火箭：从原理到宇宙探索的推进技术

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火箭：从原理到宇宙探索的推进技术

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来源

http://gaozhongwuli.com/frist/zongjie/kaodian/480495.html

火箭是一种利用燃气反冲运动产生推力的推进装置，广泛应用于航天领域。从最初的烟火箭到现代的多级运载火箭，火箭技术的发展推动了人类对宇宙空间的探索。本文将详细介绍火箭的工作原理、类型以及在宇宙探索中的应用。

火箭的基本概念

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。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

火箭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。

实例说明

猎枪射击：使用12铅径的大猎枪时，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。
消防水管：粗大的消防水管喷水时，消防员要花很大的力气才能抓住它。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。
气球实验：吹起一个气球，然后放开它，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。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。

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。

多级火箭的设计

类型：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。
联接方式：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。
分离机构：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。