科普丨为什么火箭会有这么大的“力气”

  • 2017-11-07 10:34
  • 来源: 十万个为什么

  在发射“神舟号”飞船的电视直播中,大家肯定注意到,随着“点火”口令下达,发动机会发出震耳欲聋的声音,推举总质量为480吨的火箭和飞船组合体冉冉上升。为什么火箭会有这么大的“力气”?

  “长征二号F”火箭点火时,一级火箭和4个助推器的8台煤油液氧YF-100型发动机同时工作,每台发动机的推力是75吨,加在一起600吨。这么大的推力能把重达480吨的火箭抬起推向太空。

  火箭飞行速度取决于火箭发动机的喷气速度和火箭的质量比。发动机的喷气速度越大,火箭飞行的速度越快;火箭的质量比越大,火箭飞行能达到的速度就越大。其中,火箭发动机的喷气速度,由发动机的设计水平和推进剂的比冲决定。发动机的设计水平越高,所获得的能量效率越高,火箭发动机的喷气速度越大。推进剂的比冲越高,发动机的喷气速度就越大。火箭的质量比是火箭起飞时的质量(含推进剂)与发动机关机(熄火)时刻的火箭质量(推进剂燃烧尽)之比。质量比越大,火箭的结构质量就越小,所携带的推进剂越多。

  

  “土星 5 号”运载火箭的发动机

  

    随着推进剂质量的减少,助推器和各级火箭的脱落,火箭质量 越来越小,速度越来越快,最终,载荷被送入预定轨道

    当第一级火箭的发动机点燃后,火箭就开始脱离发射架上升。几秒后,火箭完全通过发射塔。在离开地面后的几秒内,火箭一直保持垂直飞行。之后,为了保证按合适的方位飞行,发动机喷管的万向节按预定程序旋转,产生横向推力,使火箭从垂直角度稍微倾斜,但基本还是垂直向上飞行的。火箭一开始的加速过程不十分明显,因为整个火箭的质量大得惊人。在第一级推进剂烧完时,重力使火箭缓慢地从微倾斜角度转入水平方向的飞行。这一过程被称为“重力转弯”,帮助火箭从以上升为主转向向前推进,以提高所需的速度。

    第一级火箭的推进剂烧完后,爆炸螺栓使其与火箭的其余部分分离。这时,第二级火箭开始点火,继续加速飞行。此时,火箭已飞行2~3分钟。因为火箭卸掉了第一级火箭的结构和推进剂,质量大大减轻,所以即使第二级火箭产生的推力不如第一级大,火箭加速也要比先前快很多。在高度达到150~200千米/时,火箭已飞出稠密大气层,有效载荷不再需要整流罩来防护空气动力的作用,按预定程序抛掉整流罩,进一步减轻火箭发动机加速的质量负担。

    有些火箭的第二级推进剂,常常在火箭快接近轨道速度时燃烧完毕,爆炸螺栓使第二级火箭与有效载荷分离。这时,有效载荷上的推力器将把它送入最终的轨道。同时,第二级火箭落入大气层。最终,靠空气摩擦使它燃烧,变成灰烬。这样的处理方式,可以避免使第二级火箭的空壳留在太空,成为太空垃圾。如果这些垃圾不巧进入某个卫星的轨道,那将是极大的威胁。

    对于低轨道(通常指300千米的高度或更低)的航天器而言,这时火箭就完成了运送任务。但对于发射轨道高度在1000千米以上的航天器或发射行星际探测器,还需要有第三级火箭。在第二级火箭脱离后,火箭在地球引力作用下,开始进入航天技术中称为惯性飞行段的过程,一直到与预定轨道相切的位置。稍后,第三级火箭发动,进入最后加速段飞行,当加速到预定速度时,第三级火箭发动机关机,有效载荷与火箭分离,进入最后的、较高的轨道,或者前往另一行星的轨道。

  美国正在研制的新一代运载火箭“战神”示意图

 

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责任编辑:徐梅

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