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欢迎大家 再次回到《力学与现代生活-

开启科学人生》的课堂！

我们这里学习第五章的第六节：

“飞天--从火箭 到阿波罗登月”

这节课里面 我们给大家简单介绍一些

航天技术的基本知识--

包括火箭的 基本知识

和 阿波罗登月工程，

以及挑战太空的 未来航天器，

空天飞机的创新。

下面我们先看看 火箭--

这一关键的 推进器。

下面我们 进行下一部分 就是--

关于飞天 我们 介绍一下从 火箭

到阿波罗登月 这些航天器 它的发展。

我们的宇宙 是非常美妙的，

几千年前啊

人们都梦想像‘嫦娥’一样地‘奔月’--

能够 到达月亮上去。

飞天 跟这个航空飞行呐 是不一样的--

有巨大区别的！

那么飞天呢 需要更大的 推力 加速飞行器，

那么干嘛呢？是为了逃出 地球的引力作用，

才能进入太空...

那么我们 知道 产生巨大推力，

现在广泛用的就是“火箭”，

包括 军事和民用探空 运载火箭。

我们国家古代 都发明了‘冲天爆竹’，

(大家知道)

但是 真正地打开 飞天大门呢

还是火箭的生产制造。

火箭的设计原理 最早由俄罗斯-

齐奥尔可夫斯基

得出一个‘计算推力的公式’，

以及 它的‘速度计算公式’--

比如说：单级火箭 最大能达到 多大的速度--

这个公式就在这里：

V等于W 乘上 ln，真数是这个分子 M0 除以 Mk，

W --就是火箭喷气速度，

M0呢--火箭起飞时的总质量，

这个Mk呢--发动机停火时候 剩余部分的质量，

ln就是我们知道的 自然对数的符号。

我们再 看一看 火箭 推动运载体--

航天飞行器，

能够逃离地球的引力，

有一个所谓的‘逃逸速度’--

也叫‘第一宇宙速度’，

也就是 摆脱地球引力的最低速度，

它是 每秒 7.9公里。

目前呢 我们 推进剂--

假若它 按照每秒 2到3公里

喷气速度来喷气的话，

火箭结构呢 它受到材料的限制呢

一般 最多能达到--

像 M0比Mk

达到10--也就是相当于蛋壳这么一个比例,

那么按照俄罗斯 齐奥尔可夫斯基 这个公式呢

我们可以算到：

(一) 单级火箭呢 最多能够达到

每秒钟 5到7公里的速度，

还 小于我们的 第一逃逸速度。

所以呢 齐奥尔可夫斯基 1911年 就预言：

“单级火箭 难以逃离地球的引力!”

其实火箭的升空原理呢 非常简单--

就是简单的“牛顿第二定律：F等于ma”

我们这个 产生的加速度 a 可以反推过来就是等于

火箭推力 除以 火箭本身的质量，

那么 利用这个高速喷射气体 反推火箭 本体。

那么 单级不行 我们看看 多级火箭--

所以现在 都用多级火箭 来发射航天器。

我们看看这个三级的火箭，

最终能达到多少速度？

我们看: 一级 达到1.48w;

(w就是 喷流速度)

两级 能达到1.51w；

三级 能达到1.95w。

那么算下来 这个三级的、最终的、

产生的 火箭 速度呢 是每秒 9.9公里--

这就超过了 第一逃逸速度--7.9公里！

但是 得到这种 逃离地球引力的结果啊

也是付出代价的！我们看看这个表里面--

弹壳本身的重量，

还有 它自己的燃料 重量，

这里面 可以做一个比较：

我们 一级弹壳本身--

假若是1吨重的 火箭本体的话，

也叫‘有效载荷’吧

那么 一级 它燃料 就要6吨；

二级 要60吨；到三级呢 要600吨！

所以呢 我们说 搭载物 如果说 1吨的话 搭载物，

就需要600吨的燃料，

这个代价还是非常大的！

所以一般的 国力 不太强的 不一定去搞这个航天发射啦。

那么下面我们看看 运载火箭：

(刚才我们只是简单介绍一下运载火箭的原理)

所谓的‘运载火箭’呢

就是‘运载航天器 所需要的火箭’

那么运载这个卫星、飞船、空间探测器...

