火箭運(yùn)動(dòng)原理

蔣雄杰

尋找宇宙的奧秘，探索廣闊而神秘的外太空，發(fā)現(xiàn)外星生物是人類自古以來(lái)的夢(mèng)想。而真正為人類邁向太空提供科學(xué)方法的是俄羅斯科學(xué)家齊奧爾科夫斯基。他指出，采用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的多級(jí)火箭，是實(shí)現(xiàn)航空航天的唯一有效的方法。

宇宙穿梭機(jī)、星際飛船、導(dǎo)彈等都是以火箭為動(dòng)力，火箭的原理實(shí)質(zhì)上就是動(dòng)量守恒定律?；鸺膬?nèi)部裝有燃料和氧化劑，它們經(jīng)過(guò)輸送泵進(jìn)入燃料室，燃燒生成的熾熱氣體向后噴射，獲得向后的動(dòng)量，按動(dòng)量守恒定律，火箭獲得向前的動(dòng)量。燃料持續(xù)燃燒，不斷地向后噴出高溫、高壓、高速的氣體，由于反作用力，火箭不斷地向前運(yùn)動(dòng)，加速度很大，從而獲得很大的速度。

為什么要用火箭作為人造衛(wèi)星或其他人造天體的運(yùn)載工具呢？（1）火箭自備氧化劑和燃料，在真空的地方也能飛行。（2）根據(jù)火箭的特點(diǎn)，它的推力和大氣壓強(qiáng)有關(guān)，大氣壓低，氣體在噴口處受到的空氣阻力小，向后噴出的氣體速度較大，從而使火箭得到極大的向前的速度，因?yàn)殡x地越高，大氣壓越低甚至真空大氣壓為零，火箭推力離地越高，推力越大。所以，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最適合作為太空動(dòng)力。

實(shí)際上，在發(fā)射人造衛(wèi)星或空間站時(shí)，都采用“多級(jí)火箭”。一般是三級(jí)或四級(jí)火箭，發(fā)射時(shí)，較大的第一級(jí)火箭燃燒結(jié)束，便自動(dòng)脫落，然后是第二級(jí)和第三級(jí)火箭依次點(diǎn)火工作，工作結(jié)束后自動(dòng)分離脫落，到達(dá)預(yù)定位置后，把人造衛(wèi)星彈射出去，送入接近位置，狀態(tài)調(diào)整，進(jìn)入預(yù)定軌道。采用多級(jí)火箭的優(yōu)點(diǎn)在于可以不斷減少火箭整體的質(zhì)量，根據(jù)動(dòng)量守恒，使火箭達(dá)到的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)比用同樣質(zhì)量燃料的單級(jí)火箭所能達(dá)到的高度。

多級(jí)火箭除了具有極好的加速性能外，還有一些其他重要特點(diǎn)。（1）多級(jí)火箭每級(jí)的工作都是相對(duì)獨(dú)立的。（2）它們的工作高度區(qū)間不一樣，工作環(huán)境也不一樣，因此可以根據(jù)環(huán)境和條件的不同使用不同級(jí)別的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。（3）每級(jí)火箭燃燒結(jié)束時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)有一轉(zhuǎn)換過(guò)程，加速度會(huì)降為零。根據(jù)牛頓定律，如果發(fā)動(dòng)機(jī)一直加速，加速度不斷上升，會(huì)超過(guò)人能承受的加速度極限，危及宇航員的生命，所以加速度變?yōu)榱氵@載人火箭是尤其必要的。

為了獲得更大的速度到達(dá)更遠(yuǎn)的外太空，是不是級(jí)數(shù)越多越好呢？實(shí)際不是這樣的，因?yàn)榛鸺募?jí)數(shù)越多，造價(jià)越高昂，火箭的建造越復(fù)雜，故障率會(huì)升高，工作可靠性無(wú)法保證，不能保證達(dá)到預(yù)期目的。所以，一般常用的只是二級(jí)、三級(jí)或四級(jí)火箭。

1992年，中國(guó)載人航天工程正式啟動(dòng)。我國(guó)神舟系列宇宙飛船成功發(fā)射，把中國(guó)多名航天員送入太空。飛船載荷也越來(lái)越大，載人艙從搭乘一名宇航員發(fā)展到三名宇航員。2013年神舟十號(hào)完成了神舟飛船與天宮一號(hào)的交互對(duì)接，三民宇航員在空間站生活了較長(zhǎng)一段時(shí)間，這次成功的飛行實(shí)現(xiàn)了中華民族千年的飛天夢(mèng)想，標(biāo)志著中國(guó)成為世界上第三個(gè)能夠獨(dú)立開(kāi)展載人航天活動(dòng)的國(guó)家，為進(jìn)一步的空間科學(xué)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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？誗編輯 鄭 淼