火箭

**火箭**或稱**噴射推進器**，是一種利用排出物質以製造反作用力（即發動機）推進的飛行器。速度很快，可以用來運載人造衛星、宇宙飛船等；也可以裝上彈頭和制導系統等製成導彈。因火箭機構最早用於發射箭矢上，因此在中文稱為火箭。另外古代將箭頭附上可燃物質並點火的箭矢也叫火箭，但不在本篇的討論範圍內。

## 歷史

### 起源

最早的火箭的記載出於中國宋代。據《宋史》記載，開寶三年（970 年），馮繼升向宋朝政府獻上了做火箭的方法。《武經總要》正式列載了火箭的形制，有繪圖，這是世界上最早的火箭圖。所以中國被公認是火箭之祖，但其不一定具軍事的價值，通常只限於娛樂用途，例如放煙花。最遲到明代有軍用的火箭問世，作為武器的火箭相對大炮主要優點是發射設備輕巧，但因為精密度較同期的大炮低，而沒有被廣泛應用。

18 世紀，印度在對抗英國和法國軍隊的多次戰爭中，曾大量使用火箭，獲取良好的戰果，也因此帶動歐洲火箭技術的發展。

之後又發展出精密的導引與控制系統，而成為射程遠、命中率高的武器系統－飛彈。

在現代多次實戰中，火箭展現出野戰機動性、射程遠、射速快、火力強、高震撼力與高命中率等特性，奠定其在軍事武器發展史上的地位。

### 理論發展

20 世紀初，關於星際旅行的科學調查蔚然成風，這很大程度上是由諸如凡爾納、威爾斯等科幻作者的神奇想像力激發。科學界在火箭技術上的發展讓這一目標漸漸成為現實。

1903 年，高中數學老師齊奧爾科夫斯基發表了《利用反作用力設施探索宇宙太空》，這是第一部關於使用火箭進行太空旅行的嚴謹論文。火箭推進計算公式以他的名字命名，他第一個提出使用液氫和液氧作為火箭推進劑，並計算出這類火箭的最大排氣速度。他的工作在蘇聯以外默默無聞，但是在蘇聯國內，他的工作為後續的研究實驗打下了基礎，並促成了 1924 年星際旅行學會（Society for Studies of Interplanetary Travel）的成立。

1912 年，埃斯諾・佩爾特里（Robert Esnault-Pelterie）發表了關於火箭理論和星際旅行的演講。他獨立推導出了齊奧爾科夫斯基火箭推進公式，計算出了往返月球和其他行星所需基本能量，提出了使用原子能（如，鐳）進行火箭噴射驅動。

1912 年，羅伯特・戈達德，在威爾斯早期工作的啟發下，開始了一系列的火箭研究，包括固體燃料火箭需要在三個方面改進。首先，燃料應該在一個小燃燒室燃燒而不是建造整體的的推進劑容器，以承受高壓；然後，火箭可以分為多級；最後，使用戴拉華噴嘴（De Laval nozzle）可以使排氣速度超過音速，他在 1914 年為這些發現申請了專利。他還獨立發展了火箭飛行數學理論。

1920 年，戈達德在《A Method of Reaching Extreme Altitudes》中將研究成果公布，其中關於將固體燃料火箭送上月球的內容引起了世界範圍內的關注，褒貶不一。紐約時代周刊寫到：

—— 時代周刊，1920.01.23

## 推進技術

火箭推進是一種精密的結構，它的原理主要是力學、熱力學，以及其它有關科學之運用，諸如電學等。火箭跟一般的飛機主要的不同點在於：飛機只能在大氣層內飛翔，但是火箭可以在外太空工作，因為它不需要利用外界空氣便能夠燃燒推進。

火箭推力的獲得，乃由高速噴出物反作用而生成。其原理與用水管噴水時水管會向後退，以及槍向後座的原理一樣。

火箭的燃料經過燃燒室燃燒以後，在燃燒室裡產生高溫高壓氣體，燃燒室與外界的壓力差是火箭的動力來源。之後氣體將經過一個噴嘴加速，排出到外界，推動火箭向前飛行。

### 火箭發動機

* 化學火箭發動機
  * 固態火箭發動機
  * 液態火箭發動機
  * 混合式火箭發動機
* 電氣火箭發動機
  * 離子發動機
  * 電磁加速器發動機（參見軌道炮和質量投射器）
* 核動力火箭
  * 核熱火箭
  * 核融合火箭

固態火箭與液態火箭便是現今比較常用的火箭。此外，還有混合火箭 --- 就是用固體的燃料而用液體的氧化劑。另外，值得一提的是，現今運載火箭大多包含了液態火箭跟固態火箭，也就是說，一個火箭可能第一節是固態的而第二節卻是液態的。
核動力火箭為透過核分裂後的產物，加熱氣體，產生推力推動火箭，目前僅有俄羅斯用來軍事用途。

