化学与航天

1. 化学与航天 吕龙 博士

2. 提 纲 • 序言 • 航天的发展历程 • 航天的动力装置－－火箭发动机 • 火箭发动机的动力之源－－化学推进剂 • 中国科学院上海有机化学研究所 • 结束语

3. 序 言 • 化学 • 化学是一门以实验为基础的自然科学，它是研究物质的组成、结构、性质、变化及其合成规律的科学。化学是人类用以认识和改造物质世界的主要方法和手段之一，它是一门历史悠久而又富有活力的学科，它与人类进步和社会发展的关系非常密切，它的成就是社会文明的重要标志； • 航天 • 航天系指航天器在太空的航行活动，航天的基本条件是航天器必须达到足够的速度，摆脱地球或太阳的引力。第一宇宙速度（7.9km/s）、第二宇宙速度（11.2km/s）、第三宇宙速度（16.7km/s）是航天所需的特征速度；

4. 序 言 • 导弹 • 导弹是依靠自身动力装置推进，由制导系统导引、控制其飞行路线，并导向目标的武器； • 分类： • 装药：常规导弹、核导弹； • 飞行方式：弹道导弹、巡航导弹； • 作战任务：战略导弹、战术导弹； • 发射点和目标：地地、地空、空地、空空、潜地、岸舰等； • 攻击目标：反坦克、反舰、反雷达、反弹道、反卫星等； • 搭载平台：单兵便携、车载、机载、舰载导弹等； • 射程：近程、中程、远程、洲际（>8000公里） • 导弹也属于航天领域：动力装置都是火箭发动机；

5. 序 言 • 导弹

6. 航天的发展历程 • 人类早期的航天梦 • 《嫦娥奔月》、《牛郎织女》； • 《西游记》：筋头云，孙悟空腾云驾雾、一个筋斗十万八千里； • 敦煌飞天壁画：

7. 航天的发展历程 • 人类早期的航天实践

8. 航天的发展历程 • 人类早期的航天实践

9. 航天的发展历程 • 近代航天技术的奠基人 俄罗斯 德国 美国 齐奥尔科夫斯基 奥伯特 戈达德 现代航天理论的奠基人 V-2火箭的理论基础 世界第一枚液体火箭

10. 航天的发展历程 • 导弹之父－－冯.布劳恩 • 德国航天工程师，现代航天学的奠基人之一； • 第二次世界大战： • V-1火箭：巡航导弹的雏形 • V-2火箭：弹道导弹的雏形 • 美国的第一颗人造卫星 • 美国第一艘载人飞船“阿波罗11号”登上月球 • 美国的航天飞机 • 苏联航天之父 • 谢尔盖·帕夫洛维奇·科罗廖夫

11. 航天的发展历程 • V-1导弹： • 1944年6月12日，世界上第一种巡航导弹--V-1导弹正式投入实战； • 一共生产大约3万枚，发射了大约1万枚，其中2419枚击中伦敦市，造成约6184人死亡，17981人受伤； • V-2导弹： • 1938年开始研制，1942年10月试射成功，1944年9月8日首射英国； • 共发射了3745枚V-2导弹，其中有1115枚击中英国本土，造成2724人死亡，炸伤6476人；

12. 航天的发展历程 • 钱学森 • 中国航天之父、导弹之父、中国自动化控制之父 • 中国两弹一星功勋奖章获得者； • 国家杰出贡献科学家； • 1955年10月，经过周恩来总理在与美国外交谈判上的不断努力－－甚至不惜释放11名在朝鲜战争中俘获的美军高级将领作为交换，使钱学森终于冲破重重阻力回到了祖国；回国后，他为中国火箭和导弹技术的发展提出了极为重要的实施方案－－为中国火箭、导弹和航天事业的发展作出了不可磨灭的巨大贡献。

13. 航天的动力装置－－火箭发动机 • 火箭发动机的原理： • 牛顿第一运动定律 ：任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态，直到受到其它物体的作用力迫使它改变这种状态为止； • 牛顿第二运动定律 ：物体在受到合外力的作用会产生加速度，加速度的方向和合外力的方向相同，加速度的大小正比于合外力的大小与物体的惯性质量成反比； • 牛顿第三运动定律：两个物体之间的作用力和反作用力，在同一条直线上，大小相等，方向相反； • 火箭发动机： • 固体火箭发动机 • 液体火箭发动机

14. 航天的动力装置－－火箭发动机 • 液体火箭发动机： • 特点：比冲高（250～500秒），推力范围大、能反复起动、能控制推力大小、工作时间较长等；但是，结构复杂，液体推进剂尤其是高毒液体推进剂的贮存、运输、加注等都比较复杂，机动性差； • 液体火箭发动机是航天发射的主流，主要用作航天器发射、姿态修正与控制、轨道转移等；

