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第9章 交通与航天类发明(2)
14.火箭
奇迹概览
火箭是以热气流高速向后喷出，利用产生的反作用力向前运动的一种喷气推进装置。现代火箭自身携带燃烧剂与氧化剂，所以并不依赖空气中的氧助燃，既可在大气中飞行，又可在外层空间飞行。现代火箭是一种快速远距离运送工具，一般作为人类探空、发射人造卫星、载人飞船和到达空间站的运载工具，也用作其他飞行器的助推器。火箭是目前唯一能使物体达到宇宙
⊙奇迹探秘：
1.火箭是谁发明的？在什么时间发明的？
火箭源于中国。宋真宗咸平三年（1000年），士兵出身的谋士唐福制造了世界上第一枚火药火箭：在竹筒中填满火药，底背面扎一根细小的“定向棒”，点燃引火管上的火硝，竹筒中的火药剧烈燃烧，产生高温、高压气体，由尾部向后喷射，推动火箭（竹筒）射向敌方。
2.最初，“火箭”一词是不是指今天的火箭？
根据古书记载，“火箭”一词最早出现在3世纪的三国时代。当时在军事交战中，人们把一种头部带有易燃物，点燃后射向敌方，飞行时带火的箭叫做“火箭”。这是一种用来火攻的武器，实质上只不过是一种带“火”的箭，在含义上与我们现在所称的火箭是有很大差别的。
但是，由于这种“火箭”的箭杆顶端装有箭头，有一定的杀伤力，而且尾端的箭羽在飞行时又起到稳定的作用。所以，它的工作原理和基本结构，还是为现代火箭的设计和制造提供了宝贵的启示。
走近奇迹
中国是世界四大文明古国之一，我国古代发明的指南针、造纸、印刷术和火药对人类文明的发展产生了深远影响。其中，火药的发明和使用，给火箭的问世创造了条件。
在唐宋时期，我国就制成了用火药推进的世界上最早的火箭。人们把装有火药的筒绑在箭杆上，或在箭杆内装上火药，点燃引火线后射出去，箭在飞行中借助火药燃烧向后喷火所产生的反作用而飞得更远。这种向后喷火、利用反作用力助推的箭，已具有现代火箭的雏形，可以称之为原始的固体火箭。
这种早期的火箭被发明后，频繁地使用于战争中。13世纪之后，随着阿拉伯商船的往来和蒙古族的西征，火药和火箭技术逐渐传入欧洲，并对后来西方文明的进步产生了深远影响。
火箭技术传到欧洲之后，经过改进，火箭曾被列为军队的装备。早期的火箭射程近、落点散布大，以后被火炮代替。第一次世界大战后，随着科学技术的不断进步，火箭武器得到迅速发展，并在第二次世界大战中发挥了威力。
19世纪80年代，瑞典工程师拉瓦尔发明了拉瓦尔喷管，这种拉瓦尔喷管是火箭发动机和航空发动机最常用的构件，由两个锥形管构成，这次发明使火箭发动机的设计日臻完善。20世纪初，液体火箭技术开始兴起。1903年，俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基提出了制造大型液体火箭的设想和设计原理。这个设计构想在1926年3月16日被美国的火箭专家、物理学家罗伯特·高达德实现了，他试飞了第一枚无控液体火箭。这枚火箭头部是沉重的引擎，而装着液态氧和汽油的燃料筒在尾部，靠着管线来输送液态燃料，它的全部飞行时间只有2.5秒，最高不到14米。至此，虽然现代火箭的雏形已经展现在人们眼前，但是人们不相信依照高达德的理论制造出的火箭能把人送上太空。然而，在1969年，一个根据高达德的理论所建造出来的液态火箭--“阿波罗11号”飞船，终于把人类送上月球。
在高达德设计出第一枚液体火箭后，1931年5月，德国科学家赫尔曼·奥伯特领导的宇宙航行协会也试验成功了欧洲的第一枚液体火箭。1932年，德国军方在参观该协会研制的液体火箭发射试验之后，意识到火箭武器在未来战争中具有的巨大潜力，便开始组织一批科学家和工程技术人员，集中力量秘密研制火箭武器。到20世纪40年代初，德国在第二次世界大战中期，先后研制成功了能用于实战的V-1导弹（一种飞航式有翼导弹，采用空气喷气发动机作动力装置）和V-2导弹（一种弹道式导弹，采用火箭发动机作动力装置）。而第二次世界大战以后，苏联和美国等相继研制出包括洲际弹道导弹在内的各种火箭武器。
火箭应用于航天活动是1957年，当时苏联发射了第一颗人造地球卫星，从此，揭开了人类航天活动的序幕。同时，中国也开始研制新型火箭。近半个世纪中，世界各国把数以千计的各种航天器送往宇宙空间，航天技术也迅速从科学技术试验进入实用和商品化阶段。这就表明现代火箭技术的发展在为世界经济、科学、文化、军事作出了巨大的贡献。
