齐奥尔科夫斯基课件.ppt

1、“我知道地球是圆的，因为我看见了我知道地球是圆的，因为我看见了圆形；然后，又看到它还是立体的。圆形；然后，又看到它还是立体的。当我往下看时，当我往下看时，看到印度洋上船看到印度洋上船舶拖着尾波前进，非洲一些地方出现舶拖着尾波前进，非洲一些地方出现灌木林火，一场雷电交加的暴风雨席灌木林火，一场雷电交加的暴风雨席卷了澳大利亚卷了澳大利亚10001000英里的地区，呈现英里的地区，呈现出大自然的一幅立体风景画。出大自然的一幅立体风景画。” 迈向星空是一条漫长的征途。 航天员在谈到从航天飞机上看地球的情航天员在谈到从航天飞机上看地球的情景时的一段描述。景时的一段描述。G:齐奥尔科夫斯基公式神州八号.m

2、p4 人类很早就有遨游太空、人类很早就有遨游太空、征服宇宙的理想。宇宙的星征服宇宙的理想。宇宙的星球对人类一直充满着吸引力球对人类一直充满着吸引力和神秘感，许多美丽的神话和神秘感，许多美丽的神话和传说，反映了人类对宇宙和传说，反映了人类对宇宙的向往和探索空间奥秘的心的向往和探索空间奥秘的心情。情。嫦娥奔月嫦娥奔月、牛郎牛郎织女织女，以及孙悟空腾云驾，以及孙悟空腾云驾雾、一个筋斗十万八千里等。雾、一个筋斗十万八千里等。飞天壁画 人类的早期航天探索 世界上第一个试图乘坐火箭上天的世界上第一个试图乘坐火箭上天的“航天员航天员”也出现在中国。相传在也出现在中国。相传在1414世世纪末期，中国有位称为纪

3、末期，中国有位称为“万户万户”的人，的人，两手各持一大风筝，请他人把自己绑在两手各持一大风筝，请他人把自己绑在一把特制的座椅上，座椅背后装有一把特制的座椅上，座椅背后装有4747支支当时最大的火箭当时最大的火箭( (又称又称“起火起火”) )。他试。他试图借助火箭的推力和风筝的气动升力来图借助火箭的推力和风筝的气动升力来实现实现“升空升空”的理想。的理想。“万户万户”的勇敢的勇敢尝试虽遭失败并献出了生命，但他仍是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世界上第一个想利用火箭的力量进行飞行的人。行的人。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

4、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。” 返回目录 前苏联科学家前苏联科学家齐奥齐奥尔科夫斯基尔科夫斯基一生从事利一生从事利用火箭技术进行航天飞行用火箭技术进行航天飞行的研究。在他的经典著作的研究。在他的经典著作中，对火箭飞行的思想进中，对火箭飞行的思想进行了深刻的论证，最早从行了深刻的论证，最早从理论上证明了用多级火箭理论上证明了用多级

5、火箭可以克服地心引力进入太可以克服地心引力进入太空的论点。空的论点。现代宇航之父齐奥尔科夫斯基 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

6、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”。 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 1828-1905) 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

7、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 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。” 齐奥尔科夫斯基又认真地研究了利用大炮炮弹飞向

8、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。 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

9、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。 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

10、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。” 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

11、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: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

12、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。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mimf），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： 即 V=u/mi/mfvvmMMdudMfi011 这一公式表明，在外层空间，火箭的飞行速度

13、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。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

14、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

15、气流的偏转来改变火箭的运动方向。 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

16、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。 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。 V-2V-2的成功在工程上实现的成功在工程上实现了了1919世纪末、世纪末、2020世纪初航天技世纪初航天技术

17、先躯者的技术设想，并培养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，对现代大型火箭的火箭专家，对现代大型火箭的发展起到了继往开来的作用。发展起到了继往开来的作用。V-2V-2的设计虽不尽完善，但它的设计虽不尽完善，但它却是人类拥有的第一件向地球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。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齐奥尔科夫斯基的贡献 1 1、建立了火箭运动的基本数学方程，奠定航天学的基础。、建立了火箭运动的基本数学方程，奠定航天学的基础。 2 2、首先肯定

18、了液体火箭发动机是航天器最适宜的动力装置，、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。的发展指出了方向，这些观点仅仅几十年就成为了现实。 3 3、指出过用新的燃料、指出过用新的燃料( (原子核分解的能量原子核分解的能量) )来作火箭的动力；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。条件，以及实

19、现飞向其他行星所必须设置中间站的设想。 4 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，、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。等，都对现代火箭和航天飞行的发展起了巨大的作用。 航天技术从航天技术从2020世纪世纪5050年代末期的研究试验阶段到年代末期的研究试验阶段到7070年年代中期，发展到了广泛实际应用阶段。其中代中期，发展到了广泛实际应用阶段。其中6060年代以年代以来，为科学研究、国民经济和军事服务的

20、各种科学卫来，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。至星与应用卫星得到了很大发展。至7070年代，军、民用年代，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。多用途、长寿命、高可靠性和低成本的方向发展。 现代航天技术的应用现代航天技术的应用返回目录登上月球返回目录可以预见，随着航天科技

21、的突飞猛进，随着世界各国对探索宇宙奥秘、开发利用宇宙资源的重视，人类的行星际探测活动将越来越活跃，探测的目的、内容将更趋深入和明确，手段将更为完整和先进，宇宙探测将步入新的发展阶段。返回目录 目前，更大规模的国际空间站在美国、俄罗斯、加拿目前，更大规模的国际空间站在美国、俄罗斯、加拿大、日本、意大利和欧洲空间局的合作下，正在进行大、日本、意大利和欧洲空间局的合作下，正在进行在轨组装建设在轨组装建设人类就是以如此快速的步伐冲击着宇宙大门人类就是以如此快速的步伐冲击着宇宙大门! ! 不难看出，从公元不难看出，从公元1010世纪的中国火箭到第二次世界大世纪的中国火箭到第二次世界大战的战的V V一一2

22、 2导弹，人类是出于军事需求发展了火箭技术，导弹，人类是出于军事需求发展了火箭技术，而这恰恰为航天技术的发展奠定了坚实的基础。自而这恰恰为航天技术的发展奠定了坚实的基础。自2020世纪世纪4040年代至今，航天技术以惊人的速度发展着并日年代至今，航天技术以惊人的速度发展着并日臻完善。我们可以坚信，随着科学技术的进步和工业臻完善。我们可以坚信，随着科学技术的进步和工业基础的不断增强，航天技术将会有更大的突破并更趋基础的不断增强，航天技术将会有更大的突破并更趋完善。完善。 神神 舟舟 飞飞 船船神神 舟舟 一一 号号神神 舟舟 二二 号号神神 舟舟 三三 号号神舟四号神舟四号返回目录神神 舟舟 五五 号号航航 天天 员员 杨杨 利利 伟伟返回目录神舟六号航天员神舟六号航天员费俊龙聂海胜返回目录神神 舟舟 六六 号号返回目录神神 舟舟 七七 号号 实现航天员出舱活动 成功释放伴飞小卫星 完成我国航天服性能测试返回目录神舟七号航天员神舟七号航天员翟志刚 刘伯明 景海鹏 返回目录天宫一号及神舟八号 G:齐奥尔科夫斯基公式天宫一号.swf