火箭的昇天原理是什麼?

  反作用力!也就是與昇天相反的一種推力使它上升。我們可以舉個生活中常見的例子:放開一隻充滿氣的氣球,在氣壓的作用下氣球會嗖地一下飛出去,在空中亂飛。類似的,火箭也是這種原理,但是實際上火箭升空的原理是相當複雜的,本文將做簡單介紹。

  火箭的概述

  

  火箭又稱噴進器,是一種利用排出物質以製造反作用力而前進的載具。火箭推進是一種精密的結構,它的原理主要是力學、熱力學,以及其它有關科學之運用,諸如電學等。火箭跟一般的飛機主要的不同點在於:飛機只能在大氣層內飛翔,但是火箭可以在外層空間工作,因為它不需要利用外界空氣便能夠燃燒推進。

  事實上,火箭在太空中的工作效率比在大氣中更高。因為在地球上的逃逸速度可以通過多級火箭來實現,因此可以使火箭達到無限的最大高度。與噴氣式噴氣發動機相比,火箭重量輕,功率大,能夠產生更大的加速度。為了控制其飛行,火箭需要依靠動量、翼型、反推力系統、萬向推力、反作用輪、推力矢量、推進劑流動(燃燒消耗量)、自旋穩定或重力等共同作用。

  最早的火箭的記載出於中國宋代,因此中國被公認是火箭之祖,但其不一定具軍事的價值,通常只限於娛樂用途,例如放煙花。直到明代有了軍用的火箭問世,作為武器的火箭相對大炮主要優點是發射設備輕巧,但因為精度較同期的大炮低,而沒有被廣泛應用。18世紀,印度在對抗英國和法國軍隊的多次戰爭中,曾大量使用火箭,獲取良好的戰果,也因此帶動歐洲火箭技術的發展。之後又發展出精密的導引與控制系統,而成為射程遠、命中率高的武器系統-飛彈。在現代多次實戰中,火箭展現出野戰機動性、射程遠、射速快、火力強、高震撼力與高命中率等特性,奠定其在軍事武器發展史上的地位。現在火箭被用於煙火、武器、彈射座椅、人造衛星的運載火箭、人類太空飛行和太空探索等領域。

  固態火箭與液態火箭便是現今比較常用的火箭。此外,還有混合火箭---就是用固體的燃料而用液體的氧化劑。另外,值得一提的是,現今運載火箭大多包含了液態火箭跟固態火箭,也就是說,一個火箭可能第一節是固態的而第二節卻是液態的。至今只有化學火箭和離子火箭被實用化。

  德爾塔-4運載火箭,圖片來自:U.S. Air Force

  火箭的原理

  

  火箭推進是一種精密的結構,它的原理主要是力學、熱力學,以及其它有關科學的運用,諸如電學等。火箭跟一般的飛機主要的不同點在於:飛機只能在大氣層內飛翔,但是火箭可以在外層空間工作,因為它不需要利用外界空氣便能夠燃燒推進。火箭推力的獲得,是由高速噴出物反作用而生成。其原理與用水管噴水時水管會向後退,以及槍向後座的原理一樣。火箭的燃料經過燃燒室燃燒以後,會產生高溫高壓的氣體,之後再經過一個噴嘴而加速,並排氣到外界。這些氣體便是推動火箭的原動力。

  固體火箭發動機的燃料和氧化劑是以固體狀態直接保存在火箭發動機裡面。固態火箭使用的歷史也相當的早,中國在宋朝使用的武器當中就有現代固態火箭的雛型。目前在中小型的火箭發動機上面,固態火箭佔據很大的比例。固態火箭發動機的燃料是直接安裝在火箭的後部,使用的時候利用點火器引發燃料燃燒,產生推力推送火箭。因為固態火箭燃料不需要額外的燃料槽,也不需要輸送或加壓的管線,在構造上固態火箭發動機比液態火箭發動機要簡單許多,重量也比較輕。

  因為固態火箭發動機的燃料的量與型態是固定的,要隨意藉由調整燃料與氧化劑的量來控制推力非常困難,燃料一但開始作用,若是中斷燃燒的過程,很難重新點燃,因此固態火箭發動機多半使用在推力需求較為固定,一經啟動就不需要停止的設計上面。在設計上需要依靠精確的形狀和燃料顆粒來控制燃燒的速度和產生的推力。近年來因為固態火箭具有低成本和高發射機動性等優點,受到軍事用戶和低軌小衛星發射商的重視,研究漸熱,也有大量控制推力的辦法發明並得到應用。

