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第6章 反作用力与火箭推进

1.反作用力

地面上所有的物体要运动,都需要克服某种阻力。就像汽车要克服摩擦向前奔跑、鱼儿克服水的阻力一样。火箭要想穿过大气层同样也需要克服空气阻力,然而更关键的一点就是要摆脱地球引力的束缚。只有它自身产生的能量大于阻力,才能按意识不断前进。

从理论上来主说,物体要向前运动大多都利用反作用力原理。那么什么叫反作用力呢?

所谓反作用力,其实是一种引力子流的反射现象,例如你用自来水冲墙壁,如果有一些反射到你脸上,你千万不要以为这是墙喷出来的水,这只是你冲墙壁用的自来水的一部分,只是被墙阻挡之后又反射回来的,属于一种反向运动。

一般情况下,获得反作用力有两种不同的方式:一种是通过周围的介质间接获得的。比如,鱼之所以能在水里自由自在地游动,就是利用了它那灵活的尾巴。鱼在摆动尾巴的时候,搅动了周围的水,水就对它产生了一个反作用力,从而推动鱼克服水的阻力向前游动。我们所说的这种情况,和我们划船的道理是一样的。我们在这里所说的水是一种介质,反作用力是靠“推开”介质得到的。另一种则有所不同,它并不是靠物体周围的介质而得到的,而是利用物体本身往外喷射物质来获得。比如,一种生长在海里的乌贼,它的躯体表面包有一层皱皮,构成一个能够储水的套膜腔室,一旦遇到危险时,它就挤压体内储蓄好的水,使这些水快速朝后喷射出去。喷出的水流使乌贼获得一个反作用力,推动它迅速逃离敌人。这种反作用力不是靠推开乌贼周围的水,而是靠乌贼从身体内喷射出来的水流产生的。而这种反作用力的喷射原理就是喷气式飞机在空中飞行的主要原因。

从空中的环境来看,任何一种飞行器一旦穿出地球的稠密大气层,就进入空气极为稀薄的外层空间或近于真空的环境。在这样的环境里显然不可能通过“推开”飞行器周围的介质来获得反作用力,因为飞行器的周围几乎没有空气,它只能靠本身往外喷射物质才能获得反作用力,但是一般喷气飞机所用的空气喷气发动机,虽然自带燃料,却要吸进周围的氧气才能燃烧,用这种方式产生高温的喷射气流,因此其活动范围仅仅局限在有氯气的大气低层内。若要飞出大气层,除了自身携带燃料,还需带有氧化剂。这种形式的发动机通常被称为火箭发动机。一般情况下,我们把装有这种火箭发动机的飞行工具简称为火箭。火箭不但不依赖外界空气而独立工作,而且其周围的空气越少越好。因为周围的空气越稀薄,阻力也就越小,它所产生的反作用力(火箭的推力)也就越大。这样一来,它就能在真空中发挥出更大的推动力。

2.火箭推进

到目前为止,大部分火箭都是用化学染料作为推进剂的。由于每个火箭的容积有限,因此携带的燃料数量也十分有限。然而,火箭燃料的消耗十分迅速,因此火箭的工作时间很短,大约只有短短的几分钟。在这种情况下,使得火箭空间飞行推动方式和一般的飞机有所不同。空间飞行器发射以后,在开始的那段时间内,受到运载火箭巨大的推力,速度从0迅速增加到每秒七千米以上,然后火箭发动机关闭。就在这短短的几分钟之内,飞行器从中获得了动能,继续飞行直到进入预定轨道。

火箭发动机在点火工作的那一段飞行,称为主动段;发动机关闭以后那一段飞行,称为被动段或自由飞行段;进入卫星轨道之后,它就会成为空间的一个人造天体。

当太空飞行的主动段结束之后,运载火箭的任务也就完成了。这时,就空间飞行器的本体而言,火箭的壳体已经成为废物,所以在飞行器进入轨道之前,飞行器自身要通过一套机构自动与运载火箭壳体分开。例如有些人造卫星就是从火箭头部的保护罩被弹射出来。分开之后的火箭残骸,可能跟在卫星后面一起运行,成为无用的卫星式碎片。

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