Rocket Science & Satellite Technology General Knowledge Lecture of Science 通識 科學 講座 Rocket Science & Satellite Technology 火箭科學 與 衞星技術 Speaker : Alta Y. N. CHOI 主講 : 蔡玉寧 先生 國立荷蘭科技大學 航天 工程師 Delft University of Technology Aerospace Engineer 日期 ：15- July– 2008 地點 ：生產力促進局大 禮堂 Venue : Hong Kong Productivity Council Exhibition Hall

Ancient Chinese Rocket中國 古代 火箭 Modern Rocket 現代 火箭

Pioneer in Rocket Development 火箭發展的先驅 K.E. Tsiolkowsky (1857-1935, Russia) - 1903年 提出 將火箭運用于太空飛行 - 提出 Tsiolkowsky方程式 V = Vf - Vi =…= Ispgoln - 今天我們還是利用這方程式來計算 火箭功率 (Isp) R.H. Goddard (1882-1945, USA) - 1926年 成功設計世界首枚液體燃料火箭 - 提出運用火箭進行探月飛行 計劃 Link H.J. Oberth (1894 - 1989, Aus. Hon. , German, Romania) - 20年代進行 太空飛行理論 研究 和 火箭設計 - 1927 年創立航天學會 開展 火箭研製 工作 和 培養火箭人材 W. von Braun (1912-1977, German) - 成功設計出 V-2火箭 ，成爲 火箭專家 的代表人物 - V-2是第一枚 真正大型 火箭，也是日後大型火箭的模範 3

The first real Rocket V-2 第一枚真正的火箭 彈 頭 導航系統 酒精 /水 (3:1) Length 火箭 全長 14 m Max. Diameter 直徑 (最大) 1.65 m Launch mass 起飛 重量 13 tons Thrust 推力 245 kN Burn time 燃燒 時間 65 sec Max. speed 最高 時速 5,750 km/hr Max. altitude 最高飛行高度 96 km Range 射程 320 km 混合 燃料箱 液體氧 燃料泵 燃燒室 4

Saturn V Rocket (農神 5号 火箭) Length 火箭 全長 110 m Launch mass 起飛 重量 3038 tons 5

Delta Series Rocket 三角洲 火箭 系列

Russian Rocket 俄羅斯 火箭 Soyuz Proton 7

Ariane Series (歐洲 亞利安 火箭) Kick Booster Payload L H2 L O2 Booster L H2 8

Series of Long March Rocket 長征 火箭 系列 9

長征(CF) - 3A 長征 (CF) – 2F

長征 (CF) - 2F 長征(CF) -3A Model 型號 長征 (CF)-2F 長征 (CF)-3A Length 火箭全長 (m) 58.34 52.52 Diameter 直徑 (m) 7.85 3.35 Launch mass (ton) 起飛 重量 (公噸) 479.8 239.8 Thrust 推力 (kN) 5,923 2,962 Eff. Payload (ton) 有效 載荷 (公噸) 7.8 (LEO) 3.4 (GEO) 8,5 (LEO) (地球同步轉移軌道) Stages 節數 2 3 Booster 助推器 4 Fuel / Oxidizer 燃料/ 氧化劑 UDMH / (N2O4) 聯氨 / 四氧化二氮 UDMH/(N2O4) (第1,2 節) LH/LO 液氫/液氧(第3 節)

Japanese Rocket (H) Series 日本火箭 (H II) 系列 H-IIA H-IIA H-II H-IIA H-IIB

Rocket Performance in Different Country 各國 火箭 性能 比較 Delta Ariane Soyuz Long March H-series (1.68%) (0.80%) (0.45%) (0.75%) (1.28%)

The Launch of CZ-3A with CI-1 長征 3甲 火箭 載著 嫦娥 1 号 探測船 發射

From Launch base into Orbit 從 發射升空 至 進入軌道 第3節 點火 第3節 熄火 (15s) 第2節 熄火 巡航軌道 (6.6m) (9.8 min) 衞星 運行軌道 第1節 熄火 第2節 點火 (2.5m) 第1節 下墜點 第2節 下墜線 第1節 點火 發射