至今只有化學火箭和離子火箭被實用化。

### 現代火箭

現代火箭誕生自羅伯特・戈達德將超音速噴管（戴拉華噴嘴）裝上液態燃料火箭引擎燃燒室。這種噴嘴將燃燒室中的熱氣體轉成較冷的極超音速噴射氣體，使推進力增加超過兩倍且巨幅地增加了效率；在此之前，早期的火箭因為熱能隨氣體排放被浪費掉了而相當的沒效率。在 1920 年，戈達德出版了《到達超高空的方法》（A Method of Reaching Extreme Altitudes），這是在齊奧爾科夫斯基之後第一本認真談論使用火箭在太空旅行的著作。這本書引起了全世界的注意，也同時獲得讚賞與嘲笑，特別是在認為火箭理論上可以到達月球的方面。紐約時報的社論甚至指控戈達德欺騙世人，認為火箭在太空中不可能運作。

在 1923 年，赫爾曼・奧伯特（1894-1989）在慕尼黑大學拒絕了他的博士論文後，將其一個版本出版成為《飛向行星太空的火箭》（德文：Die Rakete zu den Planetenräumen）

在 1926 年 3 月 16 日，羅伯特・戈達德於美國麻塞諸塞州奧本鎮發射了世界第一枚液態燃料火箭。

在 1920 年代之間，美國、奧地利、英國、捷克、斯洛伐克、法國、義大利、德國及俄羅斯
相繼出現研究火箭的組織。1920 年代中期，德國科學家開始實驗能到達高空及長距離的液態推進火箭。一群業餘火箭工程師在 1927 年組成太空旅行學會（德文：Verein für Raumschiffahrt, VfR），而在 1931 年發射了一枚液態推進火箭（使用氧氣及汽油）。

從 1931 年自 1937 年為止，最大規模的火箭引擎設計發生在列寧格勒的氣體動力實驗室。在充足的資金與良好的人員經營下，超過 100 枚實驗性火箭在瓦連京・彼得羅維奇・格魯什科的領導下被製造出來。這項工程包括了再生冷卻、自燃點火以及包括旋轉及雙基混合推進設計（swirling and bi-propellant mixing injectors）的噴油器。然而，這項工程卻由於 1938 年史達林大清洗使格魯什科被逮捕而遭到縮減。同時間奧地利教授歐根・桑格（德文：Eugen Sänger）也進行了相似但較小規模的工作。

在 1932 年，威瑪防衛軍（1935 年後改稱德意志國防軍）開始對火箭技術感興趣。由於凡爾賽條約火炮禁令限制德國取得長程武器，當德國防衛軍看到了使用火箭做為長程火炮的可能性後，一開始資助了德國火箭學會，但發現他們的目標純粹只限於科學後，便創建了屬於防衛軍所有、以赫爾曼・奧伯特為領導的研究團隊。在軍隊領導人的命令下，當時有強烈抱負理想的年輕火箭科學家沃納・馮・布勞恩與兩位前火箭學會的成員加入了軍隊，發展納粹德國用於二次大戰長程武器，尤其是後來聲名大躁的 V2 火箭（一開始稱為 A4）的前身 A 系列火箭。

1943 開始，V2 火箭開始製造。V2 火箭擁有 300 公里的作戰距離以及搭載 1000 公斤阿瑪托炸藥彈頭。此載具與大部份現代火箭只有極少數不同，有渦輪幫浦、慣性導引裝置及其它許多特性。雖然它們無法被攔截，但它們的導引系統設計及單傳統彈頭意味了 V2 火箭無法準確地描準軍事目標。數以千計的 V2 火箭射向盟軍國，其中大部份是英國，以及比利時與法國，在發射作戰結束前，共有 2,754 人在英國因而死亡，還有 6,523 人受傷。雖然 V2 火箭並沒有明顯地影響戰爭的發展，但它展示了導引火箭作為武器的潛力。當時，英國倫敦受到攻擊，人心惶惶，英國政府馬上派人研究，發現火箭攻擊的分布為泊松分佈（Poisson Distribution），也就是機率分佈（random distribution）。

二戰結束時，俄羅斯英國及美國軍事及科學人員競相從佩內明德的德國火箭計劃獲取火箭技術及訓練有素的人員。俄國與英國獲得了一些成果，但美國卻從中獲益最多。美國獲得了大批德國火箭科學家（其中大部份為納粹黨員，包括馮・布勞恩在內），將他們帶回美國做為迴紋針行動中一部份成員。原本設計來攻擊於英國的相同火箭被這群科學家們用做發展新技術的載具。V2 火箭演變成美國紅石飛彈（Redstone rocket），用於早期太空任務。

戰後，火箭被用做研究高海拔環境，無線電遙測溫度及氣壓、偵測宇宙射線及其它研究。這些研究在沃納・馮・布勞恩及其它人之下持續進行。

另外一方面，蘇聯的火箭研究在科羅廖夫的領導下進行中。從來自德國技術人員的協助，V2 火箭被複製及改進成為 R-1、R-2 及 R-5 飛彈。原德國的設計在 1940 晚期被放棄，而這些德國工作人員被遣送回國。由格魯什科建造的新系列引擎及基於阿列克謝・伊薩耶夫（俄文：Alexey Isaev）的發明形成了最初的洲際飛彈 R-7 彈道飛彈。R-7 發射了第一顆衛星、第一個太空人及第一個月球探測器及行星際探測器，直到今天還在使用。這些事件吸引了高層政治人物的注意力，投注更多經費於研究中。