现在有些都可以 回收的。

那么 运载火箭的要求比较高--

我们知道 一旦 启离发射架，它就无法停止了！

所以呢 独立 研制 和发射的 国家、组织

目前在世界上 并不多。

我们看看 大家可能知道 有哪些国家？

有哪些 比较有代表性的运载火箭？

目前呢 我们知道 有: 中国、美国

俄罗斯、法国、

欧洲 航空航天局，还有：日本、印度--

这些 国家和组织 能够 独立 自行 研制和发射

运载火箭。

像：美国的 Delta、土星号、宇宙号、

大力神号；

俄罗斯的 质子号、东方号、联盟号、

能源号、宇宙号；

欧洲的 阿里安号，日本的 N号

和中国的 长征系列。

那么 运载火箭呢 它的基本结构呢 分这个三级：

第一个是 本体、推进和飞控系统--

也叫‘基本级’；另外呢 它的‘末级’呢--

遥测、控制、发射场的安全系统；

还有顶端的 ‘有效载荷’--

当然有效载荷 都要通过整流罩保护，

当这个运载火箭 逃出 出了大气层以后，

就可以 把 整流罩 脱落掉。

我们看看这个 火箭的连接方式：

推力强大 所以有效载荷大的这种运载火箭呢

它 第一级的外围呢 都是这种‘捆绑式’的 助推火箭，

固体推进剂呢 2到8只--

它会 尽早在大气层里边 抛掉。

那么 火箭的连接方式有这三种：

一种是'串联式'的 (我们看看这个图片),

还有 '并联式', 还有'混联式'的。

那么 我们用的有 "固体火箭"和"液体火箭"两种--

这个固体火箭呢

它是 里边装的像火药一样的这种固体燃料，

还有这个仪器舱、还有这个燃料仓、还有燃烧室。

那么它的优点呢 就是结构比较简单、制作方便，

装入这个固体燃料以后呢 可以长期存放，

随时可以点火；

它的缺点就是 点火以后 燃烧时间很短，

燃烧的激烈程度呢 没法控制。

所以现在呢 我们 就 更多地采用这个液体火箭。

(我们看看这个图片)

它也是 仪器舱、氧化剂室、燃料供应泵、

燃烧室，以及后边的喷口。

它的优点 就是燃烧时间长、便于控制--

控制那个推进剂的输送，

也可以使这个 火箭 停火、重新点燃，

控制火箭的飞行速度 操纵 都很方便；

缺点呢 就是 燃料 不容易储藏, 成本比较高。

我们看看这是我们中国的

长征系列的运载火箭，

(这两个图片 非常大、非常体高)

它外面有一些捆绑式的、辅助的助推火箭。

那么这个 两个图片呢 显示这个火箭的发射过程--

从地面的 静止 到点火 到升空...

这些阶段的图片。

其实大家观看 我们‘神舟’啊

这个飞船发射的时候，都能看到

基本的发射过程。

这个 运载火箭呢 它的飞行呢 有一定的程序--

我们看看 有下面几个阶段：

第一个是 “大气层的飞行段”

这时候呢 在发射台上垂直起飞--

离地 几十秒、十几秒呢 保持这个 垂直状态；

然后进入‘自动方位瞄准’；

再 转入所谓的‘零攻角飞行’，

这个零攻角飞行呢 就是减少空气阻力、

提高效率；然后 在这一阶段呢

从‘亚音速’ 到‘跨音速阶段’。

第二个阶段呢 就是“等角速度飞行”

这时候呢 第二级火箭 点火；

然后飞出大气层 抛去整流罩；

然后进入 所谓的 ‘等角速度’

和‘最小动量’的‘低头飞行姿态’；

然后再进入 到达这个‘停轨高度’，

(我们这个停轨高度 指这个 绕地球的轨道--

近地球的第一 近轨道、停轨高度 和速度）

然后再进入 ‘停泊轨道滑行阶段’

最后呢 再进入 ‘对低轨道’航天器；

那么 这时候 如果是完成了运输任务，

这时候就可以 予以有效的载荷

进行分离。

第三阶段呢 就是我们叫“过渡轨道”