Effect of Earth Rotation & Gravitational Field 地球 自轉 與 重力場 對 飛行軌道 的影響 水平飛行 進入軌道 火箭 爬升 過程的 軌道偏移 動力轉向 引致 軌道偏移 重力場 引致 軌道偏移 地球自轉 引致 軌道偏移 ω (360o/24hr) 垂直發射

Controlling of Rocket Engine 火箭引擎 的控制 Tilt the whole engine 轉動 整個 引擎 油壓筒

Controlling of Rocket Engine 火箭引擎的控制 2. Generating one side stall 產生 單邊 失速 不對稱 噴射流 衝擊波 液壓氣 噴注孔

Launching of Satellite in Geostationary Orbit 發射衛星 至 地球 同步軌道 地球同步軌道 (35,786 km) 地球同步轉移軌道 (停泊軌道) (200 km)

Kick Booster 助推器

Launch Bases in China 中國 火箭 發射場 北京(飛行控制中心) 太原(38°50'N) 酒泉(38o43’N) 海南(19o19’N) 西昌(28o12’N)

Change of Orbit in Space 太空 變軌 赤道 平面

Change of Orbit of Chang’E-1 in Space 「嫦娥 1 號」太空 變軌 飛 行 24

Change of Orbit of Chang’E-1 in Space 「嫦娥一號」太空 變軌 飛 行 La Grangian point 拉格朗日點 25

Change of Orbit of Kaguya in Space 「月亮女神」變軌圖

Classification of Rocket 火箭 分類 1 Chemical Propulsion System 化學燃料 推進系統 i) Solid-fuel Rocket 固體燃料 火箭 (Isp~250秒) ii) Liquid-fuel Rocket 液體燃料 火箭 (Isp~450秒) iii) Hybrid-fuel Rocket 混合燃料 火箭 2 Electrical Propulsion System 電力 推進系統 i) Electronic Power Rocket 電子力 火箭(Isp=700-1000秒) ii) Ionian Power Rocket 離子力 火箭(Isp=8500-20,000秒) iii) Plasma Power Rocket等離子力 火箭(Isp=5,000-25,000秒) 3 Thermal-Nuclear Pro. Sys.熱核燃料推進系統(Isp~850秒) 4 Photonic Propulsion System光子推進系統(光子力 火箭)

Solar Sail of NASA 光子力 火箭 (太陽帆)

Solid Rocket-propellant 固體燃料推進劑 Composition of Propellant 推進劑 成份 Type 類型 ρ (kg/m3) Temp (K) I sp (sec) Nitrocellulose (40-55%) 硝棉 Nitroglycerin (25-50%) 硝化甘油 Additive (10-20%) 添加劑 Homogeneity (Double-base) 1,510 | 1,620 1,700 3,100 195 250 Polymer (20%) 聚合物 Ammonia perchloride (80%)過氯化氨 Composite 1,660 2,600 231 Polymer (12.5%) 聚合物 Aluminium (16%) 鋁 Ammonia perchloride(69.9%)過氯化氨 Additive (1.6%) 添加劑 1,772 3,480 260 Nitrocellulose (26%) 硝棉 Nitroglycerine (27.2%) 硝化甘油 Aluminium (18.9%) 鋁 Ammonia perchloride(19.5%)過氯化氨 Additive (8.4%) 添加劑 (Modified Double-base) 1,745 4,000 263

Working Principal of Solid Rocket Engine 固體火箭引擎 運作模式 推力

Possible Forms of Loading Solid Rocket-propellant 裝載 固體燃料 推進劑 的可行性方法 1. Gradually accelerate to maximum speed 1. 由慢到快到極速 推力 點火器 引擎外殼 時間 管形 固體燃料 推力 耐熱物料 噴嘴 十字形 時間

Possible Forms of Loading Solid Rocket-propellant 裝載 固體燃料 推進劑 的可行性方法 2. Instantly to maximum speed then gradually decelerate 2. 立卽至 極速 然後 減慢 推力 點火器 引擎外殼 時間 星形 固體燃料 推力 耐熱物料 噴嘴 双勾形 時間

