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  • 火箭是如何进入太空的? 

    来源: 中国科学技术馆
    更新时间:

    火箭几乎是所有太空探索的基础,你知道火箭是如何挣脱地球引力进入太空的吗?

    火箭升空的科学原理

    它的秘密藏在物理学的基本定律——牛顿第三定律之中,作用力和反作用力的大小相等,方向相反。这就是火箭动力飞行的核心过程:当燃料在燃烧室内部燃烧并向后高速喷射气体时,巨大的反作用力就如同无形的巨手,将火箭推向太空。

    火箭之所以能挣脱地球引力主要取决于两个关键元素——燃料燃烧产生的喷气速度,以及火箭开始飞行时的质量与燃料耗尽后质量的比值(质量比)。发动机喷气速度越高,火箭飞行的速度越高;火箭的质量比越大,火箭飞行能达到的速度越高。而质量比大,就意味着火箭结构的质量小,携带的推进剂多。

    想要使航天器在太空中持续绕地球运行,必须使其获得不低于7.9公里/秒的第一宇宙速度。然而现实中,即便采用性能最优异的液氢液氧推进剂,火箭发动机的燃气喷射速度也仅为4.2公里/秒。因此,单级火箭受限于质量比和排气速度,根本无法累积足够的速度增量。实际发射环境更加严苛,火箭在穿越大气层时还要克服空气阻力的影响,因此喷气速度实际上需要达到9.5千米/秒以上的速度。

    为突破这一物理瓶颈,现代航天采用多级火箭的模块化设计。其核心原理类似于登山者分段卸除装备:当某级火箭燃料耗尽,其壳体立即分离脱落,后续发动机随即点火。这种阶梯式推进策略通过不断减少无效质量,使剩余燃料的能量更高效地转化为速度增量。每级分离都相当于重启一个更轻便的运载系统,最终通过多级接力完成宇宙速度的累积。

    火箭在发射升空时是否也存在明确的阶段过程呢?运载火箭的飞行轨道包含三个阶段:垂直起飞段、程序转弯段和入轨段。这是因为运载火箭从发射台点火起飞后,需要冲破稠密的大气层,跨过声速,经过最大动压区,才能飞出大气层外,进而才能将航天器送入预定轨道。

    火箭发射的三部曲——垂直起飞段


    朱雀二号遥三运载火箭成功升空(图片源于新华社)

    我们可以发现,运载火箭采用了垂直起飞的发射方式,这是因为垂直起飞能让运载火箭以最短的路径穿透大气层,减少速度损失。这时候发动机产生的推力只要比火箭自身重量大一点点就能起飞,就像我们骑自行车起步时,刚开始蹬的那一下最费劲。

    火箭发射的三部曲——程序转弯段

    但不论你是在看现场观看火箭发射过程,亦或是在视频中观看发射实况,都会发现一个现象:火箭飞行一段时间后就会逐渐倾斜,最终会在天空中呈现一条抛物线状的飞行轨迹。


    长征二号F遥十四运载火箭的飞行轨迹(图片源于新华社)

     火箭飞行过程中的角度变化是经过精密计算的关键操作。那么,为何火箭需要倾斜飞行呢?这主要涉及两个重要因素:地球自转和重力作用。


    火箭系统中的各种力示意图(图片源于《太空探索通史》)

    首先考虑地球自转的影响。我们的地球时刻都在自转,这意味着火箭发射后需要获得向东的速度分量。如果单纯垂直发射,火箭会因地球自转而偏离预定轨道。就像在旋转的转盘上垂直抛出一个球,球会偏离落点一样。因此,火箭需要通过倾斜飞行来获得这个必要的水平速度分量。而且,通过借助地球自转的惯性,火箭还能获得一个额外的速度,这在很大程度上能够节约燃料。节省下来的燃料可以用于水平加速,进而让火箭更容易进入轨道。

    其次,重力因素也至关重要。地球引力始终垂直向下作用于火箭,单纯依靠垂直向上的推力来对抗重力效率很低,就像徒手托举重物一样费力。但地球是圆的,如果火箭的水平速度足够,离心力就足以克服重力影响。但是,这个速度需要累计,火箭依旧需要先垂直发射再逐渐倾斜,当火箭获得水平速度后就能让离心力分担一部分水平维持力。因此,火箭发射第二阶段的倾斜飞行可以改变火箭的爬升方向和加速,最终给航天器提供合适的高度、速度和飞行方向,使其能够正常进入预定轨道。这种“四两拨千斤”的方式能大大提升推进效率。

    随着飞行高度的增加,火箭会逐步调整姿态。当突破稠密大气层后,通常情况下,一级火箭已经完成任务分离,二级火箭接续工作。待火箭飞离大气层后,火箭会抛掉整流罩减轻重量,继续以最优能量轨迹调整飞行角度,为最终入轨做好准备。

    火箭发射的三部曲——入轨段

    到了最后的入轨段,当火箭达到预定的速度和高度时,就要关机并分离第三级火箭发动机,至此,加速飞行段宣告结束。此后,运载火箭依靠之前已经获取的能量,在地球引力的作用下,开启惯性飞行段,一直飞行到与预定轨道相切的位置。当火箭接近轨道注入点的时候,第三级火箭发动机再次点火,火箭开始进行最后的加速段飞行,待达到入轨速度后,运载火箭与航天器分离,卫星也就被顺利送入运行轨道了,至此,火箭的运载使命便全部完成。

    从牛顿第三定律的反作用力原理,到多级火箭的接力推进设计;从垂直起飞突破大气层的阻力,到精妙的程序转弯调整轨道,最终通过精确的速度控制实现入轨——每一个环节都凝聚着几代航天人的智慧结晶。

    展望未来,随着可重复使用火箭、新型推进系统等技术的突破,人类进入太空的成本将不断降低。或许在不远的将来,太空旅行会成为普通人的选择,而火箭技术也将继续书写人类探索宇宙的新篇章。

    部分信息来源于:《太空探索通史》,科普中国,

    中国载人航天办公室等

    (科学性审核:刘勇,中国科学院国家空间科学中心研究员) 

    本文来自: 中国科学技术馆

    责任编辑:刘海华

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