齐奥尔科夫斯基

齐奥尔科夫斯基所设计的火箭外形犹如一 支雪茄烟，因为这样的外形可以使火箭飞行时 所受到的阻力最小。在火箭的前仓是宇航员的 控制室；火箭的后仓则被分为两个相互隔离的 储藏室，储藏室中分别放置液态氢作为燃料） 与液态氧（作助燃剂），这两种物质在烧室内 混合后就会燃烧起来，燃气从喇叭形的喷气管 内高速喷出。为了更好地控制火箭的飞行方向， 齐奥尔科夫斯基还在论文中提出了在星际空间 高速航行的火箭操纵问题。他设想在火箭喷气 管的出口处安装石墨舵（因为石墨能耐高温）， 利用石墨舵在燃气流中的转动所引起燃气流的 偏转来改变火箭的运动方向。
万户
• 说到火箭，就不能不提到俄国科学家康斯坦丁．齐奥 尔科夫斯基，被举世公认的真正开拓宇宙航行理论的 先驱者。正是他奠定了火箭在太空中飞行的理论基础， 提出了利用火箭进行星际航行和发射人造地球卫星的 可能性，并且建立了火箭结构特点与飞行速度之间的 关系式，即著名的齐奥尔科夫斯基公式。他关于宇宙 航行的思想有一段十分精辟的名言：“地球是人类的 摇蓝篮，但是人不能永远生活在摇篮里。”
迈向星空是一条漫长的征途。
“我知道地球是圆的，因为我看见了 圆形；然后，又看到它还是立体的。 当我往下看时，……看到印度洋上船 舶拖着尾波前进，非洲一些地方出现 灌木林火，一场雷电交加的暴风雨席 卷了澳大利亚 1000 英里的地区，呈现 出大自然的一幅立体风景画。” 航天员在谈到从航天飞机上看地球的情 景时的一段描述。 G:\齐奥尔科夫斯基公式\神州八号.mp4
现代航天技术的应用
• 航天技术从20世纪50年代末期的研究试验阶段到70年 代中期，发展到了广泛实际应用阶段。其中60年代以 来，为科学研究、国民经济和军事服务的各种科学卫 星与应用卫星得到了很大发展。至70年代，军、民用 卫星已全面进入应用阶段。一方面向侦察、通信、导 航、预警、气象、测地、海洋、天文观测和地球资源 等专门化的方向发展，同时另一方面，各类卫星亦向 多用途、长寿命、高可靠性和低成本的方向发展。
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我们知道， 为了克服地球的引力， 航天器必 须达到很高的速度。在二十世纪以前的各种技术 中， 枪炮子弹所达到的速度是最高的， 因此在 早期的科幻小说中， 人们很自然地想到用所谓的 “超级大炮” 来发射载人航天器。 其中最著名 的是法国科幻小说家凡尔纳 (J. G. Verne 18281905) 发表于一八六六年的小说《从地球到月球 》(From the Earth to the Moon)。 在这部小说 中， 凡尔纳让三位宇航员挤在一枚与 “神舟号” 飞船的轨道舱差不多大的特制的 “炮弹” 中， 用一门炮管长达九百英尺 (约三百米) 的超级大炮 发射到月球上去
V-2的成功在工程上实现 了19世纪末、20世纪初航天 技术先躯者的技术设想，并培 养和造就了一大批有实践经验 的火箭专家，对现代大型火箭 的发展起到了继往开来的作用。 V-2的设计虽不尽完善，但它 却是人类拥有的第一件向地球 引力挑战的工具，成为航天技 术发展史上的一个重要里程碑。
V-2火箭
齐奥尔科夫斯基的贡献
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因此， 对于发射航天器 (尤其是载人航天器) 来说， 很重要的一点就是航天器的加速过程必须 发生在一个较长的时间里 (减速过程也一样)。 但 是加速过程持续的时间越长， 在加速过程中航天 器所飞越的距离也就越大。 以凡尔纳的超级大炮 为例， 倘若要求炮弹的加速度在人体肌体所能承 受的安全范围之内 (即小于地球表面重力加速度 的十倍)， 则 “炮弹” 的加速过程必须持续一百 秒以上， 在这段时间内 “炮弹” 的飞行距离约 在五百公里以上。 “炮弹” 越舒适 (即加速度越 小)， 这段距离就越大。 由于 “炮弹” 本身没 有动力， 因此这段距离必须都在炮管内。 这就 是说， 凡尔纳超级大炮的炮管起码要有 500 公 里长！ 显然，很显然，大炮的炮弹根本不能用于 星际航行。最后他得出了自己的结论：“我建议 使用喷气装置，也就是火箭之类的飞行器去研究 外层空间用以代替气球和大炮炮弹。”
