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  • 1 # 美梅答疑

    這個問題需要從兩個角度來進行分析。

    從火箭推進的角度看,透過火箭發動機向後方噴射大量氣體產生反推力,從而推動火箭前進,這屬於機械能。

    而從火箭發動機將燃料轉化為噴射氣流的角度,它大多又屬於化學能。因為目前絕大多數的火箭發動機都是透過燃燒推進劑來產生膨脹氣體,這個燃燒過程是氧化反應。

    只有少數火箭利用簡單加熱氣體的辦法來推進。

    氣球與火箭的推進

    不知道你有沒有玩過“氣球飛行”的遊戲?我不是指那種大的熱氣球。當你鼓起腮幫子往一個小氣球裡吹滿氣之後,捏住它的小嘴兒,再鬆手,氣球會嘶嘶地叫著在屋子裡亂竄,很好玩。

    想過這是為什麼嗎?當你向氣球裡吹氣之後,由於橡膠的彈性,氣體被壓縮在氣球內部的空間裡,這時候氣球所有內表面的壓力都是相同的。而當你鬆開手指,氣嘴那塊就有了個缺口,缺口處的壓力最低,空氣會從其它壓力高的地方向壓力低的地方流動,也就是從氣嘴噴射出來形成射流。

    其實火箭產生推力的原理與我們玩的氣球是一樣的。

    火箭發動機的燃燒室內部產生強大壓力,這個壓力作用於發動機的四壁,但只有下方一個小出口,於是炙熱的氣流從噴口高速噴出。

    牛頓第三定律

    二百多年前,艾薩克·牛頓說“當一個物體在第二物體上施加力時,第二物體同時在第一物體上施加大小相等且方向相反的力”,這便是牛頓第三定律。這個定律指出了作用力與反作用力的關係。

    氣球排出的是氣體,火箭發動機噴出的也是氣體,氣體是物質,物質是有質量的。當這些有質量的氣體被噴出時,火箭發動機會給它一個強大的力,相應地,氣體也會給火箭發動機一樣大小相等方向相反的力,只要這個力足夠大,就可以推動火箭前進。

    要想火箭上升,首先需要克服火箭自身的重力,所以火箭發動機的推力F需要足夠大,它至少應該大於火箭的重力G,當F>G時,火箭會獲得一個向上的加速度,F越大,火箭就越快。

    當火箭足夠快時,另一個力量會變得越來越大,這就是空氣阻力。空氣阻力與火箭的速度密切相關,所以科學家一方面要修改火箭的外形,儘量減小空氣阻力的影響,同時也需要加大發動機的功率,以使火箭能在更短時間裡噴出更多的氣流。

    好訊息不是沒有,那就是火箭越往上升,它裡邊所攜帶的燃料就消耗的越多,火箭自身會越來越輕。

    小結:噴氣推動火箭上升,靠的是牛頓第三定律和火箭發動機的機械能。

    那麼問題來了:

    火箭發動機的機械能是從哪裡來的?

    現在的火箭往往是越做越大,因為需要把越來越重的衛星送上天需要更大的火箭。但你要是把一枚火箭拆開來看,會驚訝地發現,它裡邊幾乎是空的!佔據了火箭幾乎80%空間的就是幾個碩大的空桶,這幾個空桶會是用來裝燃料的,而真正的有效載荷部分只有很小一點。也就是說,如果想把一顆幾噸重的衛星發射上天,我們需要射一枚幾千噸的火箭,而這枚幾千噸的火箭裡邊絕大部分的重量就是燃料。

    為什麼會這樣?因為現在的大推力火箭清一色是化學火箭,它依靠化學能來形成推力。

    火箭巨大的燃料箱裡通常儲存著兩種物質:一種是燃料,比如液態氫或特殊的煤油等等;另一種是氧化劑,典型的是液態氧。也有的火箭只有一個大燃料箱,儲存著偏二甲肼等不需要氧化劑只需要催化劑就能燃燒的化學物質。

    當燃料被泵入到火箭發動機的燃燒室並點火後,這些化學物質會在燃燒室裡發生強烈的氧化反應,氧化反應產生出的高溫氣體劇烈膨脹,然後從噴嘴中噴射出來。

    固體混合物帶氧化劑的燃料(固體燃料)或帶液體氧化劑的固體燃料(混合推進系統)同樣也是以化合物的形式儲存化學能,然後透過燃燒的方法形成化學反應,從而將燃燒後的高溫廢氣透過噴嘴噴射出來形成推力。

    現在你應該明白了:火箭強大的推力是由化學反應也就是火箭燃料的氧化反應得到的。

    最後做一個簡單總結:

    火箭的依靠噴射氣體獲得上升的力,當這個力克服了火箭自身的重力和空氣阻力後,火箭就獲得了向上的加速度,從而推動火箭前進。這個過程是機械能。

    與此同時,火箭的機械能是透過燃燒化學燃料得到的,這個燃燒的過程是化學反應中的氧化反應,因此這些火箭又被稱為化學火箭。火箭是透過將化學能轉化為機械能推上太空的。

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