15. 航天的动力装置－－火箭发动机 • 世界著名的运载火箭： • 美国：宇宙神（Atlas）、大力神（Titan）、德尔塔（Delta）、土星-V（Saturn，阿波罗登月计划）； • 俄罗斯：东方号（Vostok，世界第一载人航天运载工具）、质子号（Proton，国际空间站）、能源号（Energia，世界最大，暴风雪号航天飞机） • 欧洲：阿里安（Ariane，世界上最成功的商业运载工具） • 日本：H系列 • 中国：长征（CZ）系列

16. 航天的动力装置－－火箭发动机 • 固体火箭发动机 • 特点：结构简单，推进剂密度大，常备待用和操纵方便可靠等；但是，比冲较小（200～270秒），工作时间短，加速度大导致推力不易控制，重复起动困难； • 主要用于火箭弹、导弹和探空火箭的发动机，以及航天器发射和飞机起飞的助推发动机；

17. 火箭发动机的动力之源－－化学推进剂 • 火箭发动机的动力之源就是化学推进剂，它在燃烧室中高压（10-200 bar）燃烧产生尾气，形成推力（反作用力），推动航天器或者导弹高速前进； • 化学推进剂是其自带的氧化剂和燃料在发动机中发生化学反应而放出能量作为能源，而汽油、煤以及柴油等普通燃料的燃烧是燃料与空气中的氧气发生化学反应； • 化学推进剂主要分为固体推进剂和液体推进剂；

18. 火箭发动机的动力之源－－化学推进剂 • 液体推进剂： • 组成： • 常用的液体氧化剂：液氧、四氧化二氮等； • 常用的燃烧剂：液氢、偏二甲肼、煤油等； • 分类： • 双组元液体推进剂：液氧/液氢 > 液氧/煤油 > 四氧化二氮/偏二甲肼；主要用于大型运载火箭和早期的洲际弹道导弹； • 单组元液体推进剂：结构简单、使用方便，常用于姿轨控发动机以及应急动力系统；如肼类单组元液体推进剂；

19. 火箭发动机的动力之源－－化学推进剂 • 液体推进剂： • 常见的双组元液体推进剂体系 • 液氧/液氢（50吨YF-77氢氧发动机） • 液氧/煤油

20. 火箭发动机的动力之源－－化学推进剂 • 固体推进剂

21. 火箭发动机的动力之源－－化学推进剂 • 火炸药的发展历史 • 黑火药是由硝酸钾、硫黄和木炭组成的混合物，黑火药是我国古代的四大发明之一，距今已有1000多年的历史, • 1771年：苦味酸（2,4,6-三硝基苯酚，TNP） • 1838年：硝化纤维（硝化棉） • 1846年，意大利人索布雷罗合成硝化甘油； • 1863年：梯恩梯（TNT）

22. 火箭发动机的动力之源－－化学推进剂 • 诺贝尔的伟大贡献 • 实现了硝化甘油的安全生产（冷水管散热） • 发明了硝化甘油的引爆装置－ －雷管 • 硝化甘油的安全运输：将硝化甘油吸附在多孔硅藻土上 • 胶质炸药：更大的爆炸力和更好的稳定性（硝化甘油+硝化棉） • 去世前于1895年立下遗嘱，设立诺贝尔奖；

23. 火箭发动机的动力之源－－化学推进剂 • 火炸药的发展历史 • 1899年：黑索金（RDX） • C4塑胶炸药（ “口香糖”），其主要成分是聚异丁烯，与梯恩梯（TNT）、Semtex（RDX+PETN）和白磷等高性能爆炸物质混合而成，威力巨大； • 1941年：奥克托今（HMX） • 1987年：CL-20 PETN RDX HMX CL-20

24. 火箭发动机的动力之源－－化学推进剂 • 复合固体推进剂： 245s 255s 260s

25. 火箭发动机的动力之源－－化学推进剂 • 运载火箭的助推器（固体推进剂） • 航天飞机：世界上推力最大的固体火箭发动机，单台推力高达1200吨，可重复使用10次，用于航天飞机捆绑助推器； • 阿丽亚娜5型运载火箭的助推器； • 长征二号F运载火箭逃逸系统使用了固体火箭发动机；

26. 中国科学院上海有机化学研究所 • 中国科学院上海有机化学研究所成立于1950年，是中国科学院首批成立的15个研究所之一，也是1998年首批进入“知识创新工程”试点的研究所之一； • 中国科学院上海有机化学研究所是一个集基础研究、应用研究和高技术创新研究为一体的综合性国立化学研究机构，在国内外有机化学研究领域享有盛誉，先后产生了13位中国科学院院士、20位国家杰出青年基金获得者，40位入选中国科学院“百人计划”； • 建所62年来，中国科学院上海有机化学研究所为我国的化学事业、国民经济和国家安全做出了突出的贡献；

27. 黄耀曾 黄维垣 袁承业 陆熙炎 丁宏勋 唐松青 陈国敦 陈庆云

28. 结束语 • 化学不仅仅能使我们的生活更美好，化学也与国家安全紧密相关； • 中华民族是热爱和平的民族，但是，只有强大的国防才能使和平的愿望得以实现； • 希望同学们认识化学、理解化学、热爱化学，衷心希望更多的同学们能投身到神圣的化学事业中；

29. Thanks for your time！