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神舟:载人航天的故事-第5部分
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推进剂比较
推进剂类型 性能
液氢（燃料）液氧（氧化剂）燃烧效率很高多用于航天飞机及运载火箭末级昂贵、不易储存
混肼…50（燃料）四氧化二氮（氧化剂）燃烧效率一般多用于中型火箭价格适中、较易储存
RP…1高精炼煤油（燃料）液氧（氧化剂）燃烧效率一般多用于火箭第一级价格适中、不易储存
肼（燃料）四氧化二氮（氧化剂）燃烧效率一般自燃、多用于卫星价格相对便宜、腐蚀性极强
固体推进剂由油灰或橡胶状的可燃材料构成，是燃料和氧化剂的混合体。烧固体推进剂的火箭称为固体火箭。固体火箭的箭体与液体火箭的箭体差别不大，但内部没有推进剂储存箱，而是把整个火箭体的内部从上到下装满固体推进剂。在火箭体的中心有一条窄窄的圆柱形缝隙贯穿推进剂的模芯，该缝隙称为燃烧室，它可使推进剂从上到下均匀燃烧。火箭底部的喷管，将燃烧室的排气导入合适的方向。
由于燃烧室是推进剂在中间留出来的缝隙，如果这个缝隙是圆柱形的，当火箭顶端的点火器击发点火后，随着燃烧的继续，燃烧室的表面积开始增大，使得推进剂与推进剂接触的面积增大，每一时间燃烧的推进剂开始增多，产生的推力也相应的加大。因此火箭在最初产生的推力较小，但随着时间的增加，推力逐渐增大，直到燃烧的最后阶段火箭获得最大的推力。考虑一下如果缝隙的形状不同，那它产生推力的效果也会不同。星形开缝在整个加力期间会均匀的产生推力，但推进剂要比圆柱形的燃烧快一些。现在火箭推进剂模芯中开的缝隙形状分为圆柱形、管形、星形、多翼形、十字形等。
与液体推进剂相比，固体推进剂最大的优势在于它可以在室温下储存。而且发动机不需要其它复杂的部件，而液体推进剂的发动机要求有专门的设备来控制液体注入燃烧室。当然也正是由于这个原因，使得固体推进剂的燃烧不容易控制，在燃料没有烧完的情况下，很难实现发动机的关闭，因此不具备多次点火的能力。早期的固体火箭基本都是一次燃烧，但随着技术的发展，现在已经出现多次点火的固体火箭。
火箭学：火箭级分离
为了提供航天器的入轨速度，需要火箭具有足够的推力，为了提高运载火箭的推重比，航天工程师在设计火箭时考虑的一个主要因素就是运载火箭的重量；但另一方面为火箭提供推力的推进剂在火箭的重量中占有很大部分，要有持久强劲的推力必然需要更多的推进剂以及更大的推进剂储存箱。这就成为航天工程师在设计中面临的一个矛盾。
推力重量比（Thrust…weight ratio）表示发动机对飞行器单位重量所产生的推力，简称为推重比，是衡量发动机性能优劣的一个重要指标，推重比越大，发动机的性能越优良。先进战斗机的发动机推重比一般都在10以上，现在运载火箭的推重比约为～（固体火箭的推重比可达以上）。
当你外出旅游时想带这个又想带那个，但最后发现包裹太大太重。怎么办呢？一个办法就是舍弃一些你想带的东西，这样在旅途中会轻松很多；另一个办法就是背着所有的东西，但你可能就会气喘吁吁了！
