[科普中國(guó)]-火箭：現(xiàn)代的科技先鋒

火箭開(kāi)啟了太空科學(xué)的新篇章，為人類更多地了解、探索宇宙做出了杰出貢獻(xiàn)。

火箭的發(fā)展有哪些歷程？

艾薩克·牛頓在17世紀(jì)就設(shè)想圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的物體，他想在某座山上架大炮，如果炮彈的威力快過(guò)地球，它就不會(huì)落下來(lái)，即使不能飛出地球，也會(huì)圍繞地球旋轉(zhuǎn)。大炮射出的炮彈速度必須達(dá)到7.9千米/秒，才能圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，這就是牛頓算出來(lái)的第一宇宙速度；如果達(dá)到11.2千米/秒，就能飛出地球，也就是第二宇宙速度。

俄國(guó)科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基奠定了航天理論基礎(chǔ)。最熱衷的就是計(jì)算和各種科學(xué)研究，尤其喜歡火箭推動(dòng)力和宇宙航行的理論研究。他在1903年出版了《利用噴氣工具研究宇宙空間》著作，這本劃時(shí)代航天史書(shū)提出了齊奧爾科夫斯基公式：火箭飛行速度同火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣速度、火箭質(zhì)量、燃料質(zhì)量關(guān)系的公式。

齊奧爾科夫斯基認(rèn)為：要想環(huán)繞地球軌道必須克服地球引力，達(dá)到必須具備的速度，需要使用液氧和液氫作為推進(jìn)劑的多級(jí)火箭?；鸺耐七M(jìn)劑經(jīng)過(guò)燃燒室燃燒之后，產(chǎn)生高溫高壓氣體，經(jīng)過(guò)噴管加速噴出，產(chǎn)生反作用力推動(dòng)火箭前進(jìn)。齊奧爾科夫斯基不但提出了密封艙和空間站的設(shè)想，還設(shè)計(jì)了多級(jí)火箭、火箭推進(jìn)器方案，以及在太空生存密封生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，為航天員提供食品和氧氣等設(shè)想。

美國(guó)最早的火箭科學(xué)家羅伯特·哈金斯·戈達(dá)德，在1909年才開(kāi)始致力于火箭動(dòng)力學(xué)的理論研究，他在3年后點(diǎn)燃了真空玻璃容器內(nèi)的，一枚固體燃料火箭，證明了火箭可以在真空中工作。戈達(dá)德在1926年3月成功發(fā)射了第一枚火箭。這枚火箭成了現(xiàn)代火箭的鼻祖，液體推進(jìn)劑可行性得到了證實(shí)。

第一枚液體火箭發(fā)明者戈達(dá)德

為什么要采用多級(jí)火箭？

沒(méi)有飛出大氣層停留在100千米高空的都是單級(jí)火箭。單級(jí)火箭效率不高，在工程技術(shù)上享有重大意義，它標(biāo)志著航天史上的里程碑，航天先驅(qū)者的飛天設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)。齊奧爾科夫斯基說(shuō)過(guò)，只有使用多級(jí)火箭才能實(shí)現(xiàn)進(jìn)入太空。影響火箭最終速度的除了自身的質(zhì)量之外，所攜帶的燃料比例，和地球厚厚的大氣層產(chǎn)生的阻力都有直接的關(guān)系。

要想超過(guò)第一宇宙速度進(jìn)入太空航行，只有提高發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣速度，火箭的外殼用又輕又薄的材料，提高燃料質(zhì)量，裝入更多的燃料才行。

解決的方法：將多級(jí)火箭串在一起，當(dāng)?shù)谝患?jí)火箭的燃料用完后將其扔掉，第二級(jí)火箭飛行速度就提高了。單級(jí)火箭速度受限制是始終要帶著巨大的殼體飛行，不管燃料剩多少。

運(yùn)載火箭并沒(méi)有采用更多的級(jí)別，當(dāng)級(jí)數(shù)多了，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜了，控制系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)也就越大了。所以一般采用二級(jí)或三級(jí)火箭。

多級(jí)火箭

為什么圓筒狀的火箭可以減少空氣阻力？

運(yùn)載火箭做成細(xì)細(xì)的圓筒狀是為了減小火箭在飛行中遇到的空氣阻力。人在迎風(fēng)奔跑的時(shí)候，能體會(huì)速度越快，空氣阻力越大。跑步的速度只有幾千米每小時(shí), 火箭入軌點(diǎn)時(shí)速度高達(dá)7.5千米/秒，人跑步的速度只有幾千米/小時(shí)。為了減小火箭在大氣層中飛行的阻力，頭設(shè)計(jì)成圓錐形，身體為流線型?；鸺募忸^叫整流罩，是減少阻力的關(guān)鍵部位， 整流罩的作用，可以使衛(wèi)星或飛船不受氣動(dòng)熱、氣動(dòng)力的損傷。

美國(guó)科學(xué)家西奧多·馮·卡門在火箭上采用了像蒙古包穹頂?shù)那板F段設(shè)計(jì)，減小了脈動(dòng)壓力、空氣阻力，增加了整流罩內(nèi)的容積，從而為火箭提供了更大的空間裝載燃料。這種有效的改進(jìn)也叫馮·卡門曲線。

圓筒狀火箭

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