火箭升空的原理

金仲輝

湖南省資興市州門司鎮(zhèn)中學(xué)黃巧強(qiáng)同學(xué)問：“搭載‘嫦娥一號(hào)的‘長(zhǎng)征三號(hào)甲運(yùn)載火箭的工作原理是怎樣的？”侯要權(quán)同學(xué)問：“火箭升空靠氣體的反沖作用而獲得動(dòng)力，當(dāng)火箭進(jìn)入大氣層外的真空環(huán)境后是靠什么來提供動(dòng)力？”我們現(xiàn)在試著來回答兩位同學(xué)的問題.

火箭升空的工作原理都是相同的，每一級(jí)火箭的內(nèi)部都有兩個(gè)燃料箱，它們分別裝有氧化劑和燃燒劑，所以火箭工作時(shí)與其環(huán)境中是否有氧氣毫無(wú)關(guān)系.在火箭工作時(shí)，使其內(nèi)的氧化劑和燃燒劑充分混合，燃燒產(chǎn)生的氣體從火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴口中高速噴出，從而形成對(duì)火箭的推力，這個(gè)推力使火箭帶著航天器（人造衛(wèi)星、宇宙飛船、空間站等）進(jìn)入太空.由火箭噴出的高速氣體形成對(duì)火箭的推力，情況與一門大炮發(fā)射一顆炮彈后，大炮受到的反沖力是相似的.那么大炮的反沖力是如何形成的呢？我們可以這樣看，未發(fā)射前的炮彈是靜止的，發(fā)射后的炮彈獲得了一個(gè)很大的速度，那就是說，在很短的一段時(shí)間內(nèi)炮彈的速度有很大的變化，即炮彈獲得了一個(gè)很大的加速度（單位時(shí)間內(nèi)速度的改變量，高中將學(xué)到），炮彈所以獲得很大的加速度可看做是大炮給予炮彈一個(gè)很大的力，于是根據(jù)牛頓第三定律，炮彈給予大炮一個(gè)等值、方向相反的力，這就是形成大炮反沖力的原因.

我們知道，地球人造衛(wèi)星要達(dá)到一定的發(fā)射速度（第一宇宙速度7.9 km/s)才能進(jìn)入環(huán)繞地球的運(yùn)動(dòng)軌道.那么升空的火箭所能達(dá)到的速度與哪些因素有關(guān)呢？為了弄清楚這個(gè)問題，我們先介紹一個(gè)物理量，即動(dòng)量（高中物理將學(xué)到）.物體的動(dòng)量定義為它的質(zhì)量m與其速度v的乘積，即mv.由于速度是一個(gè)有方向的物理量，所以動(dòng)量也是一個(gè)有方向的物理量.物理學(xué)中有一個(gè)很重要的定理，那就是動(dòng)量守恒定理：一個(gè)系統(tǒng)（多個(gè)物體組成）如果不受外力（或受合外力為零），則系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變.需要說明的是，一個(gè)系統(tǒng)如果在某一方向上不受外力，則系統(tǒng)在此方向上的總動(dòng)量也保持不變.對(duì)于升空的火箭，若忽略重力和空氣阻力的影響，根據(jù)動(dòng)量守恒定理可以進(jìn)行計(jì)算，得出火箭飛行的最大速度取決于火箭噴出的氣體速度和燃料燃盡時(shí)的質(zhì)量與火箭升空時(shí)的質(zhì)量比，這個(gè)比越大，可得到的火箭最大飛行速度也越大.

我們可以做一個(gè)簡(jiǎn)單的演示實(shí)驗(yàn).在一根繃緊的長(zhǎng)細(xì)繩上套一根塑料吸管，用膠帶把一個(gè)吹得鼓起來的氣球粘在吸管上，同時(shí)用手指捏緊氣球的開口，在把氣球拉到細(xì)繩的一端時(shí).松開手指，氣球會(huì)沿著細(xì)繩像箭一般地射出，猶如噴氣式飛機(jī)一般！

責(zé)任編輯 蔡華杰