【科普】火箭的原理

2021-02-25 今日北鬥

看似複雜的火箭,原理其實非常簡單,牛頓早在17世紀就很清晰地描述了它:如果你以一定速度向後拋出一定質量,你就會受到一個反作用力的推動,向前加速。簡單的火箭甚至早在牛頓提出這一公式前幾百年就在中國發明出來,並得到了應用,這既包括軍用的火藥箭,也包括節日慶典的煙花。

火箭是靠火箭發動機向前推進的。火箭發動機點火以後,推進劑(液體的或固體的燃料加氧化劑)在發動機燃燒室裡燃燒,產生大量高壓氣體;高壓氣體從發動機噴管高速噴出,對火箭產生反作用力,使火箭沿氣體噴射的反方向前進。火箭推進原理依據的是牛頓第三定律:作用力和反作用力大小相等,方向相反。一個紮緊的充滿空氣的氣球一旦鬆開,空氣就從氣球內往外噴,氣球則沿反方向飛出,其道理是一樣的。

固體推進劑是從底層向頂層或從內層向外層快速燃燒的。 而液體推進劑是用高壓氣體對燃料與氧化劑貯箱增壓,然後用渦輪泵將燃料與氧化劑輸送進燃燒室。推進劑的能量在發動機內轉化為燃氣的動能,形成高速氣流噴出,產生推力。

火箭可按照不同方式分類:

(1)按照級數分為單級火箭和多級火箭;
(2)按能源分為化學火箭、 核火箭、電火箭以及光子火箭等。化學火箭又分為液體推進劑火箭、固體推進劑火箭和固液混合推進劑火箭;
(3)按用途分為衛星火箭、布雷火箭、氣象火箭、防雹火箭以及各類軍用火箭等;
(4)按有無控制分為有控火箭和無控火箭;
(5)按結構形式分為串聯火箭和並聯火箭;
(6)按射程分為近程火箭、中程火箭、遠程火箭和洲際火箭等。

多級火箭:由多級組成的火箭。由於單級火箭在實際運用上很難實現宇宙飛行所必需的宇宙速度,因此需要採用多級火箭來解決這一問題。多級火箭的一子級在發射點火後就開始工作,工作結束後與整個火箭分離,再由二子級繼續將有效載荷推向太空,以此類推,直至把有效載荷送入預定軌道。多級火箭一般由2-4級組成。

固體火箭:用固體火箭發動機推進的火箭。固體火箭發動機由固體推進劑藥柱、燃燒室殼體、噴管和點火裝置組成。目前最常用的固體推進劑是由氧化劑(主要是高氯酸銨)、燃料(同時也是粘合劑)和輕金屬(如鋁粉)等組成的複合推進劑。

液體火箭:用液體火箭發動機推進的火箭。它的動力裝置包括推進劑貯箱和液體火箭發動機兩部分。液體火箭發動機由推力室、推進劑輸送系統和發動機控制系統等組成。

探空火箭:在近太空進行探測、科學試驗的火箭,一般不設控制系統,是30-200公裡高空的有效探測工具。探空火箭通常按研究對象或用途分類,如地球物理火箭,氣象火箭,生物火箭、技術試驗火箭和防雹火箭等。

新能源火箭:包括電火箭、核能火箭和太陽能火箭。

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