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水火箭原理及起源

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一.最早的火箭
火箭是在十三世紀時由我國人所發明的,在那時候的火箭是在長槍上裝置塞有火藥的圓筒,構造很簡單。之後經由印度、阿拉伯傳入歐洲,十八世紀初,義大利設計了一種像烏龜一樣的火箭,點燃之後可以在地上跑,用於戰爭,嚇倒了不少人。在十八世紀末期,火箭逐漸被列為兵器之一,英軍還用火箭擊敗過拿破崙的軍隊。可是火箭的命中率還是很差,所以自從槍砲被發明之後,就逐漸不再被當作兵器了。
二.第一枚液體燃料火箭(1926)
世界上第一位製造火箭成功的,是美國人羅柏‧科達特。在最初他是在研究固體推進劑的火箭,後來因為受到柴奧爾科斯基理論的影響,改為致力於液體推進劑火箭的製造。
西元一九二六年,他在自家的農場,發射三公尺長的火箭,利用氧氣和汽油混合為燃料,總共飛行了兩秒半鐘,飛行了五十六公尺遠,十二公尺高,這個雖然不是一個很龐大的數字,但卻是非常難能可貴的。在此之後,他又繼續加以改良,在西元一九三五年時,又成功的發射了秒速達三百公尺的火箭。
三.第一枚人造衛星(史潑尼克一號)(1957)
一般我們總是認為美國是一個科技大國,因此在被問到第一個發射人造衛星的國家是哪一國時,相信大部分的人第一個想到的一定是美國吧!其實不然,在第二次世界大戰之後,美國和蘇俄把德國的火箭技術人員、剩下的V2火箭及資料,都一併帶回國。因此,有關火箭的開發技術,就由美、蘇兩國繼承了下來。蘇聯本來就有柴奧爾科斯基的理論基礎,如今再加上德國技術人員的協助,因此很快地就從事火箭的開發工作。而主持這項研究開發工作的是塞爾凱‧科羅立約夫。
一九五七年十月四日,蘇聯利用雙節的A式火箭,發射了第一枚人造衛星史潑尼克一號(亦有人稱為同伴者一號),成功地進入環繞地球的軌道。因此第一個成功發射人造衛星的國家是蘇俄。

註:因為蘇俄在發射人造衛星的競賽之中,拔得了頭籌。因此身為科技大國的美國當然不願落後,所以在倉促之間緊跟著就發射了前鋒號火箭,不幸的是只飛了兩秒鐘之後就掉下來了。直到一九五八年,美國才成功的將探險家一號衛星發射進入軌道。
註:V2火箭全長十四公尺,重十四噸,以酒精和液態氧為燃料,攜帶有一噸的黃色炸藥,有二十七噸的推進力,可以飛行兩百多公里。在V2火箭的尾端,特別安置了被稱為「排氣翼」的金屬板,主要是為了改變氣流,誘導火箭朝正確的方向前進,也可以用來改變火箭前進的路線。

四.太空梭(1981)
以往的火箭都只能使用一次就報廢了,既不經濟也不方便,因此為了取代舊式的火箭,美國開發了太空梭,它可以多次往來太空與地球之間。
太空梭在發射升空時,像是火箭一樣,筆直地發射上去。但是,由於太空梭本身的推力不夠。所以,除了本體之外,它還必須帶了一句裝滿液態氫的外部燃料箱及左右兩邊各一具的固態燃料輔助火箭。

註:一九七二年元月五日,美國總統尼克森批准了太空梭的開發計畫,費用是五十五億美元,期限為六年。不過,最後經費增為兩倍,也就是一百一十億美元,首航也延至第九年 才完成。

 

火箭為什麼可以飛行呢?這就像如果我們把充氣的氣球突然放掉,那麼氣球會一面噴出裡面的氣體,一面飛走。這看起來好像是某種力量在對氣球作用,事實上這個力量並不是來自外界的推力或拉力,而是由氣球本身所噴出的氣體的反作用力,而產生的力量。
再舉一個例子:當你拿著槍在射擊時,當子彈飛出的那一瞬間,槍本身也會向後產生了所謂的後座力,而這就是子彈發射時產生的反作用力所造成的。其實更明顯的是大砲,在砲彈射出時,整門大砲會有很明顯的後座力產生,而子彈及砲彈就是藉由這股反作用力發射出去的,而火箭正可比喻為砲彈,只不過沒有砲管罷了。
不論是前述的氣球或是子彈,都存在著一種能夠移動的力量,這種靠反作用的力量就是「推力」。火箭也和充氣的氣球一樣,並非藉助外來的力量,而是靠火箭本身排出一股熱氣流,這些氣體以高速噴出,所產生的反作用力,推動它向反方向前進。

1﹑加水→依據動量守恆(牛頓第三運動定律),可增加反作用力。

因為保特瓶容納的空氣有限,在噴氣嘴打開的瞬間,空氣一下就衝出來了,以致水火箭   所獲得的動量變化小(或反作用力小),飛行的速度及距離就小。而加入水後,壓縮空氣將水向外推,當水流高速向外衝出時,水火箭所獲得的動量變化就很大(反作用力增加),也就能推動水火箭向上升空。

 

2﹑打氣→增加壓力艙內的氣壓,以便快速將水排出。

單位面積中所受空氣的作用力稱為壓力。P=F/A  ; P:壓力 F:作用力  A:面積

故壓力愈大,所產生的作用力也愈大,反作用力也愈大。

 

3﹑發射→作用力與反作用力(牛頓第三運動定律)

牛頓第三運動定律:如果以一力推(拉)一物體時,該物體會以相等大小的力推(拉)施力者。

1.灌得飽飽兒的氣球,裡頭充滿了空氣。

2.把吹氣口鬆開,空氣就會從吹氣口咻咻咻的跑出來。

3.往後面噴出來的空氣力量,會把氣球往前面推進。火箭的衝力,也是利用這種反作用力產生的。

水火箭升空的原理和把氣球放氣的道理一樣。

 

4﹑飛行→重力、彈道飛行、空氣阻力

    力:使物體落回地面的力。兩物體間重力大小取決於它們之間的距離,也取決於物體的質量。距離愈大,拉在一起的力量就愈小。物體的質量愈大,重力就愈大。

彈道飛行:物體以一起始力向一仰角方向作用,物體受到地心引力的影響,呈一拋物線方式飛行。此拋物線即為彈道。

空氣阻力:物體移動穿過空氣時,空氣分子撞在物體上產生摩擦力,此種摩擦力稱之為空氣阻力。

 

水火箭升空後,靠本身的慣性力量繼續飛行,可是受到地心引力及空氣阻力的影響,使得速度愈來愈慢,最後呈拋物線掉落地面。

 

5﹑尾翼的作用

尾翼的作用在於維持水火箭前進的方向。

 

 
 
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