⊙奇迹探秘：
3.谁是第一个想到利用火箭飞天的人？
第一个想到利用火箭飞天的人是聪明的中国人--明朝的万户。14世纪末期，明朝一位名叫万户的士大夫，他在一把座椅的背后装上47枚火箭。他把自己捆绑在椅子的前边，两只手各拿一个大风筝，然后叫他的仆人同时点燃47枚火箭，其目的是想借火箭向前推进的力量，加上风筝上升的力量飞向前方。不幸，火箭爆炸，万户也为此献出了生命。为了纪念万户，20世纪70年代，国际天文联合会将月球背面一座环形山命名为“WanHoo”。
4. 登上月球是人类的梦想，可喜的是，这个梦想已经实现。那么，人类的第一次登月是什么时间？
北京时间1969年7月21日，美国“阿波罗”11号飞船安全着陆月球。几个小时后，宇航员阿姆斯特朗登上月球，在荒漠般的月球上首次留下人类的足迹。
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【火箭的分类和组成】
火箭通常可分为固体与液体火箭，有控与无控火箭，单级与多级火箭，近程、中程与远程火箭等。火箭的种类虽然很多，但其组成部分及工作原理是基本相同的，除了有效载荷外，有控火箭必不可少的组成部分有动力装置、制导系统和箭体。
知识百科
【火龙出水】
我国古代的火箭技术可被称为世界之奇。明代后期，人们创制了一种叫“火龙出水”的火箭武器。“火龙”有龙身、龙头、龙尾。龙身是约为1.6米长的薄竹筒制成的箭身，前边装一个木制龙头，龙口向上张开，可利于火箭射出，后边装一个木制龙尾。箭身头部两侧各安一支半斤（250克）重的起飞火箭，箭身内部安置有火箭数枚，引线全部扭结一起。这种火箭已经应用了火箭并联（4个火药筒）和串联（两级火箭接力）原理。它既可以射向天空，也可以用于水战，用于水战时可在水面上飞行数千米远。这是最早问世的二级火箭，比现代的二级火箭要早300多年。“火龙出水”把古代火箭技术推进到高级阶段，为近代火箭的研制开启了思路，是中华
15.人造卫星
奇迹概览
广阔无垠的太空是除大陆、海洋、大气层外人类的第四个生存环境，那里蕴藏着高远位置、微重力、高真空、高洁净和太阳能等许多对人类非常有用资源。人造卫星的问世就是开发这一丰富宝藏最主要的利器，它是由人类建造，以太空飞行载具，如火箭、航天飞机等发射到太空中，像天然卫星一样环绕了地球或其它行星的装置。成功发射一颗人造星，实际上相当于人类在太空设立了一个实验室或通讯、情报站。地面上的人类通过遥控这颗人造卫星来观测宇宙、完成广播通讯等工作。它的出现对人类社会进步产生了巨大的推动作用。
⊙奇迹探秘：
1.世界上第一颗人造卫星是由哪个国家在哪一年发射的？
1957年10月4日，苏联发射了第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1号”。这颗人造地球卫星呈球形，直径58厘米，重83.6千克。它沿着椭圆轨道飞行，每96分钟环绕地球一圈。这颗卫星内带着一台无线电发报机，不停地向地球发出“滴--滴--滴--”的信号。
第一颗人造卫星的成功发射具有划时代的意义，它宣告人类已经进入空间时代。
走近奇迹
自古以来，人类一直在探索太空的奥秘。渴望一步登天，飞到九霄云外便是无数人类先贤的梦想。但是由于技术水平有限，千百年来，到太空探秘一直只是一个美妙的梦想。而人造卫星的发明无疑帮人类实现了这个梦想，科学家把它发射到预定的轨道，使它环绕着地球或其它卫星运转，以便进行探测或科学研究。
1957年10月4日，苏联发射了第一颗人造地球卫星。它的发射场面是十分壮观的，可谓是“百尺长箭千里烟，刺破青天探太空”。第一颗人造地球卫星的发射成功，揭开了人类向太空进军的序幕，大大激发了世界各国研制和发射卫星的热情。随后，一些国家也纷纷研制了自己的人造卫星。
1958年1月31日，美国发射了第一颗人造卫星“探险者1号”；1965年11月26日，法国发射了第一颗人造卫星“阿斯泰里”；1970年2月11日，日本发射了第一颗人造卫星“大隅号”；1970年4月24日，中国发射了第一颗人造卫星“东方红1号”；1971年10月28日，英国发射了第一颗人造卫星“普罗斯帕罗号”……
从1957年苏联成功地发射了第一颗人造卫星以来，人类已经拥有了许许多多的不同种类的人造卫星。人造卫星可谓是个兴旺的家族，如果按用途分，它可以分为三大类：科学卫星、技术试验卫星和应用卫星。其中，应用卫星具有种类多、发射数量多和用途广等特点，所以被誉为卫星家族的“老大”。
