國之上等兵【Corporal】、上士飛彈）、中程飛彈、洲際彈導飛彈、防空火箭與飛彈（美海軍之特利害【Terrier】）、我國勝利女神飛彈、蒼鷹飛彈)、海對海飛彈（我國之雄蜂飛彈）、空對空飛彈（我國之嚮尾蛇飛彈）、潛艇專用飛彈（美北極星飛彈）、V-１型飛彈（美空軍之屠牛士及海軍之萊古拉斯飛彈）等等。

 

若由導引裝置來區分，則有紅外光或無線電搜索目標與追擊目標之近射程飛彈（無線電易受干擾，紅外光則發自目標本身，不致錯誤，因此多用於飛機攻擊飛機或自地面射擊直昇機等）、慣性導引之遠射程飛彈(利用力學上之動體慣性以控制飛彈之飛向目標)、雷達導引之防空飛彈、有線及無線指揮導引飛彈(藉此搜索空中敵機，敵機目標既得之後，用追蹤雷達以事窮追，然後用控制射擊的雷達，使防空飛彈接近目標而予以炸毀)及天體導航或其他各種方式如電波束導引等飛彈。

 

火箭發射器依照發射架的型式可分為垂直分散爆震無軌V2式發射台、垂直滑軌式發射架、可調整角度滑軌式發射架、單管火箭筒式發射器、多管火箭筒式發射器、機動性車輛上垂直式發射架、機動性車輛上可調角度式發射筒，飛機上火箭發射架、艦艇上飛彈發射架及潛艇上飛彈發射器等等。

 

依照火箭驅動方式來區分，則有輪機泵浦輸送液體燃料之火箭驅動方式、壓縮氣體輸送液體燃料之火箭驅動方式、圓筒壓力室固體燃料之火箭驅動方式、及外殼關聯管式之大火箭驅動方式、靜電場之火箭驅動方式、考夫曼離子之火箭驅動方式、串連式多節火箭驅動方式、分段平行裝置多節之火箭驅動方式、平行裝置多節之火箭驅動方式、置多節之火箭驅動方式等。

 

總而言之，在空氣稀薄之月球或其他行星，不需發射架，僅靠太空艙本體之四腳支持，即可發射，使太空艙上昇而回地球；

 

在地球表面，有空氣阻力，在起動速度不很快速的火箭如德V1，需要滑軌，首先沿滑軌導向一段距離，然後，由慣性自由上升另一段距離之後，由導向裝置來控制行程。

 

起動速度快速平衡良好的火箭，直立架夾持若干點，使不傾倒，並只設置如德Ｖ2分散爆震裝置，不需軌道就可垂直發射至第一節發射藥使用完了，第一節發射筒掉落後，再由導向裝置控制方向即可。

 

短程慢速之火箭，大多利用圓筒型火箭發射筒發射，使火箭保持一定之發射角度，以達預期之目標。

 

（林裕發）

 

引用：http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=9047