对这个 高轨道的、执行星际任务的

这样的 运输任务呢

这个末级火箭呢 在停泊轨道上 滑行，

达到预定的高度，

一般 是离地球啊 最远的那一点，

这个时候 再开始工作，

使得 航天器达到过渡轨道、

达到逃逸速度，

与航天器分离，

这个期间呢 进行飞行器的姿态调整，

大致这三个阶段。

另外 我们 运载火箭把飞行器

送到预定轨道之后，

航天器呢 有两种入轨的形式：

第一个是 “低轨道的航天器”

它直接入轨, 火箭不停火、不停机，

达到这个入轨速度、高度以后呢

火箭开始脱离，

这时候 我们的航天器呢 也进入滑行的状态...

而第二种方式呢 就是“高轨道的航天器”

它是在过渡轨道滑行，

这时候 火箭呢 是停机的，

达到一定高度的时候 再次点火，

达到这个 入轨的高度和速度的时候，

才 和这个航天器分离，

对于 远距离飞行的时候，

火箭 交替 滑行和点火。

那么 在这种 姿态调整、火箭控制 这些系统

包括遥测，这些都非常关键！

飞行的方向 假若 不准的时候，

非常容易坠毁！

所以 经常会 发现一些

航天发射 成功 还是失败的问题。

飞行器的姿态控制 非常关键！

姿态控制呢 大部分 (我们知道)

用这个“动量守恒”的原理来设计--

进行轨道设计、动态调整...

下面我们看看这个 “阿波罗登月工程”--

就是我们人类

第一次 登上月球的一个重大工程。

这几个图片 是 显示了它的 发射的过程

和这个 登上月球的照片 (大家可能都见过)，

以及它的 着陆到 月球表面的 登月舱。

这个工程呢 我们简单描述一下：

它是 1969年 7月20号 到21号 首次飞行，

到1972年12月 它一共飞行了11次，

这个耗资 255亿美元，

参与的人数 超过30万人。

那么 它是 1969年7月16号下午 9点32分，

土星号 运载火箭 在佛罗里达的

卡拉维拉尔角 航天中心 升空，

2天半以后 接近月球轨道，

绕行1天以后 降落1小时 到达月球表面--

当时是 美东部时间 7月20号的 下午 4点50分。

这个 航天员 考察了 1个多小时以后呢

返回登月舱 再升空，

并且 与月球的轨道指挥舱 对接，

最后 抛弃 登月舱 飞回地球。

我们看看 这个登月舱的详细图片--

它的结构：

这里边 还是蛮复杂的--

基本上 有：燃料、燃料箱，

还有 着陆的装置、天线、登月梯、

航天员进出口、超高频天线，

还有 姿态控制发动机，

还有 上升级的发动机、着陆器...这些。

首次登月呢 它还做了一个“撞击实验”--

就是这个 抛弃登月舱啊 射向月球，

然后 产生长达 55分钟的 ‘人工月震’的

模拟那个陨石 撞击实验，

看到这个图片--它的航天员的脚印。

它登月的地点 现在起名叫“静海基地”

阿姆斯特朗 那位飞行员，

这是阿波罗十一号的图片。

‘阿波罗号 登月飞船’ 它的发射、飞行、

回到地球 经过了大致五个阶段：

第一个阶段呢 我们看看：

是这个 土星 五号 大推力火箭发射升空；

进入绕地轨道，

然后 第三级火箭 这时候先熄火；

第二个阶段：

第三级火箭 自动点火，

然后飞船 脱离地球引力，

飞船与登月舱呢 对接，

三级火箭 这时候才和 飞船 脱离；

到了 第三阶段：

就是 我们 飞船进入了绕月轨道，

航天员进入登月舱，

登月舱和指挥舱 以及服务舱 进行分离；

第四个阶段：就是 登月舱着陆--

着陆到 月球表面；

最后阶段：我们 乘 登月舱 返回 绕月轨道，

这时候 和这个指挥、服务舱 对接，

再返回地球。

我们其实 这个整个过程呢 难度最高的--

我们知道 它从地球 往上 升空到太空

相对容易，

但是 从月球表面 再返回 月球的引力圈--

就是这里边 跟等待在 绕月轨道上的

指挥、服务舱对接 再返回地球，

这一阶段 是一个非常关键的技术！

我们国家 现在也在进行这个登月工程--

现在 刚刚 大家注意看到新闻：

我们的“神舟十一号 发射成功”

就是为着“登月工程”做准备的!!

