你还不知道火箭是如何工作的吗看完秒懂

北京市治疗白癜风专科医院 https://wapyyk.39.net/bj/zhuanke/89ac7.html

目前，火箭是人类离开地球大气层并到达太空的最佳方式。但是，让这些庞然大物工作背后的原理并不简单。以下是您想要了解的有关如何将火箭送入太空的信息。

01火箭如何升空

几个世纪以来，科学家和发明家一直梦想着探索地球以外的宇宙，但直到19世纪，人类才有了进入太空的可能。实验性气球飞行表明，地球的大气层在高海拔地区迅速变得稀薄。因此，在动力飞行成为现实之前，工程师们就知道，通过推动周围的空气等介质（如机翼和螺旋桨）来产生向前或向上力的装置在太空中是没有用的。

另一个问题是，内燃机——蒸汽或汽油发动机等机器，通过燃烧来自地球大气层的氧气中的燃料来产生动力——也会在无气的太空中失效。

幸运的是，人类已经发明了一种在没有周围介质的情况下产生推力的装置——火箭。火箭发射的原理曾经也被用于战争武器或烟花，它是通过化学反应原理和物理中的动量守恒定律在一个方向上产生一种力，称为推力：爆炸性化学品释放的气体被高速推出火箭的后部，使得火箭被推向另一个方向，不管周围有没有气体介质，它都能正常运作。

在太空中使用火箭的关键是携带一种称为氧化剂的化学物质，该化学物质可以发挥与地球空气中氧气相同的作用，并使燃料能够燃烧。

第一个认真研究火箭太空旅行可能性的人是俄罗斯教师和业余科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（KonstantinTsiolkovsky），他于年首次发表了他的结论。他正确地将发射确定为最大的挑战之一——火箭必须携带到达太空所需的所有燃料和氧化剂的时刻——因为那时它的重量最大，需要大量的推力才能使其移动。

当火箭开始飞行时，它会通过其排气管释放质量，因此其重量减轻，并且相同能量的推力将在加速火箭的其余部分方面产生更大的影响。齐奥尔科夫斯基提出了各种火箭设计，并得出结论，最有效的设置是垂直发射的飞行器，有几个“级”——每个阶段都是一个独立的火箭，可以在耗尽燃料之前将级携带一定距离，分离并掉落。这一原理至今仍在广泛使用，它减少了需要一直带入太空的自重量。

02起飞

火箭必须巧妙地平衡和控制巨大的力量，以便穿过地球大气层进入太空。

火箭使用受控爆炸产生推力，因为燃料和氧化剂经历剧烈的化学反应。爆炸产生的膨胀气体通过喷嘴从火箭后部推出。喷嘴是一种特殊形状的排气装置，它将燃烧产生的炽热高压气体引导到一条流中，该流以高超音速从喷嘴后部逸出，它是音速的五倍以上。

艾萨克·牛顿（IsaacNewton）的第三运动定律指出，每个动作都有一个相等且相反的反应，因此将废气从火箭喷嘴中排出的“作用力”必须由推动火箭前进的相等且相反的力来平衡。具体来说，这种力作用在燃烧室的上壁上，但由于火箭发动机是每个火箭级不可或缺的一部分，我们可以认为它作用于整个火箭上。

随着火箭速度的提高，保持运动方向与推力方向紧密对齐至关重要。需要逐步调整以将火箭引向轨道轨迹，但严重的不对称可能会使火箭旋转失控。大多数火箭，包括猎鹰和泰坦系列以及土星五号月球火箭，都使用万向发动机进行转向，以便整个火箭发动机可以旋转并随时改变其推力的方向。其他转向选项包括使用外部叶片在废气逸出火箭发动机时偏转废气。对于缺乏复杂发动机的固体燃料火箭最有效。另外还有辅助发动机，例如安装在火箭级侧面的小型推进器火箭。

03火箭的发动机如何工作

现代火箭发动机已经比一开始的烟花发展了不是一星半点。相对简单的固体火箭通常用作助推器，在发射时提供额外的推力，且仍然依赖于相同的基本原理，即点燃含有燃料和氧化剂混合物的可燃管。一旦被点燃，固体火箭将继续燃烧，直到其燃料耗尽，但燃料燃烧的速度以及推力的大小可以通过改变火箭飞行中不同时间暴露于点火的表面量来控制。

