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    出發(fā)!推著火箭上天去

    2021-01-17 07:31:41沉舟舟
    課堂內外(小學版) 2021年8期
    關鍵詞:液氫貯箱液氧

    沉舟舟

    小cool 龍,你玩過水火箭嗎?就是在塑料瓶里灌點水,然后使勁往里面打氣。“噗”的一下,水火箭就會飛上天。

    當然玩過!那你知道,為什么水火箭能上天嗎?

    當然知道!不就是因為噴水嗎?

    那么,為什么水火箭噴水能上天,你噴水卻原地不動呢?

    這個……說得好像你可以一個屁把自己轟上天似的。

    水火箭上天,氣勢要足

    水火箭上天的原理,其實比較簡單。我們利用打氣筒不停地往水火箭中注入空氣,空氣越來越多,產生的壓力超過了瓶子的承受能力,空氣就要尋找出口跑出去。由于出口被塞子堵住,空氣沖破塞子噴涌而出,就會產生足夠的推力,推著水火箭上天。之所以要加入水,是因為水的密度比空氣大,當空氣將水推出瓶口時,能產生更大的推力,讓水火箭飛得更高、更遠。

    那么,回到小cool 龍和安奇奇的討論,為什么水火箭噴水能上天,我們放屁卻原地不動呢?這要從兩對力說起。

    一對是作用力和反作用力。這兩種力就像一對雙胞胎,總是一起出現(xiàn),而且大小相等,方向相反。比如,當你站在滑板車上用力推一堵墻時,墻一動不動,但滑板車卻帶著你在后退,這就是因為你在對墻施加推力的時候,自己也受到了來自墻的反作用力。

    對于水火箭來說,噴射出水和空氣的時候,它向后施加了作用力(噴射),同時自身也受到向前的反作用力。

    但是,光有反作用力還不行,這反作用力的大小必須超過水火箭的重力,這樣一來水火箭所受的合力才會向上,讓它飛上天空。而小小一個屁產生的推力,相對于我們受到的重力來說,實在是可以忽略不計。

    真火箭上天,火力要猛

    我明白了。理論上來說,如果一個屁足夠猛,是可以把人轟上天的。

    你思考的點,總是這么“清新脫俗”。

    說正經(jīng)的,要把真火箭那樣的龐然大物送上天,光靠空氣和水,肯定不行吧?

    原來,你知道自己不正經(jīng)啊,哈哈!

    真正的火箭,的確是龐然大物。我們的“長征五號”火箭,起飛重量約869 噸;將人類送上月球的“土星五號”火箭,起飛重量達到了3 038.5 噸,相當于5 萬多個成年人加在一起的重量。要將這些龐然大物送上天,沒點兒本事,自然是行不通的。

    發(fā)射真火箭,主要是利用燃燒來產生能量和氣體。用來燃燒的物質,就是火箭的燃料。我們都知道,木柴能燃燒,煤炭能燃燒,汽油能燃燒,但要成為火箭的燃料,可得經(jīng)過層層選拔,不是一般的燃料能夠勝任的。

    第一,這種燃料,密度越大越好。密度越大,同樣大小的容器就能裝得越多。

    第二,這種燃料,重量越輕越好。燃料本就是火箭的“負擔”,自然是越輕對火箭的飛行越有利。

    第三,這種燃料的熱值要高。也就是說,同樣體積或重量的燃料,燃燒時產生的能量越多、推力越大越好。

    第四,這種燃料最好還很容易儲存和使用,既不能動不動就燃起來,也不能加熱半天都看不到一點兒火星。

    這里還有第五點要求。關于這一點,我們需要先來談一談燃燒。

    燃燒由兩種物質參與,一種叫氧化劑,一種叫還原劑。氧化劑是個“調皮鬼”,喜歡從還原劑那里搶走電子。而還原劑又不“給力”,非常容易失去電子。這種搶奪電子的行為,在化學中就被稱為氧化還原反應。如果電子搶奪戰(zhàn)進行得非常激烈,就會產生大量的光和熱,這就是我們說的燃燒。

    空氣中的氧氣就是最常見的氧化劑,日常生活中的燃燒,通常都是在它的幫助下進行的。例如,我們的汽車加入汽油后,就是借由氧氣燃燒,驅動車輛前進。但是,火箭的目標是太空,那里可沒有足夠的氧氣來支持燃燒。因此,火箭除了需要攜帶燃料(火箭燃料就是一種還原劑),還需要攜帶能讓燃料燃燒起來的氧化劑。二者合稱為火箭的推進劑。

