火箭,即通过向后喷射物质获得反作用力以前进的装置由于这种装置在中国最早被用于发射箭矢,因此被称为火箭下图是中国明代的“群豹奔横箭”,利用火箭装置驱动大量箭矢,能覆盖较大范围内的敌人二战期间德国的V2飞弹是火箭第一次大规模的实际应用,并使得美苏两国在劫掠了德国的技术和科学家后获得了领先于全世界十数年的火箭技术。
随着火箭技术的进一步发展,火箭家族正逐步迈向星辰大海:从最开始只能在大气层外打个水漂就回来的弹道导弹,到现在已经越过太阳风顶层的旅行者号,都是搭乘火箭上天的而使用火箭探索宇宙,大家耳熟能详的万户自然是世界第一人。
但实际上,最早的具有可行性的理论研究则是由苏联人康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基于1927年提出的由于太空中几乎没有空气,因此飞机的飞行机制是无效的这里稍微跑下题讲一讲飞机的飞行机制直升机的飞行机制很简单,一个向下吹风的螺旋桨制造升力与重力对抗,便可悬浮于空中。
对于固定翼飞机来讲,无论是喷气式还是螺旋桨式,都是通过空气和燃油的燃烧产生能量并向前推动飞机;并由风和机翼的互相作用产生升力:由于机翼上缘横截长度通常长于下缘,因此导致流经机翼上缘的气流流速快于下缘;而依据伯努利定律,流体速度越快压强越小,故机翼上下表面产生了一个气压差,而这个气压差提供了克服重力飞行所需的升力。
由于太空中基本没有空气,不仅引擎无法工作,而且气压差也不可能存在,故飞机无法在大气层外飞行对于火箭来讲,由于火箭内部不仅携带了燃料,还携带了氧化剂,因此不需要空气引擎也能够工作;燃料与氧化剂在燃烧室燃烧,使其升温。
由于气体温度越高压强和体积越大,因此气体膨胀并向后喷出由于牛顿第三定律的反作用原理,火箭箭体就获得了一个向前的力而关于克服重力的问题,在发射伊始,火箭选择与重力“正面刚”发射火箭时火箭向下垂直喷射着灼热的气流,徐徐升起。
(6秒才加速到44km/h,比轿车还慢...说是徐徐升起没冤枉他)类似直升机的原理,此时由于火箭的推力大于重力,因此总体来讲火箭所受的力是向上的;火箭因此获得了向上的加速度随后,火箭通常会逐渐倾斜,并因此获得了水平方向的加速度。
最终,由于其水平方向速度逐渐增大,其离心力逐渐增强(虽然在高中教材讲到的惯性参考系中不存在离心力,但此处使用以地球为中心的旋转参考系,以方便理解)对于绕地球运转的卫星来说,最终离心力与引力会达到平衡,卫星便可在基本不消耗燃料的情况下绕地球一圈又一圈运转。
而随着燃料燃尽,为了避免成为无用的负重,火箭会与载荷分离由于其速度所产生的离心力不足以抵消重力,会逐渐下坠,最终如流星般在大气层中解体、燃烧、发光还有一项不得不提的技术是多级火箭人们之所以采用多级火箭是因为,当火箭燃料使用了一部分后,空出来的燃料储箱就成为了累赘。
通过将这一部分储箱抛掉,便可减少火箭的质量,使火箭更容易达到更高的速度不过,SpaceX前阵子研发出了回收一级火箭箭体的技术,极大的降低了火箭发射的成本由于涉及的技术较为具体,这里不做过多的讲解说到火箭的速度不得不提的就是第一宇宙速度与第二宇宙速度。
这两个名词相信关注航天的朋友们应该很耳熟了第一宇宙速度是指使离心力的大小等于地球引力而需要的速度,在海平面约为7.9km/s这个速度的意义在于,如果火箭关于地球的切向速度达到了这个数值,火箭上运载的卫星就一定可以绕着地球运转。
而第二宇宙速度对于高中物理课本来说则略有些超纲了它的定义是从地面发射的物体逃脱地球引力束缚直到无限远的远方所需要的速度简单来说,机械功的值等于力关于位置的函数从初位置到末位置的定积分对于地球的引力场来说,由于引力的大小随着距离的平方成反比,因此以海平面为初位置、无限远的远方为末位置的定积分是收敛的。
而这些转换为重力势能的功,如果都是由速度转换而来,则需要11.2km/s的速度,即第二宇宙速度第三宇宙速度与第二宇宙速度类似,是逃逸太阳系的速度,约为16.7km/s相较而言,著名的AK-47突击步枪的子弹初速仅为710m/s,不到第一宇宙速度的十分之一。
不过,聪明的工程师们发明了以下两种方式来“借”一些速度: 毛主席曾有一句诗,坐地日行八万里即指地球每天自转一圈,而赤道的长度约为4万千米如果我们顺着地球自转的方向发射火箭,则可以拥有等于地球自转速度的初速度。
虽然地球自转的角速度是15°/每小时是不变的,但由于低纬度的地球比较胖,因此线速度有所增加这也是为什么我国要在位于中国最南端的海南建立卫星发射基地的原因:相较于纬度在40°左右的酒泉,纬度在20°左右的文昌能够提供435m/s的初速度,而酒泉只能提供355m/s的初速度。
美国在卡纳维拉尔角发射场建立卫星发射基地也是基于相同的原因 而对于遨游在太阳系各个行星间的长途旅客来说,“引力弹弓”效应也是常用的加速/减速方法弹力弹弓:对于静止的观察者来说,其中飞行器以速度V向右飞去,而行星以速度U向左绕太阳公转。
而从行星的角度看,飞船与其靠近的速度是两者之和,U+V而当飞船绕了行星转了半圈后,根据能量守恒定律,飞船将以原速度脱离——相对于行星因此,相对于行星,飞船会以U+V的速度向左飞行而对于静止的观察者来说,行星本身就在向左飞行,两者速度叠加,飞船的速度就变为了U+2V。
基于相似的原理,如果飞船从右向左接近行星并飞离,则会使飞船的速度降低——这在探索地球内侧的目标时非常好用,因为飞船在向目标飞去时由于释放了关于太阳的引力势能,使得其速度偏快,难以被目标的引力场捕获成为该目标的卫星从而绕其不断旋转并展开研究。
此外,在离行星最近的时候(术语叫近拱点,也许是因为飞船的轨迹像一个拱形)点燃火箭发动机也是不错的选择我们知道,火箭提供的总冲量是恒定的,但当火箭速度更快时,由于动能关于速度的二次方成正比,而动量关于速度的一次方成正比,同样的速度增量可以带来更多的动能增量。
由于位于近拱点时飞船将大量关于行星的引力势能转换成了动能,因此飞船速度达到最大,故在此时启动火箭发动机的效果也是最好的人们探索宇宙的脚步是永不停歇的除上文介绍的化学能火箭外,离子火箭发动机、无工质火箭等新一代黑科技正逐渐从科幻走向现实。
我们的征途,是星辰大海! The end