为解决这个问题，工程师们采用火箭级分离的技术，用来增加火箭的效率。串联式多级火箭是由多个（两个或两个以上）首尾相接的圆柱形箭身组成的。有效载荷通常安置在多级火箭顶端的整流罩内。每一段称作级火箭的箭身都带由自己推进剂、推进剂储箱、火箭发动机、仪器装置以及容纳这一切的箭体结构。飞行开始时，只有底部一级即第一级推动整个火箭。第一级的推进剂燃烧完毕之后，小包炸药断开第一级与下一级（第二级）火箭箭体的连接，第一级火箭脱落，由第二级火箭把剩余的部分向上推起。这样的过程一直持续到最上一级火箭发动机关闭、卫星进入轨道为止。在多级火箭中，因为第一级火箭必须把自身和其它各级火箭，以及有效载荷全部推动升向空中，所以第一级火箭所装的推进剂量总是超过其余各级，使用的发动机功率也比其它各级大很多，通常第一级火箭占起飞质量的50％。
火箭级分离的优越性在于随着火箭的上升，推进剂燃烧完的一级会即刻脱落，这就减少了推进剂的总用量，因为多级火箭不用为无用的箭体结构增加速度。目前的运载火箭一般有2~4级组成。为什么不具有更多级呢？简单的看，火箭级数越多性能越好，但实际工程中发现如超过三到四级，性能则会下降，因为每级火箭实际上都是一个相对独立的系统，各自都包括箭体结构，发动机以及其它辅助操纵控制系统，这就使操作程序和设计变得十分复杂。而分离已用过的火箭级，并启动上面一级的火箭发动机，也并不是一个简单的过程。
这类“越多越好”的问题在我们的生活中处处存在，比如软件工程中参加一个项目的人数越多，并不意味之工作效率、产品质量越高。实际上在各项领域的工作中这个问题始终是我们需要解决的一个问题。“人多力量大”并不是完全正确的！ 。 想看书来
今天，许多运载火箭采用了串联加并联的混合式多级火箭技术。方法是在第一级火箭的外围装上一枚或更多的助推火箭，这种火箭称为捆绑式助推火箭，或零级火箭。它们通常和第一级火箭发动机同时推进，产生更大的推力，以帮助火箭在飞行的最初几分钟加速。这些助推火箭的推进剂一旦烧完，爆炸螺栓即可将其从第一级中分离出去。助推火箭的数量可根据运载能力的需要来选择，在火箭周围捆绑时要对称排列。常见的组合是，采用两到三级的串联是液体火箭，在第一级捆绑几枚固体助推火箭。现有的大多数火箭都超过了30米。
火箭学：从发射到入轨
运载火箭是从发射台上开始它的旅程的，发射台上矗立着一座金属塔，称为发射塔或发射架，它为技术人员提供了从地面进入火箭的通道。发射塔还提供管道，帮助从地面储存罐向火箭上输送推进剂。在发射台上火箭是垂直竖立，发动机朝着地面，整流罩指向宇宙。
火箭为什么要垂直发射？
我们可能很少去思考火箭为什么以垂直的方式发射？只是认为到它就应该是这样，因为从古到今就是这样发射火箭的，把它作为一种事实接受了下来，而且它是向宇宙中发射的。但实际上采用垂直方式发射是考虑到很多因素的：
①运载火箭的体型庞大，长达十几米至几十米，直径几米至十几米，如果倾斜发射就得有一条比箭体更长的滑行轨道。这种滑轨不仅相当笨重、稳定性差、行走困难，而且发射时所产生的振动，势必影响火箭的命中精度。何况放置滑轨就得有一个很开阔很平坦的发射场。同时，由于火箭处于倾斜状态，点火启动时尾部会喷射出高温高速高压燃气流，因此还需要有一个相当长的安全区。
②火箭的飞行绝大部分时间是在大气层以外的空间。垂直发射有利于迅速穿过大气层，减少因空气阻力而造成的飞行速度损失。当然，这种垂直飞行的时间不宜过长，否则，在重力作用下，火箭的飞行速度损失就很大。所以，目前运载火箭的垂直飞行段一般在4～10秒范围之内。
③采用垂直发射，可以简化发射设备，它所有的发射台上可以设计得很紧凑，并且能够很方便地使竖立在发射台上的火箭在360°范围内移动，从而满足改变射向的需要，并保证火箭系统的稳定性和隐蔽性。
④大型运载火箭所用的推进剂一般都是液体的，因此，垂直状态发射便于推进剂的精确加注或泄出。
