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上回提到,齐教师比照了三种办法,终究确认火箭才是飞入太空的仅有手法,并推导出流芳千古的抱负火箭方程。依据方程,进步喷气速度和质量比就能大大的进步火箭的速度,进入太空。我了解的对吗?
行…行…
那便是对喽?
行不通!
……
在实践使用中,
进步这两方面的数值都有很大的难度。
地球上已知焚烧能量最大的液体燃料为液氢和液氧,
喷气速度可达4.2千米/秒。
这个速度看起来很快,
但同质量比一同考虑的话,
就远远不够了。
想象一个选用液氧和液氢作为燃料的火箭,考虑到空气阻力、地球引力等,火箭从地上起飞的速度应抵达9.5千米/秒以上。依据抱负火箭方程,可以取得火箭的质量比在10:1左右,即燃料约占火箭总质量的91%,火箭壳体只占9%。
火箭要接受发射进程中的
高温、高压和真空等恶劣环境,
因而对结构的要求极高,
这样“薄皮大馅”的火箭很难制作。
一个不可,咱们就“组团”上!
就像多节火车车厢那样,把火箭分为多级,每一级都装有发动机和燃料,榜首级火箭燃料竭尽,就把它丢掉,以减轻负担;接着点着第二级火箭,进步速度,几回加快今后,就可以抵达榜首宇宙速度了。这便是闻名的 “火箭列车”的概念。
问候《银河铁道999(松本零士)》
“火箭列车”有三种方法:
1 串联火箭
火箭各级串在一同。发射时,榜首级(最下面一级)先焚烧,作业结束后将榜首级抛掉,第二级再焚烧作业,顺次类推。
2 并联火箭(绑缚式火箭)
一枚比较大的火箭放在中心(芯级),周围绑缚了多枚小火箭(助推器)。助推器与芯级在地上一同焚烧,助推器作业必定时刻后先关机,关机后与芯级别离并被抛掉。助推器因在芯级飞翔的半路上关机,所以只能算是半级火箭。
3 串并联火箭
既有多级火箭串联在一同,一级火箭周围又绑缚了多枚助推器。
现在的火箭一般都是串联火箭或许串并联火箭。以我国长征系列火箭为例,已执役的长征火箭大宗族最重要的包含长征1号到长征7号多个系列,每个系列中又有必定的差异,别离依照甲、乙、丙、丁等进行排序。
例如,长征二号丙火箭是二级运载火箭,包含两段火箭;长征三号甲火箭是三级运载火箭,包含三段火箭;而长征三号乙火箭则是在长征三号甲火箭基础上增加了4个助推器,可以算是3.5级火箭。
那终究是要把火箭的终究一级送入太空吗?
不。
在火箭终究一级的顶部,装载的是“火箭列车”真实的“乘客”,一般是卫星、探测器,或许是载人飞船、空间站等。“火箭列车”终究意图是要把这些“乘客”以必定高度和速度送入太空,进入预订轨迹。任务完结后,终究一级火箭就黯然离去,坠入大气层,焚烧殆尽。
为了维护“乘客”,“乘客”的外面设备了整流罩。整流罩是两片相似贝壳的结构。火箭在起飞前,两块“贝壳”合上,在地上维护航天器,确保航天器的温度、湿度和洁净度等;火箭起飞穿过大气层时,因为速度很快,同大气发生冲突带来较大的力和热,合上的“贝壳”使航天器免受影响。火箭飞出大气层后,“贝壳”分隔、抛离。
那火箭越多级数就越好呗?
非也。因为多级火箭的每一级都会包含贮箱、发动机以及两级之间的衔接别离结构等,级数越多这些剩余的分量就会越大;一起,整个火箭就越杂乱,可靠性也就会下降,因而一般来说火箭都是2级到4级。
火箭不同级的效果也不同,以三级为例:
榜首级火箭的关键是推力,要让火箭能飞起来,因而要求推力最大,好像轿车的一档发动;
第二级、第三级火箭的关键是加快,因而要求燃料焚烧的功率尽可能高,赶快的进步速度,好像轿车挂上高档位。
为了可以飞上太空,火箭可以说是当之无愧的“大力士”。
一般火箭块头越大,推力就越大。
我国的长征五号要比长征宗族其他成员大了一号,
因而也被称为“胖五”,
可是在国外许多的“大胖子”面前,
他只能说“身段”修长了。
以波音747的推力为参阅,
对已执役的火箭的推力做一个比照。
在可预见的未来,
NASA的超重型运载火箭(SLS)的推力可达3800吨,
我国的长征九号火箭推力将抵达约5900吨。
但SpaceX方案要将100人
送到火星的星舰(Starship)愈加可怕,
推力将抵达惊人的7300吨。
以长征三号乙火箭将卫星送入规范的GTO(地球同步搬运轨迹)轨迹为例,看看“火箭列车”各级别离的进程,拢共分5步!
