火箭發射為何分幾級而且起飛很慢 最終能夠達到多快的速度呢?

火箭發射為何分幾級而且起飛很慢 最終能夠達到多快的速度呢?

目前人類發射火箭是能夠達到第二宇宙速度的,只有這樣才能飛出地球引力,否則怎麼能夠前往其他行星探索呢。

人類已經發射了很多飛行器前往地球希爾球之外的星球進行探索,比如太陽、水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星等,最遠的探索航天器已經到達柯伊伯帶探測小行星,而飛行最遠的探測器已經到達距離我們216億多公里的深空,向太陽系外飛去。

火箭發射為何分幾級而且起飛很慢 最終能夠達到多快的速度呢?

火箭只是一個運載工具,發射運載火箭就是把某個物體送到預定目標。

現在發射的航天火箭主要是運送衛星、探測器或者宇宙飛船。一般來說,發射高度為500公里的地球軌道,火箭入軌速度要達到第一宇宙速度,也就是7.6公里/秒;發射地球同步軌道衛星,則要達到每秒10.25公里;發射探月航天器或者宇宙飛船,則要達到每秒10.8公里的速度;發射到地球引力以外行星航天器,則要達到每秒12~20公里的速度,超過第二宇宙速度。

在地球大氣條件下,火箭開始是不能飛得很快的,也飛不了很快。這是由於空氣阻力和化學推進劑的比衝量問題。目前得化學推進劑噴射速度只能達到4.2~4.5公里,因此要一次性加速使火箭達到第一宇宙速度是不可能的,這樣就發明了多級火箭。

火箭發射為何分幾級而且起飛很慢 最終能夠達到多快的速度呢?

世界航天鼻祖之一,俄羅斯科學家齊奧爾科夫斯基有一句名言:“地球是人類的搖籃,但人類不可能永遠被束縛在搖籃裡。"

他最先論證了利用火箭金星星際交通、製造地球衛星和近地軌道站的可能性,指出了製造航天器和火箭的合理途徑,找到了火箭液體發動機結構等重要工程技術解決方案。1903年他在論文《用火箭推進器探宇宙》重提出了著名的火箭理想速度公式。

表述為:VK=Pb g0 Ln[(GT+GJ)/GJ]

式中: VK為火箭的末速度,Pb為比推力(比衝),g0為地面的重力加速度,GT為火箭起飛時的推進劑質量;GJ為火箭的結構質量,其中包括有效載荷。

火箭發射為何分幾級而且起飛很慢 最終能夠達到多快的速度呢?

這只是一個理想公式,其中忽略了諸多其他影響因素。但這個公式說明了速度與比推力、質量比之間的關係,成為火箭製造的基礎理論。但中國還沉浸在四書五經的封建王朝美夢時,俄國就出瞭如此偉大人物,因此後來的蘇聯在航天領域領先世界絕非偶然。

根據這個公式,有三種方法可以提高火箭的末速度:一是高能的推進劑;二是儘量減輕火箭重量,用高強度薄材料;三是增加推進劑質量。這幾個方法前兩個都受到科技水平的限制,短期內無法達到;後一個增加推進劑質量的同時,貯箱和結構性質量同步增加,火箭就沒辦法起飛了。

即使能夠勉強起飛,隨著火箭推進劑的消耗,貯箱越來越空,但巨大的貯箱本身質量仍在,火箭拖著一個大包袱一直飛,最終燃料消耗殆盡,也無法達到目標速度。

火箭發射為何分幾級而且起飛很慢 最終能夠達到多快的速度呢?

於是,多級火箭的思想誕生了。二戰結束後,美國繼承了德國科研成果,研製出了第一枚多級火箭,從此多級火箭漸漸成為了航天的標配。

多級火箭的好處就是第一級使用的燃料最多,因此箭體最大,可以把火箭推送到一個初級速度,然後將燒完的空貯罐丟棄,讓火箭輕裝上陣;二級火箭接著點火,用完後如法炮製,餘此類推,最終把有效載荷推送到需要的速度。

現在的多級火箭根據需要達到的速度,分為2~4級,實際上一般航天用的火箭絕大多數為3級。

從人類目前掌握的燃料、發動機等技術水平來看,火箭發射有效載荷還是很小。

火箭發射為何分幾級而且起飛很慢 最終能夠達到多快的速度呢?

我國發射第一顆人造衛星東方紅一號得運載火箭叫長征一號,起飛重量達到81.57噸,最終送上天的東方紅一號衛星重量才173公斤。這個質量比是多少?燃料及其附加設施所佔比重達到99.57%,有效載荷只有0.43%!

隨著火箭技術水平的提升和改進,質量比逐步得到提升。現在的長征五號起飛重量為643噸,近地軌道運載能力可以達到25噸,有效載荷率已經達到了3.7%。而老美在上世紀六十年代發射的土星五號,6次把阿波羅飛船送上月球,起飛重量為2950噸,送達月球軌道有效載荷為47噸,近地軌道運載能力為139噸,有效載荷達到1.6%和4.5%。

火箭發射為何分幾級而且起飛很慢 最終能夠達到多快的速度呢?

火箭把航天器送入軌道後,航天器就自主飛行,這時已經只有很少的燃料,主要用於糾正姿態和變軌。

宇宙飛船也帶不了多少燃料,主要依靠火箭的推力達到速度,留下的一些燃料用於返回時提速或變軌。

登月飛船搭載得2位宇航員登陸月球完成任務後,返回時丟棄了著陸器下半部分,只是利用著陸器位發射架,發射升空上半部分得返回艙,加上月球重力小,用的燃料就不是很多。把2位宇航員送到月球軌道,與一直在月球軌道繞月飛行的阿波羅飛船對接,然後丟掉返回艙,利用一點燃料變軌加速飛回地球。

現在人類發射的航天器初速度都還不是很快,飛往遙遠距離的飛行器,一般會採用引力彈功效應,利用路途的天體巨大引力效應來為航天器加速。

現在飛往太陽系外的旅行者1號、2號,都經過了途中的木星、土星等天體加速;有些還利用地球引力和太陽引力加速,發射的航天器先圍繞著地球或太陽轉幾圈,代獲得加速後在給一點力飛出軌道,飛向遠方。

火箭發射為何分幾級而且起飛很慢 最終能夠達到多快的速度呢?

人類目前最快的飛行器當數去年NASA發射的“帕克號太陽探測器”,這是人類第首顆真正的恆星探測器。

“帕克號”會多次飛經太陽和金星軌道,獲得加速度,最終將在2024年12月從距離太陽表面只有616萬公里的日冕層掠過,承受1400度的高溫炙烤,速度達到每秒200公里!

但憑著人類目前科學技術,還不能載人飛得很遠。因為要飛遠就必須帶足燃料,這樣飛船就要求做的很大,而且主要是燃料艙。因此人類要飛往升空,還要解決很多問題,比如設法研製出高效率能源,如可控核聚變、反物質等,提升發動機的比衝量,使飛船消耗很少的燃料就能飛得更快更遠;還要研究實現飛船生態循環功能,使人類能夠在太空長期生存;還要提升飛船安全防護能力等等。

所以,人類飛往深空還是一個遙遠的夢想。

時空通訊專注於老百姓通俗的科學話題,歡迎大家共同探討。


分享到:


相關文章: