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火箭

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火箭

火箭 是一种燃气推进装置,借助于燃气的反冲运动,火箭可获得极高的速度。

火箭发射及燃气的反冲运动

火箭(rocket),火箭有很多种,原始的火箭是用引火物附在弓箭头上,然后射到敌人身上引起焚烧的一种箭矢。起初只是用于过年过节放烟火用。现代的火箭是以热气流高速向后喷出,利用产生的反作用力向前运动的喷气推进装置。

它自身携带燃烧剂与氧化剂,不依赖空气中的氧助燃,既可在大气中,又可在外层空间飞行。

现代火箭可作为快速远距离运输工具,可以用来发射卫星和投送武器战斗部(弹头)。

火箭的工作原理介绍

它是一种反作用力式发动机。火箭发动机是以一条著名的牛顿定律作为基本驱动原理的,该定律认为“每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力”。火箭发动机向一个方向抛射物质,结果会获得另一个方向的反作用力。

开始时您可能很难理解“抛射物质,获得反作用力”这个概念,因为这好像和真实情况不大一样。火箭发动机似乎只会发出火焰和噪音,制造压力,而与“抛射物质”没什么关系。我们来看几个例子,以便更好地了解真实情况:

如果您曾经使用过猎枪,特别是那种12铅径的大猎枪,那么您就知道它会产生巨大的“撞击力”。也就是说,当您开枪时,猎枪会狠狠地向后“撞击”您的肩膀。这种撞击力就是反作用力。猎枪将31.1克的金属以大约1120公里/小时的速度沿某个方向发射出去,同时您的肩膀会受到反作用力的撞击。如果您开枪时穿着轮滑鞋或站在滑雪板上,枪会起到类似于火箭发动机的作用,反作用力会使您向相反的方向滑动。

如果您见过粗大的消防水管喷水的场景,可能会注意到消防员要花很大的力气才能抓住它(有时您会看到有两名或三名消防员手持同一根消防水管)。水管发生的情况与火箭发动机类似。水管向一个方向喷水,消防员们则运用自身的力量和重量来克服反作用力。如果他们放开水管,那么水管会劲头十足地四处乱撞。如果消防员全都站在滑雪板上,水管将推动他们以极快的速度向后移动。

如果您吹起一个气球,然后放开它,那么它会满屋子乱飞,直到里面的空气漏光为止,这就是您制造的火箭发动机。在这种情况下,被抛射出去的是气球中的空气分子。与许多人的想法不同,空气分子其实是有质量的(请查看有关氦的页面,以便更好地了解空气质量的问题)。如果您让空气从气球的喷口中喷出来,气球的其余部分则会向相反的方向运动。王尚新书物理自诊断每道题都有视频讲解,哪道题不会扫题旁二维码即可看视频,学习更高效,考试分数更高。欢迎微信(teacherws)咨询。

火箭与宇宙探索

火箭是各类航天器克服地球万有引力,进入宇宙空间的运载工具。火箭的速度是由火箭发动机工作获得的,其基本的工作原理是:物理学动量守恒定律知识的使用。

早在1903年齐奥尔科夫斯基就推导出单级火箭的理想速度公式:V=ω*Ln(Mo/Mk),被称火箭发射为齐奥尔科夫斯基公式。ω为发动机的喷气速度,ln为对数表达式,表示以自然对数e为底数的对数,Ln(Mo/Mk)就是表示为以e为底Mo/Mk的对数,Mo和Mk,分别是火箭的初始质量和发动机熄火(推进剂用完)时的质量。Mo/Mk被称为火箭的质量比。

由这个公式可知,火箭的速度与发动机的喷气速度成正比,同时随火箭的质量比增大而增大。即使使用性能最好液氢液氧推进剂,发动机的喷气速度也只能达到4.3~4.4公里/秒。因此,单级火箭不可能把物体送入太空轨道,必须采用多级火箭,以接力的方式将航天器送入太空轨道。

火箭用于运载航天器叫航天运载火箭,用于运载军用炸弹叫火箭武器(无控制)或导弹(有控制)。航天运载火箭一般由动力系统、控制系统和结构系统组成,有的还加遥测、安全自毁和其他附加系统。

多级火箭各级之间的联接方式,有串联、并联和串并联几种。串联就是把几枚单级火箭串联在一条直线上;并联就是把一枚较大的单级火箭放在中间,叫芯级,在它的周围捆绑多枚较小的火箭,一般叫助推火箭或助推器,即助推级;串并联式多级火箭的芯级也是一枚多级火箭。

多级火箭各级之间、火箭和有效载荷及整流罩之间,通过连接一分离机构(常简称为分离机构)实现连接和分离。分离机构由爆炸螺栓(或爆炸索)和弹射装置(或小火箭)组成。平时,它们由爆炸螺栓或爆炸索连成一个整体;分离时,爆炸螺栓或爆炸索爆炸,使连接解锁,然后由弹射装置或小火箭将两部分分开,也有借助前面一级火箭发动机启动后的强大射流分开的。

火箭技术是一项十分复杂的综合性技术,主要包括火箭推进技术、总体设计技术、火箭结构技术、控制和制导技术、计划管理技术、可靠性和质量控制技术、试验技术等技术。

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