(请横屏观看下图)
图片来自:长征三号乙运载火箭用户手册英文版
榜首步:助推器别离
助推器发动机关机后,衔接设备解锁,装在助推器上的“侧推”小火箭焚烧,将助推器敏捷斜着推出去,避免同火箭芯级磕碰,助推器自在下落完结别离。
第二步: 一级/二级别离
在一级发动机关机后,二级发动机焚烧,两级间的衔接设备解锁,一级就被二级发动机喷出的气流推离,完成别离。
硬核常识
这便是所谓的“热别离”:靠前面一级火箭发动机喷出的高温气流把后边一级火箭推开。前面一级火箭的发动机在两级火箭别离前就现已焚烧。
第三步:整流罩抛罩
衔接设备解锁,设备在三级上的绷簧将两个整流罩半罩推开别离,两个整流罩半罩向下翻转,跟着火箭上升别离下落。
第四步:二级/三级别离
在二级发动机关机后,两级间的衔接设备解锁,二级上的反推小火箭焚烧发生一个反向的力,二级与三级别离。然后,三级发动机焚烧。
硬核常识
这便是所谓的“冷别离”:靠后边一级火箭上的反推小火箭的推力把后边一级推开。前面一级火箭的发动机要在两级火箭分隔后才焚烧。
第五步:卫星/三级别离
联接卫星和三级的设备解锁,卫星被绷簧推离火箭,完成星箭别离,“火箭列车”至此才把“乘客”送抵结尾。
这期快挨近结尾了,但还有一种上天的办法,齐教师没有讲,那便是飞机。
候选4:飞机可行吗?
飞机飞翔是根据空气动力学,同火箭上天的原理不同较大。飞机在快速运动进程中,因为机翼形状的原因,机翼上方的气压要低于机翼下方的气压,压力差发生的升力克服了重力,使飞机飞上了天空。简略来说,得有空气才飞得起来。
可是因为地球表面存在稠密大气,飞机飞翔的速度越大,所遭到的空气阻力也就越大,所以很难完成火箭般的高速飞翔。现在最快的飞机之一X-43A的速度约为3.1千米/秒,这个速度还不到榜首宇宙速度的一半。假如要经过削减空气阻力进步飞机速度,只需先进步飞机的高度,以下降大气密度,可是当大气越来越淡薄时,飞机的原理就不适用了。
比较了这么多,让咱们总结一下许多同学傻傻分不清的航天和航空的差异。
还
航空
使用空气动力学的原理发生升力
在大气层内飞翔
航天
使用牛顿第三定律原理,经过焚烧本身带着燃料向外喷发发生推力
根据万有引力定律原理在大气层外飞翔
当然,也有集成了航空的飞机和航天的卫星特色的“两栖”飞翔器——航天飞机和空天飞机。他们都需求凭借火箭送入太空,既能在地球卫星轨迹上飞翔,又能经过飞机的原理在大气层中飞翔,一起结束任务后还能像飞机相同飞回地上。
本期的终究,再回到齐教师。齐教师终身都在搞理论研究,没有发射过一枚火箭,可是后世一切的火箭都根据他的理论。在齐教师的尽力下,人类补全了飞向太空理论的终究一块拼图,下面就可以放开手脚大干一场了。是谁发射了人类的榜首枚液体火箭?面临新生事物,吃瓜大众作何点评?咱们下期再会。
考试不考的冷常识
飞机无法飞出大气层,因而也就无法发射卫星。但假如把飞机和火箭相结合呢?这个脑洞大开的主意,惊喜不惊喜?震慑不震慑?其实,它早已被完成。
美国在1990年成功完结了初次空中发射火箭。一架B-52战略轰炸机(后来的空中发射更换为洛克希德L-1011运输机)替代火箭的榜首级,搭载一枚飞马座固体小型火箭,成功将一颗水兵导航卫星发射入轨。长15米、重18吨的飞马座小型火箭挂在机翼上,卫星装在火箭顶端。当飞机抵达约12千米的高空,速度为980千米/小不时,将火箭开释。5秒钟后,小型火箭焚烧。大约升至740千米的高度,火箭和卫星别离,卫星进入轨迹。
(请横屏观看下图)
这种方法具有很明显的优势:
※起点低。无需专门的火箭发射台,在一般机场即可起飞;
※周期短。一般火箭的发射预备作业需求几个月,而空中发射只需6个技术人员两星期就能拼装结束;
※费用省。空中发射的费用是惯例火箭的1/3。
这种方法也有局限性——无法发射尺度、分量更大的卫星,而且无法将卫星送入高轨。
来历:月球游览攻略