    這就是火箭選擇燃料的第五點要求,需要有與之匹配的、合適的氧化劑。

    真火箭上天,推進劑要足

    按照上面的五點要求,首先被科學家排除的是用氣體來作為火箭的推進劑。氣體密度小,同樣的體積,無論是燃燒的時長還是產生的能量,都不如液體和固體。因此,科學家經(jīng)過層層篩選,為火箭選擇了兩大類推進劑組合,一類稱為固體火箭推進劑;另一類稱為液體火箭推進劑。

    固體火箭推進劑,簡單說,就是兩種或多種能產生劇烈氧化還原反應的固體材料組合,然后加入黏稠的化學物質攪拌,讓它們充分混合,最終呈現(xiàn)出類似瀝青或濃奶油的狀態(tài),便于運輸、裝卸和使用。其中,最具有代表性的是鋁粉(燃料)和高氯酸銨(氧化劑)的組合。

    鋁粉被點燃后,產生的高溫會讓高氯酸銨分解為氮氣、氧氣、氯氣和水蒸氣四種氣體。其中,氯氣、氧氣和鋁粉進一步反應,產生更多熱量,促進高氯酸銨持續(xù)分解。二者相輔相成,最終產生足夠的能量和推力,推動火箭飛向太空。

    液體火箭推進劑,我們選擇了兩組代表。

    一組是以肼(jǐn g)類物質為燃料,以硝酸或四氧化二氮為氧化劑。肼類物質是一類生活中不常見的化學物質,它們的優(yōu)點是在常溫下呈現(xiàn)液體狀態(tài),方便儲存和使用,缺點是有劇毒。因此,使用這類物質作為燃料的火箭,被戲稱為“毒箭”。

    另一組是液氫(燃料)和液氧(氧化劑)的組合。平時,氫和氧都以氣體的形態(tài)出現(xiàn)在我們周圍,液氫和液氧的密度更大,克服了氣體狀態(tài)下體積過大的問題。二者的組合,優(yōu)點非常突出,可以說是非常環(huán)保高效的火箭推進劑:它們反應之后,不但能產生足夠的能量,而且無論二者自身還是反應后產生的水,都無毒無害。

    不過,液氫和液氧也有缺點。這兩者都必須要在極低的溫度下才能保持液體狀態(tài),其中,液氧超過-183℃就會重新變成氣體,液氫更是不能高于-252℃,因此對火箭推進劑貯箱的保溫性能提出了更高的要求。

    我國“長征五號”火箭主發(fā)動機使用的推進劑就是液氫和液氧。因為二者的溫度實在太低,因此“長征五號”火箭又被稱為“冰箭”。

    發(fā)射時,如果看到火箭噴著火,箭身卻在掉冰塊,那它使用的推進劑多半就是液氫和液氧。

    真火箭上天,負擔要少

    解決了推進劑的問題,火箭上天的問題算是解決了一半。為什么這么說呢?因為火箭要擺脫地球引力飛入太空,速度至少要達到7.91 千米/ 秒。要做到這一點,僅僅有符合要求的推進劑可不夠,火箭自身還得滿足三個條件:

    一是要足夠強,扛得住飛行過程中的各種顛簸和沖擊。

    二是要足夠大,能夠裝載足量的推進劑,讓速度達到飛入太空的要求。

    三是要足夠輕,身體越輕,才有可能飛得越快。

    但是,科學家們通過試驗發(fā)現(xiàn),在目前的技術條件下,火箭要裝載足夠的推進劑,就不得不增加貯箱的容積;容積一增加,必須用更多的材料來增加貯箱的強度,如此一來,貯箱的重量又會增加;貯箱的重量增加,又需要更多的推進劑才能推動;推進劑增加,則需要擴大貯箱的容積……

    如此一來,就陷入了一個死循環(huán),火箭總是無法同時滿足這三個條件,也就無法飛入太空。

    那么,該如何解決這個問題呢?

    科學家想到的辦法是,把火箭“拆”成若干部分,也就是建造多級火箭。

    多級火箭,由若干可以自動脫離的“級”組合而成。在飛行過程中,第一級火箭先點火飛行,達到一定速度后,推進劑耗盡,本級自動脫離,回歸大地;然后,第二級火箭接棒飛行,直到推進劑耗盡后脫離;接著,第三級、第四級……直到火箭飛入太空。

    如此一來,在持續(xù)加速的過程中,火箭就能隨著推進劑的消耗,拋棄自身多余的重量,越飛越輕,越飛越快,最終成功擺脫地球引力,飛入太空。

    當然,火箭的級數(shù)也不是越多越好。太多的級數(shù)會讓火箭的結構變得太復雜,影響飛行安全。因此,現(xiàn)在的火箭,大多是2~4級,或是根據(jù)需要添加助推器。

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