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从齐奥尔科夫斯基的这些设计中，我们可以看出 虽然他的喷气式火箭设计还相当原始，考虑也不够周 全，但这确实是现代火箭的雏形，他的研究工作，为 以后火箭研制奠定了基础。在此之后，齐奥尔科夫斯 基在火箭设计及宇宙航行领域中继续深入研究.齐奥尔 科夫斯基以为，必须设法提高火箭的原始质量与发动 机终止工作后的最终质量之比，才能用现有的液体燃 料使火箭达到应有的速度，但是实上，单级火箭增加 质量比的可能性并不大，针对这个问题，齐奥尔科夫 斯基在1929 年发表的《火箭列车》的论文中，首次提 出了多级火箭的新颖构想。这样就大大增加了火箭的 质量比，使人类可以利用已经掌握的液体燃料实现飞 往星际空间的美好愿望。在这篇论文中，齐奥尔科夫 斯基提出了两种多级火箭的方案。
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事实上， 英勇的宇航员们在 “炮 弹” 出膛时早就变成了肉饼， “炮弹” 最后有没有击中月球， 对他们来说已 经不再重要了。 倘若 “炮弹” 真的 击中月球的话， 其着陆方式属于所谓 的 “硬着陆”， 就象陨石撞击地球一 样， 着陆时的速度差不多就是月球上 的第二宇宙速度 (约为 2.4 公里/秒)， 这样的速度相当于在地球上从比珠穆 朗玛峰还高三十倍的山峰上摔到地面 时的速度， 这无疑是要把肉饼进一步 摔成肉酱。
1、建立了火箭运动的基本数学方程，奠定航天学的基础。 2、首先肯定了液体火箭发动机是航天器最适宜的动力装置，论 述了关于液氢一液氧作为推进剂用于火箭的可能性，为运载器的 发展指出了方向，这些观点仅仅几十年就成为了现实。 3、指出过用新的燃料(原子核分解的能量)来作火箭的动力；并 具体地阐明了用火箭进行航天飞行的条件，火箭由地面起飞的条 件，以及实现飞向其他行星所必须设置中间站的设想。 4、提出过许多的技术建议，如他建议使用燃气舵来控制火箭， 用泵来强制输送推进剂到燃烧室中，以及用仪器来自动控制火箭 等，都对现代火箭和航天飞行的发展起了巨大的作用。
M为火箭的瞬时质量，u为喷气速度mi.mf，,分别为火箭的 初始质量及推进过程完成后的末态质量（显然mi﹥mf）， dv为速度增量： Mdv=-udm 即-dm/M=dv/ 当质量由变化到时，速度由v=0增加到v，在此速度间内进 行积分，得： Mf v 1 1 M i M d m 0 u d v 即 V=u㏑/mi/mf
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齐奥尔科夫斯基对于多级火箭设计原理探讨， 是火箭技术研究过程中的一个巨大飞跃，因为他对火 箭技术的研究，解决了使用化学燃料作为推进剂来实 现宇宙航行的运载工具问题，从而使宇宙航行具备了 可能性今天，人类已经向太空轨道发射了2000 多颗人 造地球卫星与多艘宇宙飞船，这些都是依靠多级火箭 发射升空的。这一事实的成功源泉就是来自齐奥尔科 夫斯基的“火箭列车”的技术性设计。仅凭这一点， 人们不能不承认齐奥尔科夫斯基是现代航天飞行的卓 越奠基者。
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前苏联科学家齐奥
尔科夫斯基一生从事利
用火箭技术进行航天飞行 的研究。在他的经典著作 中，对火箭飞行的思想进 行了深刻的论证，最早从 理论上证明了用多级火箭 可以克服地心引力进入太 现代宇航之父齐奥尔科夫斯基 空的论点。
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1857年，齐奥尔科夫斯基出生在俄国梁赞 省伊热夫斯基村一个贫穷的家庭里，他从小便 对数理和天文有着浓厚兴趣，常常将自己沉浸 在书本和思索之中。1880年，齐奥尔科夫斯基 开始了他在卡卢加的中学教师生涯，并把他的 全部业余时间放在了宇宙航行理论的研究上。 很快，他便发表了一篇题为《外层空间》的论 文，首次提出宇宙飞船利用喷气运动的原理， 并且画出了第一张所设想的宇宙飞船工作图。 1898年，齐奥尔科夫斯基完成了他的有关火箭 研究的划时代巨著棗《利用喷气工具研究宇宙 空间》。这部著作的问世标志着火箭飞行技术 的真正开端，为后来火箭技术的发展奠定了坚 实的理论基础。虽然齐奥尔科夫斯基一生中并 没有亲手设计出实用的火箭，但他的许多研究 成果却大大加快了人类飞向太空的历程。鉴于 他的杰出贡献，齐奥尔科夫斯基被后人誉为苏 联“航天之父”。