最后我们看看 “人类挑战太空的航天器

走向何方？！”

我们目前人类发射的这个航天器 99%的

都属于‘人造 地球卫星’

大家如果看到 太空这个垃圾的照片啊

有很多 99%都是我们人造卫星

产生的一些积物、一些碎片，

还有 废弃的卫星...都在我们 周围 悬浮着...

不同高度的卫星呐

它的环绕速度 和逃逸速度 是不一样的，

我们有些教材 给了一些对比的表格，

我们可以去查阅 看一看。

卫星呐 它受 在太空里边，

它也会受到一些力的作用，

不说‘太空’ 光是没有失重、没有地球重力

其实它还是受到很多力的作用--

我们看看 受哪些力呢？

有：地球的引力，还有 月球的引力、

大气的阻力、还有 太阳光辐射压力...

等等 等等。

在长期的 运行 作用下，

它会产生一些所谓的‘摄动’，

这些摄动力 作用的结果 会使得 这些卫星，

(包括我们其它飞行器) 它会

偏离原来的预定轨道，

最后就会造成 坠毁、逃逸事故。

那么 对于卫星轨道的控制 这一块，

我们也要用到 所谓的“多体动力学”--

N体--研究N体问题，也就是‘多体问题’，

“摄动力学”

我们前面讲过这个 我们的钱伟长同志

有这方面的一些文章。

这里边 涉及到 “非线性 动力学系统”

它的数学 求解非常困难！

我们对这个 开普勒 轨道--

也就是‘两体问题’

它的 应用摄动法 来修正、跟踪、调控--

这个 卫星的姿态，

使得 它保持在 卫星轨道上，

一般调控呢 都是用小型的喷气发动机来调。

关于 卫星的姿态控制，

我们 有一些不同的方法--

像：自旋稳定法、重力梯度稳定法、

磁力稳定法、三轴稳定法。

当这个 我们调整卫星姿态的喷气发动机

能源耗尽的话，

这时候 我们这个卫星呢 就会 没办法再调整，

只能达到了寿命，它就会偏离轨道 坠毁！

这个飞行器啊 实际上 设计 到控制--

它的整个 涉及到的

力学问题、数学问题 非常复杂！

我们看到这里边 它的流场计算、

湍流流动的稳定性、非线性流动--

它的数值模拟计算，

大型的 工程计算软件的应用，

都是我们 研究 航天飞行器的重要工具。

关于 载人的航天 飞船呢

目前只有美国、俄罗斯和中国

有这样的研究 和发射。

‘航空-航天’飞机呢 我们把它简称为“空天飞机”

我们看看 这个 一系列的图片--

不同 结构形状的 空天飞机，

(大家熟悉的) 美国的 “挑战者号”，

还有 这空天飞行器，这是我们中国的

研制的这个“神舟” 登月飞船 在装备的状态。

其实 我们中国的神舟号啊

这个飞船啊 它采用了‘小动量’的空间

火箭技术。

有人说：它 能够 小动量空间技术啊，

能够突破这个美国的 战区防御导弹--

TMD、NMD 是它的‘克星’！

最后 让我们一起来 畅想未来：

我们可以 设想中的 空天飞机啊

像普通飞机一样，

既能够以 高超音速 在大气层内飞行--

就是 30到 100公里的高空，

速度能达到 12 到35倍的 音速，

又能够直接加速 进入地球轨道 成为航天器，

然后呢 完成 空天任务之后，返回我们大气层，

然后像 飞机一样地 着陆，

自由方便地 往返大气层。

这里呢 最后我们 衷心地祝愿大家：

未来的学习、工作 与现代生活，

也能乘上 ‘空天飞机’，

自由突破 ‘地球引力’的束缚，

插上 ‘高超音速’的翅膀，

更高、更快地 飞向 自己的 “理想王国”...!