  固態火箭發動機不需要經常維護,燃料雖然也有使用年限,通常需要更換的時間比液態火箭發動機的燃料要長。因此在需要使用的場合,固態火箭發動機的反應和準備時間較短。此外,固態火箭發動機沒有管線或者是加壓設備,對於外界的震盪或者是碰撞的忍耐程度比液態火箭發動機要高。蘇聯在發展機動彈道飛彈系統的時候就發現,以鐵路運輸的方式,車體的震盪對於液態火箭發動機的設備損傷很大,固態火箭就沒有這個問題。 目前的固態火箭的缺點是,工作時間短,如何將幾十噸,或幾百噸的貨物送入空間,並超過第一宇宙速度,這是各軍事大國追求的目標。當貨物遠離地球200公里以上,速度達到7000米/秒以上時,而推動它的火箭的工作時間要大於150秒。

  液體推進劑火箭發動機(LPRE),簡稱液體火箭發動機或液態火箭發動機,是一種採用液態的燃料和氧化劑作為能源和工質的火箭發動機。液體火箭發動機的基本組成包括推力室、推進劑供應系統和發動機控制系統等。液體推進劑貯存在推進劑貯箱內,當發動機工作時推進劑在推進劑供應系統的作用下按照要求的壓力和流量輸送至燃燒室,經霧化、蒸發、混合和燃燒生成高溫高壓燃氣,再通過噴管加速至超聲速排出,從而產生推力。

  液體火箭發動機使用的推進劑可以是一種液態化學物,即單組元推進劑,也可以是幾種液態化學物的組合,即雙組元推進劑及三組元推進劑,它們均具有較高的能量特性。常用的單組元推進劑是肼,主要用於小推力發動機。雙組元推進劑主要有液氧/液氫、液氧/烴類(煤油、汽油和酒精等)、硝酸/烴類、四氧化二氮/偏二甲肼等組合。

  歷史上第一枚液體火箭是由美國火箭學家羅伯特·戈達德於1926年發射的。德國火箭專家馮·布勞恩的研究團隊在第二次世界大戰期間研製的V-2火箭極大地促進了大型液體火箭發動機的發展。二戰後,美國和蘇聯/俄羅斯等許多國家研製了大量的液體火箭發動機。液體火箭發動機作為最為成熟的火箭推進系統之一,具有較高的性能和許多獨特的優點,目前被廣泛應用於運載火箭、航天器以及導彈。液體火箭發動機還曾在二戰時期被短暫作為飛機的推進動力。

  現在大多數火箭都用固體推進劑或液體推進劑。推進劑這個詞並不是簡單的燃料,正如你所想的那樣,它意味著還需要氧化劑來輔助燃燒。燃料是化學火箭燃燒的必須物質,但為了燃燒會發生,必須還要有氧化劑(氧氣)才行。噴氣式的發動機是從周圍的空氣中吸入氧氣而進入發動機燃燒的。但是火箭沒有噴氣式飛機那樣擁有大量的氧化劑,所以火箭必須攜帶氧氣(氧化劑)進入太空,因為太空沒有空氣(氧化劑)。

  固液混合火箭是由兩種火箭組合而成的。在混合火箭中,氣態或液體氧化劑被存儲在與固體燃料顆粒分開的罐中。固體火箭相對於混合火箭的主要優點是它們的結構更簡單。在混合系統中,更高的複雜性是為了更好的性能而不得不付出的代價。然而,我們注意到,這些火箭的性能與液體系統的性能相當。此外,請注意,混合動力火箭系統只需要支持一個流體系統,包括燃料罐、閥門、調節器等。換句話說,雖然混合動力火箭比固體系統更復雜,但它們的性能與液體系統相比,只需要一半的管道。這大大地降低了整個系統的重量和成本,同時也增加了其可靠性(可能會出現故障的部件將更少)。混合火箭系統在生產和儲存方面也更安全,選擇適當的推進劑時更環保,並且燃料顆粒是惰性的,比製造的固體推進劑顆粒(用於固體火箭)更強,因此更可靠。

  火箭的發動機,圖片來自:Les Chatfield (Elsie esq.)

  參考資料

  1.WJ百科-英文版(Rocket)

  2.Rocket Principles

  文章作者:零度星系(天文在線)

  審核人員:北極光

  最終審核:零度星系

  編輯用時:2018年09月28日-2018年09月28日

  審核用時:一個小時

  最後更新:2018年11月25日星期日

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