外媒文章:關於火箭,你應該知道的一切

2021年07月14日18:52

原標題:外媒文章:關於火箭,你應該知道的一切 來源:參考消息網

參考消息網7月14日報導 西班牙《趣味》月刊網站7月5日發表題為《航天科學基礎指南:關於火箭,你應該知道的一切》的文章,作者係賈爾斯·斯帕羅。文章介紹了火箭的研發過程,全文摘編如下:

這些設備在發射的最初幾分鐘內將消耗掉大部分燃料,同時試圖克服地球引力。

數百年來,作家和發明家一直夢想探索地球以外的宇宙,但進入太空面臨的真正挑戰直到19世紀才變得明朗。搭乘氣球的實驗飛行表明,地球大氣隨著高度上升而迅速變得稀薄,因此早在動力飛行成為現實之前,工程師們就已經知道機翼、螺旋槳和其他通過推動周圍介質(例如空氣)產生向前、向上作用力的裝置在那種環境下是沒有用的。

此外,內燃機——通過地球大氣中氧氣的輔助,在一種被稱為燃燒的化學反應中燃燒燃料來產生能量的發動機——在沒有空氣的情況下也會失效。

幸運的是,人類已經發明了一種裝置來解決在這種條件下產生推力的問題:火箭。

如何發射

最初的火箭被用作武器或製作煙花。根據作用力和反作用力原理,火箭能產生一個方向的力——推力:爆炸性化學物質釋放的氣體從它們的後方高速噴出,因此無論周圍環境如何,它們都會向另一個方向移動。

在太空中使用火箭的關鍵是運輸一種被稱為氧化劑的化學物質。氧化劑能夠起到與氧氣在地球空氣中相同的作用,使燃料燃燒。

第一個詳細研究火箭太空旅行潛力的人名叫康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基,他是一位俄國教師和業餘科學家,於1903年在論文中論證了用火箭發射航天器的可行性。這位研究人員意識到,發射環節是最大的挑戰之一。由於攜帶著使其能夠到達太空所需的所有燃料和氧化劑,在發射環節,火箭的重量是最大的,並且需要很大的推力才能推動它。然而,火箭一旦發射,就會開始減輕重量,此時同樣的推力產生的加速效果更大。

齊奧爾科夫斯基設計了一個複雜的方程,揭示了在這個方向上進行任何機動所需的推力,以及火箭到達目標所需的特定推力——即每單位燃料產生多大推力。於是,他意識到當時的推進器效能太低,無法為火箭提供動力,並認為最終將需要液態和氧化性燃料,如液態氫和液態氧,才能讓火箭到達軌道和更遠的地方。齊奧爾科夫斯基的理論仍然是今天所有火箭技術的基礎。

飛行階段

為了穿過地球大氣層進入太空,火箭必須巧妙地平衡和控制強大的力量。

為了使火箭產生所需的推力,就要利用燃料和氧化劑之間劇烈化學反應產生的受控爆炸。爆炸產生的膨脹氣體通過噴氣口從火箭後部排出。噴氣口將燃燒產生的高溫高壓氣體引導成一股氣流,以高超音速(數倍於音速)的速度從後方逸出。

牛頓第三運動定律指出,每一個作用力都有一個大小相等且方向相反的反作用力。因此火箭噴出氣流的作用力與推動火箭前進、大小相等且方向相反的力達到平衡。

儘管作用在兩個方向上的力是相等的,但由於另一個牛頓定律,它們的可見效果是不同的。該定律闡明,質量較大的物體需要更大的力才能將它們加速到一定程度。也就是說,雖然作用力將質量較小的氣體迅速加速到高超音速,但由於火箭的質量要大得多,反作用力在相反方向上產生的加速度要小得多。

隨著火箭速度的提高,保持運動方向與推力方向緊密一致是至關重要的,需要逐步調整從而將火箭引導到軌道路徑中。如果明顯失去這種一致性,會導致火箭失控。

大多數火箭,包括“獵鷹”和“大力神”系列運載火箭,以及“土星5號”運載火箭,都使用發動機萬向節進行操縱,以使整個火箭發動機可以旋轉並隨時改變其推力方向。其他轉向選項包括使用外部翅片來偏轉離開發動機的氣體,這對於不具備複雜發動機的固體燃料火箭更為有效。

工作原理

火箭發動機是非常複雜的機器,要承受巨大的熱量和壓力。

相對簡單的固體火箭(最常被用作在發射時提供額外推力的助推器)也基於相同的原理:點燃裝有燃料和氧化劑混合物的容器。一旦點燃,固體火箭將持續燃燒直到燃料耗盡,但它的燃燒速度以及由此獲得的推力可以通過改變在飛行不同階段暴露於點燃位置的面積大小來控制。

液體燃料火箭往往更複雜。一般來說,它們有幾個裝有燃料和氧化劑的罐,通過管道迷宮連接到燃燒室。高速渦輪泵由它們自己的獨立發動機驅動,用於通過噴射系統向燃燒室供應液體燃料。輸送燃料的速度可以增大或減小,而且燃料能以流體噴射或以細霧噴射。

在燃燒室內部,需使用點火機製來啟動。它可以是高溫氣流噴射、電火花或小型爆炸。快速點火至關重要:如果燃燒室中積聚了過多的燃料和氧化劑混合物,點火延遲會產生過大的壓力,導致火箭爆炸。

液體火箭的分級設計可能會有不同方案,具體取決於燃料和其他要求。一些最高效的推進劑是液化氣體,例如液氫,它只在非常低的溫度下保持穩定。因此,它們必須儲存在高度絕緣的罐中。一些火箭選擇繞過點火機製,使用自燃混合物,這種混合物在彼此接觸時會自燃。

星際旅行

探索太陽系需要火箭,但如何從地球軌道進入深空呢?

任何太空飛行的第一階段都涉及將飛行器從地球表面發射到一個相對較低的軌道中,那裡的引力與在海平面上相當,但地球上層大氣的摩擦力非常小,所以如果火箭的最高段飛行得足夠快,就可以保持圓形或穩定的橢圓形軌跡。在這種狀態下,重力作用和直線飛行的自然傾向相互抵消。

許多航天器和衛星不會超出這個被稱為近地軌道的較低地球軌道。然而,那些要探索太陽系的航天器需要額外的推動才能達到逃逸速度,超出這一速度,航天器就不會受到我們星球引力的影響。

美國太空探索技術公司“獵鷹9號”運載火箭結構示意圖(美國《大眾科學》月刊網站)
美國太空探索技術公司“獵鷹9號”運載火箭結構示意圖(美國《大眾科學》月刊網站)
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