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    外媒文章:关于火箭,你应该知道的一切

    更新时间:2021-07-20 13:00点击:

      西班牙《趣味》月刊网站7月5日发表题为《航天科学基础指南:关于火箭,你应该知道的一切》的文章,作者系贾尔斯·斯帕罗。文章介绍了火箭的研发过程,全文摘编如下:

      这些设备在发射的最初几分钟内将消耗掉大部分燃料,同时试图克服地球引力。

      数百年来,作家和发明家一直梦想探索地球以外的宇宙,但进入太空面临的真正挑战直到19世纪才变得明朗。搭乘气球的实验飞行表明,地球大气随着高度上升而迅速变得稀薄,因此早在动力飞行成为现实之前,工程师们就已经知道机翼、螺旋桨和其他通过推动周围介质(例如空气)产生向前、向上作用力的装置在那种环境下是没有用的。

      此外,内燃机——通过地球大气中氧气的辅助,在一种被称为燃烧的化学反应中燃烧燃料来产生能量的发动机——在没有空气的情况下也会失效。

      幸运的是,人类已经发明了一种装置来解决在这种条件下产生推力的问题:火箭。

      如何发射

      最初的火箭被用作武器或制作烟花。根据作用力和反作用力原理,火箭能产生一个方向的力——推力:爆炸性化学物质释放的气体从它们的后方高速喷出,因此无论周围环境如何,它们都会向另一个方向移动。

      在太空中使用火箭的关键是运输一种被称为氧化剂的化学物质。氧化剂能够起到与氧气在地球空气中相同的作用,使燃料燃烧。

      第一个详细研究火箭太空旅行潜力的人名叫康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基,他是一位俄国教师和业余科学家,于1903年在论文中论证了用火箭发射航天器的可行性。这位研究人员意识到,发射环节是最大的挑战之一。由于携带着使其能够到达太空所需的所有燃料和氧化剂,在发射环节,天富注册,火箭的重量是最大的,并且需要很大的推力才能推动它。然而,火箭一旦发射,就会开始减轻重量,此时同样的推力产生的加速效果更大。

      齐奥尔科夫斯基设计了一个复杂的方程,揭示了在这个方向上进行任何机动所需的推力,以及火箭到达目标所需的特定推力——即每单位燃料产生多大推力。于是,他意识到当时的推进器效能太低,无法为火箭提供动力,并认为最终将需要液态和氧化性燃料,如液态氢和液态氧,才能让火箭到达轨道和更远的地方。齐奥尔科夫斯基的理论仍然是今天所有火箭技术的基础。

      飞行阶段

      为了穿过地球大气层进入太空,火箭必须巧妙地平衡和控制强大的力量。

      为了使火箭产生所需的推力,就要利用燃料和氧化剂之间剧烈化学反应产生的受控爆炸。爆炸产生的膨胀气体通过喷气口从火箭后部排出。喷气口将燃烧产生的高温高压气体引导成一股气流,以高超音速(数倍于音速)的速度从后方逸出。

      牛顿第三运动定律指出,每一个作用力都有一个大小相等且方向相反的反作用力。因此火箭喷出气流的作用力与推动火箭前进、大小相等且方向相反的力达到平衡。

      尽管作用在两个方向上的力是相等的,但由于另一个牛顿定律,它们的可见效果是不同的。该定律阐明,质量较大的物体需要更大的力才能将它们加速到一定程度。也就是说,虽然作用力将质量较小的气体迅速加速到高超音速,但由于火箭的质量要大得多,反作用力在相反方向上产生的加速度要小得多。

      随着火箭速度的提高,保持运动方向与推力方向紧密一致是至关重要的,需要逐步调整从而将火箭引导到轨道路径中。如果明显失去这种一致性,会导致火箭失控。

      大多数火箭,包括“猎鹰”和“大力神”系列运载火箭,以及“土星5号”运载火箭,都使用发动机万向节进行操纵,以使整个火箭发动机可以旋转并随时改变其推力方向。其他转向选项包括使用外部翅片来偏转离开发动机的气体,这对于不具备复杂发动机的固体燃料火箭更为有效。

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