⑤现在大部分运载火箭采用的控制系统。它要求火箭在发射前精确地确定它的初始位置，这样才能保证有效载荷准确地进入地球轨道。而垂直发射对实现这一要求，要比倾斜发射方便得多。
⑥运载火箭的推重比一般都比较小，火箭垂直放置发射台上，发射时只要推力稍微超过起飞重量，火箭就可以腾空而起。随着推进剂的不断消耗，火箭的重量逐渐减小，飞行速度愈来愈高。
由此可见，垂直发射对于火箭的加速和能量的利用，都是十分有利的。
当火箭发动机启动，第一级火箭点燃时，火箭就开始脱离发射架上升，要完全通过发射塔需要花费几秒钟的时间。离开地面的十几秒内火箭一直保持垂直飞行，之后为了保证按合适的方位飞行，排气口的万向节按预定程序立即旋转，使火箭从垂直角度稍微倾斜，但基本还是垂直向上飞行的。一开始火箭的加速过程也并不是十分的明显，因为第一级推进剂还在，火箭的重量依然大的惊人。在上一级推进剂烧完时，重力使火箭缓慢地从微倾斜角度转入水平方向的飞行。这一被称为重力转向的机动，帮助火箭逐渐将其能量从向上升入太空的推进，转向进入轨道速度所需的向前推进。
第一级推进剂烧完后，爆炸螺栓使其与火箭的其余部分分离，这时火箭卸掉了结构和推进剂的大部分质量。同时第二级火箭开始点火，继续加速飞行，因为火箭的重量大大的减轻，即使第二级的火箭产生的推力不如第一级的大，它的加速也要比以前的快很多。此时，已飞行2~3分钟，在高度达到150千米~200千米时，火箭基本已飞出稠密大气层，有效载荷不再需要整流罩来防护风力的破坏，按预定程序抛掉箭头整流罩，这进一步减轻了火箭发动机加速的质量负担。
有些火箭的二级推进剂，常常在火箭快接近轨道速度时燃烧完毕。爆炸螺栓使二级火箭与有效载荷分离，这时在有效载荷上，一个称作推进器的小火箭将火箭送入最终的轨道。同时二级推进器使火箭落入大气层上部，最终，空气摩擦会使它燃烧，变成灰烬。这样的处理方式，可以避免使其留在太空，成为太空垃圾。如果这些垃圾不巧进入某个卫星的轨道，那将是极大的威胁。
对于低轨道的航天器而言，这时火箭就完成了运送任务。但对于高度在1000千米以上的轨道或行星际任务，还需要有第三级火箭，在这一结构中，二级火箭担当着把三级和有效载荷送入近地轨道的工作，近地轨道通常为300千米或更低。在二级火箭脱离后，火箭在地球引力作用下，开始进入航天技术中称为惯性飞行段的过程，一直到与预定轨道相切的位置。稍后，第三级火箭发动，进入最后加速段飞行，当加速到预定速度时，第三级火箭发动机关机，有效载荷从火箭运载器弹出，进入最后的、较高的轨道，或者前往另一行星的轨道。
目前使用的所有火箭，基本都是一次性使用的运载火箭。这是因为飞行的压力、发动机燃烧推进剂的酷热、抛弃后的重返地球以及在大气层上部的焚烧，都使得各种部件在一次飞行后就基本报废。虽然这样听起来很浪费，但建造可重复使用的火箭所需的费用并不比一次性使用火箭的低。不过经济上可以承受的设计——再循环式火箭已经在规划之中了。
轨道动力学：圆形轨道与椭圆形轨道
前面已经经常提到了“轨道”这个词，那么轨道是什么呢？我们知道地球总是围绕着太阳在做着公转运动，如果把每一时刻地球中心的位置用直线连起来，就出现一个椭圆形的轨迹，通常就把它称为轨道。事实上太空中运动的任何天体都有自己的运行轨道，科学家们经过不断观察与研究，建立了轨道动力学，为航天器在太空中的运动提供了理论基础。轨道动力学要经过严格的数学推导，这些推导决不是几页纸可以表述的，大多数人面对这些推导绝对都会望而却步，但你不用担心下面的内容你会看不懂，只要具备基本的几何学知识就足够理解这些内容。