齐奥尔科夫斯基公式
• • • • v = u ln(mi/mf) “V”表示火箭运动的速度； “u”表示火箭燃料的燃烧产物从喷气管 喷出的速度； “mi”表示火箭起飞前的原始质量； “mk”表示燃料与氧化剂燃烧完之后的火 箭最终质量。
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齐奥尔科夫斯基公式是在理想情况下，即没有考虑空 气的阻力和地心引力的影响，计算火箭发动机工作期间火 箭获得速度增量的公式。根据动量守恒的原理，火箭增加 的动量，在数值上等于火箭喷出气体的动量，但其方向相 反，设
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这一公式表明，在外层空间，火箭的飞行速 度是由发动机喷气管喷出气流的速度以及火箭 的起始质量与发动机最终停止工作后火箭的质 量比所决定的。要想提高火箭的飞行速度，就 需要提高火箭发动机喷出气流的速度并增大火 箭的最初质量与最终质量的比值。那么，究竟 怎样才能增加这两个数值呢？齐奥尔科夫斯基 为：决定火箭喷出气流速度快慢的是火箭燃料 燃烧的性质，燃烧后释放热量大的推进剂喷出 的速度就大；而液体燃料的发热量要比固体燃 料（火药）大，因此从流体燃料火箭发动机喷 气管中喷出的气流速度要比固体燃料火箭发动 机喷气管中喷出的气流速度大。因此，他在人 类科学史上首次提出了采用液体燃烧为火箭发 动机的思想，并在他的这篇论文中绘出了世界 上第一枚液体动力火箭 的构造图，从而为火箭 的设计与发展开辟了一条崭新的道路。
齐奥尔科夫斯基又认真地研究了利用大 炮炮弹飞向宇宙的可能性。他通过仔细的计 算，最终认为利用炮弹飞往星际空间也是不 可能的。这是因为炮弹由大炮发射出时的初 速度非常高，这就会在极短的时间内产生极 大的动力加速度，但这种加速度将会造成宇 航员的突然死亡以及仪器的彻底损坏。很显 然，大炮的炮弹根本不能用于星际航行。最 后他得出了自己的结论：“我建议使用喷气 装置，也就是火箭之类的飞行器去研究外层 空间用以代替气球和大炮炮弹。”
喷气式火箭，离开地面的初始速度并不是 需要太高，而是在飞行过程中逐渐加速的，最 终达到足以摆脱地球引力，从而飞出地球大气 层的速度。因为宇航火箭的速度是逐渐提升的， 加速度远比炮弹小得多，所以就能够保证火箭 内乘员的生命安全以及工作仪器的正常运转。 但是，宇宙火箭在宇宙空间是如何飞行的呢？ 它的构造又应是怎样的呢？通过什么办法才能 够计算出宇宙火箭的飞行速度与高度呢？这些 都是当时未解决的问题。为了解决这些问题， 齐奥尔科夫斯基在物体运动力学理论方面进行 了新的探索。他根据已知的力学原理全面地研 究了火箭的运动过程，从而创立了牛顿古典力 学中新的一章——变质量力学。他通过自己的 研究，提出了著名的火箭推进速度的计算公式:
人类的早期航天探索
人类很早就有遨游太空、 征服宇宙的理想。宇宙的星 球对人类一直充满着吸引力 和神秘感，许多美丽的神话 和传说，反映了人类对宇宙 的向往和探索空间奥秘的心 情。《嫦娥奔月》、《牛郎 织女》，以及孙悟空腾云驾 雾、一个筋斗十万八千里等。
飞天壁画
世界上第一个试图乘坐火箭上天的 “航天员”也出现在中国。相传在14世 纪末期，中国有位称为“万户”的人， 两手各持一大风筝，请他人把自己绑在 一把特制的座椅上，座椅背后装有47支 当时最大的火箭 ( 又称“起火” ) 。他试 图借助火箭的推力和风筝的气动升力来 实现“升空”的理想。“万户”的勇敢 尝试虽遭失败并献出了生命，但他仍是 世界上第一个想利用火箭的力量进行飞 行的人。
• 齐奥尔科夫斯基又认真地研究了利用大炮炮 弹飞向宇宙的可能性。他通过仔细的计算， 所设想的超级大炮若真的能在三百米长的炮 管内把 “炮弹” 加速到能够飞向月球的速 度 - 即所谓的第二宇宙速度 (约为 11.2 公里 /秒)， 则 “炮弹” 在炮管内的平均加速度 必须达到 200000 米/秒2 以上， 这相当于 地球表面重力加速度的两万倍以上。 另一方 面， 脆弱的人体所能承受的最大加速度只有 不到地球表面重力加速度的十倍。 这两者的 差距无疑是灾难性的。 因此凡尔纳的 “炮 弹” 虽然制作精良， 乘坐起来却一点也不 会舒适。 不仅不会舒适， 且有性命之虞。