Liquid Rocket Propellant 液體 燃料推進劑 Composition of Propellant 推進劑 成份 Proportion of Fuel/Oxidiser ρ (kg/m3) Temp (Ko) I sp (sec) Mono-Propellants: Nitro-Methane (CH3NO2) (硝基甲烷) Hydrazine (N2H4) (聯氨) Hydrogen-peroxide (H202) (過氧化氫) - 1,137 1,011 1,442 2,646 966 1,278 255 199 165 Bi-Propellants: Kerosene (煤油) / Oxygen (02) )(液氧) Kerosene / Nitrogen tetra-oxide (N2O4) (四氧化氮) 1 : 2.45 1 : 3 1,020 1,225 3,687 3,255 301 291 L. Hydrogen (H2) / L. Oxygen (02) (液體氫 / 液體氧) 1 : 4 280 2,980 390 Unsymmetrical Di-Methyl-Hydrazine (聯胺)(UDMH) / Oxygen (02)(液體氧) UDMH / Nitrogen tetra-oxide (N2O4) 1 : 1.67 1 : 2.65 970 1,185 3,623 3,436 310 286

Working Principal of Liquid Rocket Engine 液體火箭引擎 運作模式 推力

Liquid Rocket Engine 液體火箭引擎

Transporting of liquid fuel 液體燃料之傳輸過程 Hydrogen 氫氣(-253oC, 67kg/s, 0,2 MPa) Oxygen 氧氣 (-162oC, 400kg/s, 0,7 MPa) 加壓 (36 MPa)升温 (1,088 oC) 加壓 (35 MPa)升温 (1,233 oC) Exhaust (排氣) (467 kg/s)

Comparison Between Solid-fuel and Liquid-fuel 固體燃料 與 液體燃料 之比較 1. 可在室溫下儲存 2. 易起動 3. 性能較底 (比衝值 Isp~250秒) 4. 主要用在軍事上 (洲際彈道導彈、防空導彈 、空對空導彈、助推器…等) 5. 引擎燃燒室和噴財筒必須十分堅固, 以耐極高溫和高壓 6. 不需要燃料輸送系統 7. 點燃後無法熄滅，直至燃盡 8. 易操作，少維修。 Liquid fuel 液體燃料 - 不能在室溫下儲存 (聯胺 除外) - 較難起動，需多些時間準備 - 性能較高 (比衝值 Isp ~450秒) - 主要在商用、衛星軌道或姿態修正 (亞利安火箭、長征火箭、三角洲火箭，日本H2火箭…等) - 較輕薄 ，因可用自身燃料冷却 - 需要燃料傳輸系統 ，以致結構複雜，重量增加。 - 可控制燃燒過程 ，作多次起動。 - 難操作，常維修。

Satellite Science and it’s Related Technology 衛星科學 及其 相關技術

Development of Satellite 人造衛星的發展 1945 - 英國亞瑟·克拉克 (Sir Arthur C. Clark) - 提出利用地球同步衛星進行遠程通訊 1957 - 蘇聯成功發射了第一顆人造衛星 (Sputnik 1) - 揭開了人類航天的序幕，開始人類探索宇宙的新紀元。 Link 1958 - 美國成功發射第一顆人造衛星 探險家 1 號 (Explorer 1) - 發現地球周圍的 范.愛倫 輻射帶 (Van Allen Belts) - 太空科技競賽就這麼開始。 1970 - 中國第一顆自行研製的人造衛星 東方紅 1號在酒泉 衛星發射中心升空，中國從此進入太空時代。Link 2007 - 中國發射第一顆探月衛星 嫦娥一號， 成功進入繞月軌 道 - 嫦娥一號 成為中國第一顆衝出地球的繞月衛星。 Link

Satellite Anatomy 衞星 解構圖 41

Classification of Satellite 人造衛星的種類 按用途區分： 1. 科學衛星 – 用於科學研究和探測；研究高層大氣、地球物理、宇宙射線、太陽粒子輻射等，並可觀測其他星體。如 哈勃 Hubble太空望遠鏡 Link 2. 技術試驗衛星 - 進行新技術試驗 或 為應用衛星進行測試。新材料、儀器必須在太空上進行試驗，成功後才能應用。幫助科學家在太空中做許多地面不能做的實驗。 3. 應用衛星 – 直接為人類服務的衛星。它的種類最多，數量最大，其中包括；通信衛星，氣象衛星，偵察衛星，導航衛星，地球觀測衛星 ，資源勘探衛星，截擊衛星 等等。Link