在人类发射的数千颗人造卫星中，90%以上都是应用卫星，这类卫星是直接为国民经济和军事服务的。它包括：通信卫星、气象卫星、侦察卫星、导航卫星、测地卫星、地球资源卫星、截击卫星等。
通信卫星用于电话、电报、电视、广播、数据传送等业务，气象卫星主要用于气象观测工作，地球资源卫星用于寻找地下矿藏、调查水文资料等方面工作，导航卫星主要用于交通导航服务，侦察卫星主要用于侦察敌情、探测火灾等方面工作。其他各种卫星，依据研究设计的不同，各有不同用途。
今天，千百年来人类梦寐以求的“千里眼”、“顺风耳”终于成为现实。卫星通信已经包揽了世界上2\/3的洲际电话电报业务和100%洲际电视传输业务，使天各一方的亲朋好友能够通过传真电话“面对面”地讲话，真正做到了“海内存知己，天涯若比邻”。
人造卫星的发明，将人类的目光带出了地球，宣告人类已经进入空间时代。改变了人类社会观看世界的一个视角，成为现代社会发展的巨大动力。它的出现推动了世界航天技术研究的步伐，拉开了航天时代的序幕。
⊙奇迹探秘：
2.中国发射第一颗人造卫星“东方红1号”是一颗有中国特色的卫星，它的“中国特色”主要表现在哪些方面呢？
1958年，中国科学院把人造地球卫星列为第一项重点任务，并成立了以钱学森为组长的研究小组，负责筹建人造卫星、运载火箭以及卫星探测仪器的设计研究机构。1970年4月24日，中国第一颗人造地球卫星“东方红1号”在甘肃酒泉发射成功，标志着我国成为世界上继苏联、美国、法国和日本之后，第五个独立研制发射人造地球卫星的国家。
“东方红1号”的中国特色主要表现在它的信号和外形设计上，它是以《东方红》音乐代替无线电信号，并且在它的末级火箭上设置了“观测裙”，这种设计使人们在收听到卫星发送的《东方红》乐曲的同时，还可以站在地面上就能观察到它在太空运行时闪闪发光的轨迹。
3.我们都知道，人造卫星能飞上天，那它的具体结构是什么呢？
人造卫星一般由专用系统和保障系统组成。
专用系统是指与卫星所执行的任务直接有关的系统，也称为有效载荷。应用卫星的专用系统按卫星的各种用途包括：通信转发器，遥感器，导航设备等。科学卫星的专用系统则是各种空间物理探测、天文探测等仪器。技术试验卫星的专用系统则是各种新原理、新技术、新方案、新仪器设备和新材料的试验设备。
保障系统也称为服务系统，是指保障卫星和专用系统在空间正常工作的系统。主要有结构系统、电源系统、热控制系统、姿态控制和轨道控制系统、无线电测控系统等。而对于返回卫星来说，还有返回着陆系统。
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【人造卫星运行轨道】
人造卫星飞上太空后，它的运行轨道（除近地轨道外）通常有3种：地球同步轨道、太阳同步轨道、极地轨道。
地球同步轨道是运行周期与地球自转周期相同的顺行轨道。这种轨道与地球的倾角为零，在地球赤道上空35786千米。因为在这样的轨道上运行的卫星将始终位于赤道某地的上空，所以，在地面上的人看来，在这条轨道上运行的卫星是静止不动的。一般通信卫星、广播卫星、气象卫星选用这种轨道比较有利。
太阳同步轨道指的是卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向，轨道的倾角接近90度，它距地球的高度不超过6000千米。为使轨道平面始终与太阳保持固定的取向，因此轨道平面每天平均自西向东（地球公转方向）转动0.9856度（即360度\/年），在这条轨道上运行的卫星以相同的方向经过同一纬度的当地时间是相同的。气象卫星、地球资源卫星一般采用这种轨道。
极地轨道是倾角为90度的轨道，在这条轨道上运行的卫星每圈都要经过地球两极上空，可以俯视整个地球表面。一般气象卫星、地球资源卫星、侦察卫星常采用此轨道。
知识百科
【钱学森】
钱学森（1911-2009），人类航天科技的重要开创者和主要奠基人之一、航空领域和空气动力学学科的世界级权威。他是新中国爱国留学归国人员中最具代表性的国家建设者，也是新中国历史上伟大的人民科学家，更是我国航天科技事业的先驱和杰出代表，他曾参与“东方红1号”的研制，为中国的航空航天事业作出了卓越的贡献，被誉为“中国航天之父”和“火箭之王”。