火箭科學概論火箭科學概論

(1)

火箭科學概論火箭科學概論

Introduction to Rocket Science Introduction to Rocket Science

主講者：主講者：

成功大學航空太空研究所

成功大學航空太空研究所碩士碩士 Adion ChenAdion Chen 電子郵件信箱：

電子郵件信箱：adion3@gmail.comadion3@gmail.com Adion

Adion••蝦蝦科學小教室蝦蝦科學小教室

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大綱：大綱：

☉火箭的原理與構造

☉空氣動力學

— —

阻力阻力

☉空氣動力學

— —

升力升力

☉飛行力學

— —

飛行穩定性飛行穩定性

☉火箭的飛行程序與彈道

☉運載火箭的飛行速度

☉多級火箭的串聯與並聯

☉太空梭的飛行程序

☉如何飛往月球與火星

☉未來的太空載具

(3)

認識火箭的構造與原理認識火箭的構造與原理

444.444.

(4)

Æ Æ 吹飽氣球後放開吹飽氣球後放開 , , 氣球會以氣球會以噴射推進的方式衝出去。

噴射推進的方式衝出去。

火箭的原理

— —

噴射推進噴射推進 (Jet propulsion)

(Jet propulsion)

(5)

火箭的原理

— —

噴射推進噴射推進

Æ Æ 瓦瓦力在力在太空中用滅火太空中用滅火器噴射推進

器噴射推進

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認識火箭的構造認識火箭的構造

(7)

運載火箭運載火箭 (Launch Vehicle) (Launch Vehicle) 的構造的構造

(8)

運載火箭運載火箭 (Launch Vehicle) (Launch Vehicle) 的構造的構造

(9)

認識模型火箭的構造

認識模型火箭的構造 (Model rocket)(Model rocket)

(10)

認識模型火箭的構造

認識模型火箭的構造 (Model rocket)(Model rocket)

(11)

有趣的空氣動力學

— —

阻力阻力

Æ Æ 高速飛行的防空飛彈採用低阻力外型設計高速飛行的防空飛彈採用低阻力外型設計

(12)

— —

阻力阻力

Æ Æ 高速跑車採用低阻力外型設計高速跑車採用低阻力外型設計

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— —

阻力阻力

Æ Æ 高速的機車也必須有低阻力外型高速的機車也必須有低阻力外型

(14)

— —

阻力阻力

Æ Æ 低阻力外型的太陽能車低阻力外型的太陽能車

(15)

— —

阻力阻力

Æ Æ 不同形狀的火箭鼻子錐不同形狀的火箭鼻子錐有不同的阻力係數

有不同的阻力係數

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— —

阻力阻力

Æ Æ 在大氣層中飛行必須考慮空氣阻力，在大氣層中飛行必須考慮空氣阻力，

不過在太空中飛行就完全不需考慮空氣阻力。

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— —

升升力力

ÆÆ 飛機為什麼能在空氣中飛飛機為什麼能在空氣中飛翔？翔？

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— —

升力升力

當氣流流經機翼時，由於機翼的阻礙導致流管截面變小，而導當氣流流經機翼時，由於機翼的阻礙導致流管截面變小，而導致機翼上下表面的空氣流速均增加。但由於機翼上表面的彎度致機翼上下表面的空氣流速均增加。但由於機翼上表面的彎度大於下表面彎度，根據伯努利定律可知上表面氣流的流速整體大於下表面彎度，根據伯努利定律可知上表面氣流的流速整體上要高於下表面氣流速度，也就是說氣流作用在機翼上表面的上要高於下表面氣流速度，也就是說氣流作用在機翼上表面的靜壓整體上小於作用在下表面上的靜壓。由於上下表面壓差的靜壓整體上小於作用在下表面上的靜壓。由於上下表面壓差的

存在，使得機翼最終受到向上的合力，亦即升力。

(19)

— —

升力升力

(20)

飛行力學飛行力學

— —

火箭飛行的穩定性火箭飛行的穩定性

重心重心 (CG) (CG) 與風壓中心與風壓中心 (CP)(CP)

(21)

— —

(22)

— —

ÆÆ 當安定片位置改變時當安定片位置改變時CPCP隨著改變隨著改變

(23)

— —

ÆÆ 當安定片形狀改變時當安定片形狀改變時CPCP也隨著改變也隨著改變

(24)

— —

飛行的穩定性飛行的穩定性

許多先進戰機會故意設計成先天不穩定，以便擁有絕佳的靈活許多先進戰機會故意設計成先天不穩定，以便擁有絕佳的靈活

性。透過電腦補償操空，可將先天不穩定的飛機控制得很良性。透過電腦補償操空，可將先天不穩定的飛機控制得很良

好。好。

(25)

— —

Æ Æ 故意設計成先天不穩定的先進戰機故意設計成先天不穩定的先進戰機 CP CG

CP CG

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— —

Æ Æ 設計成先天不穩定的設計成先天不穩定的 AIM AIM - - 120 120 先進中程空對空飛彈先進中程空對空飛彈

(27)

火箭的飛行程序與彈道火箭的飛行程序與彈道

Æ Æ 模型火箭的飛行過程模型火箭的飛行過程

(28)

運載火箭的飛行程序與彈道運載火箭的飛行程序與彈道

..