Satellite Orbit 衛星運行 的 軌道 以高度區分 ： 1.近地軌道 (160- 2,000 km) Low Earth Orbit (LEO) - Parking Orbit (200km), Polar Orbit (500-1,000km) 2.中地球軌道 (2,000- 35,786 km) Medium Earth Orbit (MEO) or Intermediate Circular Orbit (ICO) - 太陽同步軌道 Sun-synchronous Orbit (>6,000km) 3.高地球軌道(~ 35,786 km)High Earth Orbit (HEO) - 地球同步軌道 Geosynchronous Orbit (GSO) - 地球靜止軌道 Geostationary Earth Orbit (GEO)

Satellite Mostly Used Orbit 衛星最常運行 的 軌道 1. 地球同步軌道 Geostationary Earth Orbit (GEO) 2. 極地軌道 Polar Orbit 3. 太陽同步軌道 Sun-synchronous Orbit (SSO) Link

衛星最常運行 的 軌道 1. 地球同步軌道 Geostationary Earth Orbit (GEO) ii) 軌道 傾角Inclination 為 0° (赤道上空) iii) 軌道 偏心率Eccentricity為0，即 圓形軌道 Cir. Orbit iv) 軌道周期與地球自轉 周期 Period (360o/24hrs) 相等 v) 軌道離地面高度為 35,786公里 2. 極地軌道 Polar Orbit i) 軌道 繞過兩極，傾角Inclination 為 90° ii) 軌道飛經地球任何地區上空 iii) 經常為 地球測繪衛星、偵察衛星、氣象衛星所採用 iv) 缺點是，不能對地球上某一點進行持續觀測 3. 太陽同步軌道 Sun-synchronous Orbit (SSO) i) 軌道平面每天向地球公轉方向轉動0.9856度(即360o/年)

發射衛星 進入軌道 所需的速度 宇宙速度 The Cosmic Velocity - 衛星 或 太空船 從地面發射，在星球的重力場牽引下運動的其中 4 個較有代表性的 初始速度 Initial Velocity 的統稱。 衛星 或 太空船 按其任務的不同，需要達到 這 4 個 宇宙速度 的其中一個，才能進入預定軌道，正常運作。

The Cosmic Velocity 宇宙速度 - 第 1 宇宙速度 First Cosmic Velocity (7.8 km/s), 又稱 環繞速度 Circular Velocity。 衛星 或 太空船 環繞地球飛行所需要的 最低速度 - 第 2 宇宙速度 Second Cosmic Velocity (11.2 km/s) 又稱 脫離速度 Break Away Velocity 。 擺脫地球引力束縛，飛離地球所需要的 最低速度 - 第 3 宇宙速度 Third Cosmic Velocity (16.7 km/s) 又稱 逃逸速度 Escape Velocity 。 擺脫太陽引力束縛，飛出太陽系所需要的最低速度 - 第 4宇宙速度 Fourth Cosmic Velocity (~115 km/s) 擺脫銀河系引力束縛，飛出銀河系所需的最低速度

End of seminar Thanks for your attention 講座完畢 謝謝各位 Acknowledgement 特別鳴謝 Dr. Philip Leung 梁文威博士 Mr. Louis Lai 賴智堅先生 For the Arrangement of this lecture and Consultant of lecture material 為本講座所作之 安排 和 內容指導 End of seminar Thanks for your attention 講座完畢 謝謝各位

Mr. Man Wu 萬户 The first Astronaut in human history 人類有史以來第一位太空人

Space Craft of Man Wu 萬戶的太空船

Rocket nozzle improve performance火箭 噴咀 可增加 功率

and his world first liquid fuel rocket Robert Goddard and his world first liquid fuel rocket Combustion chamber 燃燒室 Fuel pijp 燃料管 First test flight 16-03-1926 Exhaust nozzle排氣 噴嘴 Support frame 支撐架 Length 火箭 全長 3.04 m Burn time 燃燒 時間 2.5 sec Max. speed 最高 時速 103 km/hr Flight altitude 飛行高度 12.5 m Range 射程 56 m Fairing cap 整流 /保護罩 Fuel pump 燃料泵 Benzene tank 汽油 箱 Liquid oxygen液氧 箱 Link