圆形轨道与椭圆形轨道。 最好的txt下载网
假设你登上华山的东峰，站在朝阳台上，将一块石头水平抛出，会看到它迅速的朝山下坠去，你也许看到它砸在了峰下的某个地方，这时如果你再用力抛出另一块差不多大的石头，如果你还能看到它在山下的落点，那这次的落点一定是比刚才的落点远一些，因为你用了更大的力。
这基于一个事实，地心引力对物体产生向下的拉力，拉力使物体的运动状态发生变化。拉力产生的向下速度相同，因此两块石头从山上到山下的时间也一样。但用的力不同，石头在水平方向运动的速度也就不同，那么相同时间内，它们在水平方向的运动距离必然不同。
再看另一个事实，地球是圆的。在物体下落运动的距离中，地球表面也向下弯曲，那么实际的落点要比在水平面上的落点要远。如果可以让物体的速度足够大，在它朝地面下落1米时，地表亦向下弯曲了1米，它与地表的高度没有变化，这样它就永远不会落地，产生了与地球表面同心的圆形轨道。
保持轨道运动的能力取决于沿地表曲线向前运动的速度，该速度必须保证物体不至于落地才行。由于高度较高的物体比高度较低的物体受到的重力影响要小，因此高度增加时，保证圆形轨道的速度可以降低一些。
如果让物体获得更大速度，在下落1米的时间内，向前运动的距离足以达到地表向下弯曲了2米的地方，这样物体到地表的距离实际上增大了，即高度增加。继续运动则高度不断增加，但由于重力的作用，使上行的物体逐渐慢下来，绕地球半周后，高度最大。接下来物体与地球的高度开始减小，并继续绕地球运动。最后，球又回到原来的位置，恢复原有速度，又开始了一次原来的运动，这样就形成了椭圆轨道。
对椭圆轨道的理解符合我们一般的认识，可以想一想如果你朝空中扔一个石块，它在爬升时开始慢下来，在爬升到最高点时速度最慢，然后它冲向地面速度又开始回升。
椭圆轨道的速度
偏心率值近地点速度
0（圆形）轨道中各点速度相等
远地点速度的122％圆形的105％
远地点速度的186％圆形的114％
远地点速度的300％圆形的122％
远地点速度的567％圆形的130％
远地点速度的1900％圆形的138％
偏心率用来测量椭圆的形状，偏心率越大，椭圆就越扁。椭圆的偏心率在0…1之间，用焦点间距离除以长轴的长度可以算出偏心率。
轨道动力学：开普勒定律
1609年，开普勒通过对火星绕太阳旋转数据的整理，推导出太阳系中行星运动的三大定律，后来证明这三大定律适用于太空中任意二体系统的运动，如地球和月亮，地球和人造卫星等。
开普勒三大定律
1、每个行星在椭圆轨道上环绕太阳运动，而太阳在一个焦点上。
2、太阳和行星的矢径在相等的时间间隔中扫过相等的面积。
3、行星的轨道周期的平方与它的轨道的长轴的三次方成正比。
第一定律有关太空中天体运行轨道的形状。就像前面提到绕地球运动的物体，其运动轨迹为椭圆形，而圆形轨道只是一种特殊的椭圆轨道。在椭圆的长轴上具有两个虚拟的点，称为焦点。这两点距中心的距离相等，轨道上任意一点到两个焦点的距离之和等于长轴的长度。而地球的中心与其中的一个焦点重合。
在有关轨道的描绘中，经常提到地球的近地点和远地点两个词。近地点就是物体在椭圆轨道上到地面距离最短的那一点，远地点是椭圆轨道上到地面距离最长的一点。这两个点都在椭圆的长轴上，近地点在距地球中心较近的一端，远地点在较远的一端。还要注意一点轨�
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