(29)

運載火箭的飛行速度運載火箭的飛行速度

運載火箭必須將人造衛運載火箭必須將人造衛

星加速到每秒

星加速到每秒7.97.9公里公里才能進入地球軌道才能進入地球軌道..

(30)

運載火箭的飛行速度運載火箭的飛行速度

◎加速到每秒

◎加速到每秒7.97.9公里：進入地球軌道公里：進入地球軌道 (7.9km/s

(7.9km/s稱為宇宙第一速度稱為宇宙第一速度))

◎◎加速到每秒加速到每秒11.211.2公里：飛離地球公里：飛離地球 (11.2km/s

(11.2km/s稱為宇宙第二速度稱為宇宙第二速度))

◎◎加速到每秒加速到每秒16.716.7公里：飛出太陽系公里：飛出太陽系 (16.7km/s

(16.7km/s稱為宇宙第三速度稱為宇宙第三速度).).

(31)

運載火箭必須將物體加速到每秒

運載火箭必須將物體加速到每秒7.97.9公里公里才能進入地球軌道

才能進入地球軌道..

事實上也可採用其它方法事實上也可採用其它方法

例如：用大砲、磁軌砲、太空飛機等例如：用大砲、磁軌砲、太空飛機等..

(32)

在小行星上只要用力將石頭扔出在小行星上只要用力將石頭扔出

它就能飛到太空去它就能飛到太空去

在不同大小的星球上在不同大小的星球上

要將物體送入太空所需的速度不同要將物體送入太空所需的速度不同..

(33)

在不同的星球上要將物體送離在不同的星球上要將物體送離

該星球所需的速度

該星球所需的速度((逃逸速度逃逸速度))

地球：地球：11.2km/s11.2km/s

月球：月球：2.4km/s (21%)2.4km/s (21%) 火星：火星： 5km/s (45%)5km/s (45%) 小行星：小行星：10m/s10m/s

彗星：彗星：10m/s .10m/s .

金星：金星： 10.4km/s10.4km/s

土星：土星： 35.5km/s (3.235.5km/s (3.2倍倍)) 木星：木星： 59.6km/s (5.359.6km/s (5.3倍倍)) 太陽：太陽： 617.7km/s (55.2617.7km/s (55.2倍倍)) 黑洞：黑洞：無限大無限大

(34)

各式各樣的人造衛星皆使各式各樣的人造衛星皆使

用火箭與太空梭來發射

(35)

多級火箭的串聯與並聯多級火箭的串聯與並聯

Æ Æ 發射衛星一般必須使用多級火箭發射衛星一般必須使用多級火箭 . .

第1節 第2節

酬載

級間段級間段

(36)

串聯的多級火箭串聯的多級火箭 . .

第3級

第1節 第2節 第3節 酬載

第1級

第2級

(37)

多級火箭的組合方式：串聯與並聯多級火箭的組合方式：串聯與並聯 . .

串聯火箭串聯火箭

並聯並聯 ( ( 捆綁捆綁 ) ) 式火箭式火箭

(38)

太空梭的飛行程序太空梭的飛行程序

444.444.

(39)

如何飛往月球與火星

— —

採用霍曼軌道採用霍曼軌道

霍曼軌道霍曼軌道 ( ( Hohmann Hohmann transfer orbit) transfer orbit)

是最節省燃料的一條橢圓軌道

(40)

如何飛往月球與火星

— —

霍曼軌道霍曼軌道

霍曼軌道霍曼軌道 ( ( Hohmann Hohmann transfer orbit) transfer orbit) 是最是最節省燃料的一條橢圓軌道

節省燃料的一條橢圓軌道

(41)

飛往月球飛往月球

— —

霍曼軌道霍曼軌道

(42)

飛往月球飛往月球

(43)

飛往火星的霍曼軌道飛往火星的霍曼軌道

(44)

未來的太空載具─希望之星

未來的太空載具─希望之星(Venture star)(Venture star)

◎新概念：單級入軌

◎尖端輕質耐熱材料科技

◎採用升力體

◎採用升力體 (Lifting Body) (Lifting Body) 設計設計

◎使用高效率的液體火箭引擎

◎使用高效率的液體火箭引擎 (Aero (Aero - - spike engine) spike engine)

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未來的太空載具─太空飛機未來的太空載具─太空飛機

◎單級或兩級入軌

◎關鍵技術：先進材料、推進系統

◎先進防熱材料與冷卻技術

◎先進防熱材料與冷卻技術 . .

◎ ◎ 起飛時用吸氣式引擎，到高空切換成火箭引擎起飛時用吸氣式引擎，到高空切換成火箭引擎

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搭乘太空飛機搭乘太空飛機從台北到紐約只要

從台北到紐約只要 2 2 小時小時 ! !

◎先進推進系統：超音速燃燒的衝壓發動機

◎水平起飛水平降落

◎起飛時使用渦輪發動機，飛至高空轉用衝

◎起飛時使用渦輪發動機，飛至高空轉用衝壓引擎，最後切換成火箭引擎

壓引擎，最後切換成火箭引擎 . .

(47)

Thanks for your attention.

謝謝各位謝謝各位

Adion

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