Sputnik 1 (Elementary Satellite-1) 人造衛星 1 号 Mass 重量 83 kg. Orbit 軌道 Elliptic橢圓形 Inclination 軌道傾角 65.1o Eccentricity 偏心率 0.05201 Apogee 遠地點 939 km Perigee 近地點 215 km Period 周期 96 min. 12 sec. Duration 壽命 92 days Antenna 天線 ４sets Link

Van Allen Belts 范.愛倫 輻射帶 Link

Dong Fang Hong I (Red East 1) 東方紅 1 號 Mass 重量 173 kg. Config. 外型 Sphere (72 面) Orbit 軌道 Elliptic 橢圓形 Inclination 軌道傾角 68.5o Apogee 遠地點 2,384 km Perigee 近地點 439 km Period 周期 114 min. Duration 壽命 28 days Antenna 天線 ４sets ( 2 m. ) Link

Chang’E – 1 「嫦娥 1 號」衞星 Link Mass 重量 83 kg. Orbit 軌道 Elliptic橢圓形 Inclination 仰角 65.1o Eccentricity 偏心率 0.05201 Apogee 遠地點 939 km Perigee 近地點 215 km Period 周期 96 min. 12 sec. Duration 壽命 92 days Antenna 天線 ４sets Link

Hubble Space Telescope 哈勃 太空望遠鏡 Link

NOAA Polar Orbiting Weather Satellite 氣象衛星 (風雲系列)

Global Positioning System (GPS) 全球 定位 系統

ESA Galileo Satellite & Orbit System 伽利略 全球衛星 導航系統

The Chinese GPS system (Beidou) 北斗 導航 定位 衛星

Advanced Extremely High Frequency (AEHF) Communication Satellite 極高頻 通訊衛星

美國 DSP - 紅外線偵察衛星 Link

Geostationary Earth Orbit & Polar Orbit 地球同步軌道 與 極地軌道

Difference between Polar and Solar Orbit 極軌道 與 太陽同步 軌道 之 差別 Polar Orbit 極軌道 Solar Orbit 太陽同步軌道

Sun-synchronous Orbit 太陽同步 軌道 Link

Ion Thruster 離子推進器

Hall Effect Thruster 霍耳效應 推進器

Hall Effect Thruster 霍耳效應 推進器

Plasma Power Rocket Engine 等離子力 火箭 引擎

The Cosmic Velocity 宇宙速度 - 第 1 宇宙速度 First Cosmic Velocity (7.8 km/s),又稱 環繞速度 Circular Velocity。 衛星 或 太空船 環繞地球飛行所需要的 最低速度 地心吸力= 向心力 (Gravitational Force=Centripetal Force) (1 = 第1宇宙速度) (G = 6.67 X 10-11N m2/kg2, Mearth = 5.98 X 1024 Kg, Rearth = 6,378 km) 又或者： 重力 = 向心力 Ｗeight = Centripetal Force (go = 9.80665 m/s2 )

The Cosmic Velocity 宇宙速度 - 第 2 宇宙速度 Second Cosmic Velocity (11.2 km/s) 又稱 脫離速度 Break Away Velocity 擺脫地球引力束縛，飛離地球所需要的 最低速度 Kinetic Energy = Gravitational Potential Energy 動能 = 引力勢能 (2 = 第2宇宙速度)

The Cosmic Velocity 宇宙速度 - 第 3 宇宙速度 Third Cosmic Velocity (16.7 km/s) 又稱 逃逸速度 Escape Velocity 。 擺脫太陽引力束縛，飛出太陽系所需要的最低速度 - 要脫離太陽引力所需的初始速度為 42.1公里 / 秒 - 地球繞太陽公轉時令地面所有物體已具有 29.8 公里/秒 - 沿地球公轉方向發射，只需額外再加上 12.3 公里 / 秒 (3 = 第 3 宇宙速度)