既然燃燒需要氧氣,那麼火箭在外太空是如何飛行的?

2020-11-29 天文在線
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問：飛行高度在大氣層中的商用飛機和噴氣式戰鬥機可以用氧氣作為助燃劑，要進入太空的火箭呢？那裡根本沒有空氣，火箭在太空中要怎樣點燃引擎和燃燒燃料呢？

答：燃燒反應只需要兩個要素：燃料和氧化劑。大多數航空火箭自行攜帶燃料和氧化劑，所以它們不用靠從外太空獲取氧氣。此外，它們並不需要火焰給火箭提供推力，可以單純地依靠噴射「物質」來推動火箭。

太空中火箭的運動受牛頓第三運動定律的支配（照片來源：3dsculptor/Fotolia）

火箭在太空中如何運作

太空中幾乎沒有大氣，那麼火箭是如何運作的？既然沒有氣體供火箭反向推動，那它們是如何加速或改變航向的？

大多數人都在高中學過牛頓運動定律。世界上的每一種運動形式都受這三個運動定律的支配。火箭也不例外。

讓我們研究一下生活中最基礎的運動——走路。為了行走起來，我們的腳牢牢地站在地面上，然後向後推動地面，這種力反過來推動我們前進。

當我們向後踩地面，它推動我們前進；這就從根本上闡明了我們是如何走路的。（圖片來源： Pixabay）

當然，這種說法看起來有些荒誕，因為我們僅憑藉弱小的肢體並不能「推動」地面，但那恰恰就是真實發生的。由於地球的質量比我們個體的質量大得多，地面實際上並沒有被推動。這種作用力與反作用力的關係就是牛頓第三運動定律，即「對於每一種作用力都有其反作用力」。

你可以從無數實際情況中觀察到牛頓第三定律的現象。比如說，在湖中有兩個靜止的小船，如果一個人從一艘小船跳到另一艘小船上，在他跳躍的一瞬間最開始的那艘小船會被輕微地向後推動。

同樣也是牛頓第三定律使得火箭能夠在太空中航行和轉向。為了向前移動，火箭尾部釋放高壓氣流(由燃燒反應所產生)，故而，作用力（噴射氣流）觸發了反作用力（火箭向前推動）。

然而就像前面所提到的，氣體是通過燃燒產生的，傳統的燃燒反應需要氧氣助燃。但是，我們都知道太空氧氣極其稀薄。

所以，解決方法是什麼？

火箭如何在沒有氧氣的情況下運作？

燃燒離不開兩個至關重要的因素：燃料和助燃劑。所以，我們需要火焰推動火箭，但是在太空中又沒有充足的氧氣，該如何解決？

答對了！

實際上這很簡單：如果你參加一個沒有為你提供畫筆的繪畫比賽，你會怎麼做？答案是——帶上你自己的。簡單！

這正是大多數宇宙飛船所做的。許多火箭上會攜帶一罐液氧，它充當維持燃燒反應所需的氧化劑。這種火箭中最常用的燃料是液態氫或煤油。

燃料和氧化劑結合在火箭內部以開始燃燒反應

多年來，實際上數千種燃料 - 氧化劑的組合已用於太空火箭，但液態氫和液態氧仍然是最高效的組合之一。

固體推進劑

請注意，火箭中不一定要使用氧氣作為氧化劑。幾乎所有固體推進劑火箭發動機都使用鋁粉作為燃料，高氯酸銨作為氧化劑。

使用固體推進劑發射的火箭。 （圖片來源：Steve Jurvetson / Wikimedia Commons）

自燃推進劑

如前所述，火箭並不總是需要氧氣才能在內部點火；某些化學物質——當彼此接觸時，會自發地燃燒。通過這種方式燃燒的推進劑被稱為自燃推進劑。

最常用的自燃燃料包括肼、甲基肼和偏二甲基肼，它們通常與四氧化二氮（氧化劑）一起使用以引發自燃，這意味著其實推動火箭根本不需要氧氣。

將要裝載在信使號太空飛行器中的燃料供應（含有肼作為燃料）

（圖片來源：NASA / Wikimedia Commons）

單元推進劑

這些推進劑由化學分解後產能和噴射氣體的化學物質組成。這種推進劑通常由暴露於催化劑銥的化學物質如肼或濃縮的過氧化氫組成。單元推進劑通常用於反應控制推進器，提供火箭對高度的控制推動力。

總的來說，雖然氧氣無疑是地球上最重要的助燃劑，但不一定偏要用氧氣來推動火箭穿越太空，我們還有許多其他的選擇。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. sciabc

Liquid-Propellant Rocket – Wikipedia

Ammonium Perchlorate Composite Propellant – Wikipedia

Monopropellant – Wikipedia

Cold Gas Thruster – Wikipedia

Electrically Powered Spacecraft Propulsion – Wikipedia

Hypergolic Propellant – Wikipedia

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