火箭升空的原理

湖南省資興市州門司鎮(zhèn)中學(xué)黃巧強同學(xué)問：“搭載‘嫦娥’一號的‘長征三號甲’運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，每一級火箭的內(nèi)部都有兩個燃料箱，它們分別裝有氧化劑和燃燒劑，所以火箭工作時與其環(huán)境中是否有氧氣毫無關(guān)系.在火箭工作時，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)動機的噴口中高速噴出，從而形成對火箭的推力，這個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很大的速度，那就是說，在很短的一段時間內(nèi)炮彈的速度有很大的變化，即炮彈獲得了一個很大的加速度（單位時間內(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很大的力，于是根據(jù)牛頓第三定律，炮彈給予大炮一個等值、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)繞地球的運動軌道.那么升空的火箭所能達(dá)到的速度與哪些因素有關(guān)呢？為了弄清楚這個問題，我們先介紹一個物理量，即動量（高中物理將學(xué)到）.物體的動量定義為它的質(zhì)量m與其速度v的乘積，即mv.由于速度是一個有方向的物理量，所以動量也是一個有方向的物理量.物理學(xué)中有一個很重要的定理，那就是動量守恒定理：一個系統(tǒng)（多個物體組成）如果不受外力（或受合外力為零），則系統(tǒng)的總動量保持不變.需要說明的是，一個系統(tǒng)如果在某一方向上不受外力，則系統(tǒng)在此方向上的總動量也保持不變.對于升空的火箭，若忽略重力和空氣阻力的影響，根據(jù)動量守恒定理可以進(jìn)行計算，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的質(zhì)量與火箭升空時的質(zhì)量比，這個比越大，可得到的火箭最大飛行速度也越大.

我們可以做一個簡單的演示實驗.在一根繃緊的長細(xì)繩上套一根塑料吸管，用膠帶把一個吹得鼓起來的氣球粘在吸管上，同時用手指捏緊氣球的開口，在把氣球拉到細(xì)繩的一端時.松開手指，氣球會沿著細(xì)繩像箭一般地射出，猶如噴氣式飛機一般！

責(zé)任編輯 蔡華杰