當大眾了解到火箭變成核子武器的發射平台，而搭載這些武器的火箭載具基本上在發射後就無法防禦後，火箭以洲際飛彈的形式在軍事上變得極端重要。

由於冷戰，1960 年代形成了火箭科技極速發展的時代，包括蘇聯（東方號、聯合號、質子號）及美國（X-20 飛行器、雙子星號），以及其他國家的研究如中國、英國、日本、澳大利亞等等。最終導致了 60 年代末期的土星 5 號載人登陸月球，使紐約時報收回以前認為太空任務不可能成功的社論。

## 法規

國際法規定，發射載具的擁有者的國籍決定了那個國家必須為任何造成的損害負責。因此有些國家要求火箭製造者及發射者遵循特定法令去補償及保護人員及財產可能受到的影響。

在美國，任何非歸類為業餘，也非政府相關的火箭必須由位於華盛頓特區的美國聯邦航空總署商業太空運輸辦公室（FAA/AST）批准。

## 火箭意外

由於所有的火箭燃料都具有強大的化學能量（單位重量的能量比炸藥少，但比汽油多），因此有可能發生意外。雖然一般對於火箭安全都會特別注意，使因火箭意外喪生或受傷的人數通常比較少，但這樣的記錄也稱不上完美。

## 相關電影

南韓電影神機箭聲稱古代朝鮮已經有製造彈弓和石頭的技術並且運用於軍事上成功擊敗當時入侵朝鮮半島的明軍（事件為虛構）。不過由於電影題材被學界認為是虛構，因此並不能說明當時朝鮮半島已經具備了生產火箭的技術。

## 業餘火箭的概念

所謂業餘火箭，是指主要利用非政府、非商業資金或條件設計和製造的火箭，其設計、製造、發射等活動服務於科技愛好者及其組織，而非政府、軍事或商業用途。火箭是指以飛行、運送載荷或提供推力為主要目地的，自帶推進劑的噴氣推進裝置。火箭模型通常不屬於火箭，而是某種非火箭物體，因為它們的目地是模仿外觀、結構，而不主要是飛行或運送載荷。

模型火箭，是指為了逼真的重現某種火箭的外觀、發射場景等目的，效仿重現對象的形狀、結構、外觀，以一定的比例尺縮放後製作的具備發射功能的火箭。火箭模型，是指為了逼真的重現某種火箭的外觀、內部結構，效仿重現對象的形狀、結構、外觀，以一定比例尺縮放後製作的沒有發射功能的物體；或因科研等目的，為風洞試驗等製作的設計模樣。業餘火箭活動、業餘火箭製作等，屬於科技愛好，是科技愛好者圍繞火箭研究及其應用而展開的研究、開發、製造、測試等一系列活動的總稱。

模型火箭活動有時可能屬於科技愛好的範疇，但是更多的屬於文娛表演、演示的範疇。模型火箭製作，是生產模型火箭的過程。

火箭模型通常用於展示或者教育目的。例如，學校裡面為學生講解火箭結構，有時需要用到火箭模型，這種火箭模型內部包含了按一定比例尺縮小的內部結構，如燃燒室、泵、電控部分等的模型。火箭模型製作，通常是生產火箭模型的過程，也可能是火箭愛好者的一種縮微仿製或縮樣設計過程。

競技火箭，是指專為火箭比賽而製作的火箭。一般比賽中，競技者通過合理設計火箭的結構和外形（不包含發動機及燃料），在相同的發動機條件下，就火箭的飛行高度、載荷質量或特定條件（如採用降落傘）下的滯空時間展開競技，以飛行高度高或者滯空時間長，載荷重者為勝。競技火箭活動屬於科技愛好，往往也屬於業餘火箭的範疇。但是，關於仿真或逼真程度的競賽，不屬於科技愛好。

## 前景

* 核火箭發動機（參見核能）
* 雷射脈衝火箭發動機（參見雷射）
* 反物質火箭發動機（參見反物質）
* 星際太空氣體衝壓火箭發動機（參見星際物質）

核熱火箭和雷射脈衝式火箭，正在做樣板實驗，反物質火箭和星際氣體衝壓火箭更只在理論上探索。

## 注釋

## 參考文獻

## 外部連結

* http://rocketpedia.wikinet.org/wiki/Main\_Page （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

用滑鼠點點火箭 \*https://www.khanacademy.org/computer-programming/spin-off-of-gravityv3/5939577381912576 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

## 參見

* 火箭發動機
* 火器
* 運載火箭
* 人造衛星
* 太空梭
* 太空船
* 太空站
* 飛行器