这可以通过包装燃料/氧化剂混合物来完成，在中心有一个空心的间隙，沿着火箭的长度运行。例如，根据该间隙的轮廓（可能是圆形或星形），在飞行过程中暴露表面的数量将发生变化。

更广泛分布的液体燃料火箭要复杂得多。通常，它们涉及一对推进剂罐——燃料和氧化剂各一个——通过复杂的管道迷宫连接到燃烧室。由其自身独立电机系统驱动的高速涡轮泵用于通过喷射系统将液体推进剂输送到腔室中。供应速率可以根据需要向上或向下节流，燃料可以作为简单的喷射或精细喷雾喷射。

在燃烧室内，点火机构用于开始燃烧——这可能是高温气体的喷射，电火花或烟火爆炸。快速点火至关重要——如果允许过多的燃料或氧化剂混合物在燃烧室中积聚，那么延迟点火可以产生足够的压力来将火箭炸开，这是火箭工程师不太愿意看见的灾难性事件，称为“硬启动”或“快速计划外拆卸”（RUD）。

液体火箭级的详细设计可能会根据其燃料和其他要求而有很大差异。一些最有效的推进剂是液化气体，如液态氢，它只在非常低的温度下稳定——大约零下华氏度（零下摄氏度）。一旦装载到火箭上，这些低温推进剂必须储存在高度绝缘的罐中。一些火箭避免了使用高能推进剂的点火机构，因为这些推进剂在彼此接触时会自燃。

04星际旅行

火箭是探索太阳系的关键，但它们如何从轨道进入深空？

任何太空飞行的第一阶段都涉及从地球表面发射到大约英里（公里）的相对较低的轨道上，高于绝大多数大气层。这里的重力几乎与表面一样强，但来自地球高层大气的摩擦力非常低，因此，如果火箭的最上层移动得足够快，它可以保持稳定的圆形或椭圆形轨迹，其中重力的拉力和火箭在直线上飞行的自然趋势相互抵消。

许多航天器和卫星的飞行距离不超过这个低地球轨道（LEO），但那些想要完全离开地球并探索更广阔的太阳系的航天器和卫星则需要进一步提高速度才能达到逃逸速度——它们永远不会被我们星球的引力拉回来的速度。

地球表面的逃逸速度——每秒11.2公里——比LEO中物体的典型速度快约50%。它在离地球更远的地方变得较低，并且前往行星际空间的探测器通常首先通过来自上级火箭的精心定时的推力爆发注入细长或椭圆形轨道，该火箭可能在行星际飞行的其余部分保持附着在航天器上。在这样的轨道上，航天器与地球的距离可以从数百英里到数千英里不等，其速度也会有所不同，当航天器最接近地球时达到最大值-一个称为近地点的点-并进一步减速。

然而，令人惊讶的是，用于进入行星际空间的关键火箭燃烧通常是在航天器靠近近地点时产生的。这是由于所谓的奥伯斯效应，这是火箭方程的一个意想不到的特性，这意味着火箭在以更高的速度移动时效率更高。

理解这一点的一种方法是，燃烧航天器的燃料不仅可以使发动机利用其化学能，还可以利用其动能，在较高速度下动能更大。总而言之，在以较高速度从低空达到逃逸速度所需的额外火箭推力小于以较低速度移动时从高空逃逸所需的推力。

太空飞行工程师和任务规划人员经常提到完成特定飞行机动（例如轨道变化）所需的“Delta-v”。严格来说，术语Delta-v意味着速度的变化，但工程师专门用它来衡量完成机动所需的脉冲量或推力。从广义上讲，任务是围绕“Delta-v预算”计划的-使用航天器的机载燃料供应可以在多长时间内产生多大的推力。

以最低的Delta-v要求将航天器从一个行星发送到另一个行星，涉及将其注入围绕太阳的椭圆轨道，称为霍曼转移轨道。航天器沿着椭圆路径的一段行进，该椭圆路径类似于两颗行星轨道之间的螺旋轨道，并且不需要沿其旅程进一步推力。在到达目标物体时，它可能仅利用重力进入其最终轨道，或者可能需要向相反方向发射火箭推力-通常只需在太空中转动航天器并发射发动机即可完成-然后才能达到稳定的轨道。