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為什么火箭能在大氣層外飛行,火箭為什么能在太空飛行?

1、火箭為什么能在太空飛行?所謂火箭是指用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)向后噴射高溫高壓燃?xì)猱a(chǎn)生反作用力,以獲得前進(jìn)動(dòng)力 , 向前運(yùn)動(dòng)的飛行器 。運(yùn)載火箭是其中的一種,還有軍用火箭和導(dǎo)彈,以及氣象火箭、地球物理火箭和生物火箭等民用火箭和煙火等 。
所謂火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是指自帶推進(jìn)劑(燃料和氧化劑),其工作不依賴外界空氣的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī) 。其他噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),如飛機(jī)上使用的空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),只攜帶燃料,燃料燃燒所需的氧氣要從大氣中獲??,因而只能栽熀V闃泄ぷ?。由于火箭既攜帶了燃料,又?jǐn)y帶了氧化劑、所以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在真空的太空中也能工作,使火箭能夠成為航天飛行的動(dòng)力 。
那么,火箭飛行如何能產(chǎn)生戰(zhàn)勝地球引力的宇宙速度呢?理論研究 和迄今的實(shí)踐都證明,火箭飛行速度決定于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣速度和火箭的質(zhì)量比 。發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣速度越高,火箭飛行的速度越高;火箭的質(zhì)量比越大,火箭飛行能達(dá)到的速度越高 。
火箭的質(zhì)量比是火箭起飛時(shí)的質(zhì)量(包括推進(jìn)劑在內(nèi)的質(zhì)量)與發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)(熄火)時(shí)刻的火箭質(zhì)量(火箭的結(jié)構(gòu)質(zhì)量,即凈重)之比 。因此,質(zhì)量比大,就意味著火箭的結(jié)構(gòu)質(zhì)量小,所攜帶的推進(jìn)劑多 。
火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣速度,決定于推進(jìn)劑的性能和發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)水平 。推進(jìn)劑的能量越高,可獲得的噴氣速度越高;設(shè)計(jì)水平越高 , 所獲得的能量效率越高 。
【為什么火箭能在大氣層外飛行,火箭為什么能在太空飛行?】能量效率是指推進(jìn)劑燃燒的熱化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚倥艢獾膭?dòng)能的效 。它包括推進(jìn)劑的燃燒效率、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管效率和發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)效率 。能量效率越高,排氣速度越高 。
火箭飛行的基本原理是利用動(dòng)量守恒定律 。為了形象生動(dòng)地理解能量守恒定律,我們來做一個(gè)有趣的小實(shí)驗(yàn) 。在桌面直線排放一排緊靠在一起的相同大小的硬幣,在它的前面用相同大小的硬幣來彈擊 。用幾個(gè)硬幣彈擊,那一排后面就有幾個(gè)硬幣被彈出 。后面彈出硬幣數(shù)與彈擊硬幣數(shù)總是相同而跟彈擊力大小無關(guān) 。彈擊力加大,只能使后面彈出硬幣運(yùn)動(dòng)速度加快,移動(dòng)更遠(yuǎn) 。這是因?yàn)閺棑粲玫挠矌艅?dòng)量通過傳遞給最后幾個(gè)相同數(shù)目的硬幣,并使起運(yùn)動(dòng),在這種傳遞轉(zhuǎn)換過程中,能量的總量是不變的,這就是守恒的體現(xiàn) 。(注:系統(tǒng)中有摩擦存在 , 有一定的能量損耗)
火箭在飛行時(shí),燃料和氧化劑在燃燒室中燃燒,背著飛行方向不斷地噴出大量速度很大的氣體,使火箭在飛行方向上獲取很大的動(dòng)量,從而獲得巨大的前進(jìn)速度 。如果飛行的宇宙飛船減速或著陸時(shí),則向其前方噴氣使其減速 。它不依靠空氣的作用,所以可以在空氣稀薄的高空或宇宙空間飛行 。
在大氣層內(nèi) , 火箭的飛行可以根據(jù)牛頓的作用與反作用的理論解釋 , 即火箭向后噴出氣體 , 氣體向后推動(dòng)空氣 , 空氣就會(huì)給火箭以大小相同的反作用力來推動(dòng)火箭前進(jìn) 。
但是,當(dāng)火箭飛出了大氣層到了宇宙空間,空氣沒有了,空氣的反作用力也就不存在了,那么,火箭為什么還能繼續(xù)飛行呢?其實(shí)還是要用牛頓定律來解釋這一問題,關(guān)鍵是力和作用點(diǎn)的變換 。
火箭向前飛行時(shí) , 燃燒劑和氧化劑在燃燒室迅速燃燒,產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)庖悦棵霐?shù)千米的速度向后噴出 。我們把火箭和噴出的氣體作為互相作用的兩個(gè)物體,作用點(diǎn)選在火箭上,問題就迎刃而解了 。
火箭在噴氣的時(shí)候相當(dāng)于給氣體一個(gè)向后的推力 , 按牛頓定律,噴出的氣體就會(huì)通過在火箭上的作用點(diǎn)給火箭一個(gè)反作用力,使火箭向前飛行 。這個(gè)物理過程與空氣無關(guān) , 所以即使是在沒有空氣的宇宙空間,火箭也會(huì)照樣高速飛行 。

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