火箭科学简化

火箭是一种发动机，它燃烧储存的燃料到高速、高温的气体中，通过有限的出口从车辆中移出。 由于气体在高速下移，车厢车辆会以相同的高速向上移动。 另一方面，我们也可以将火箭描述为圆柱形飞行器，其尖尖喷嘴用于进入太空。 这些车辆包括使用火箭作为发动机的导弹或航天器。

火箭是一项重要的发明，在塑造我们今天生活的世界方面，它们扮演着各种角色。 火箭是科学家能够监视太空以保持地球安全的原因。 以下是火箭的各种用途：

军事用

途

火箭被用作各种弹头的运输机，以运向各种敌方目的地。 当火箭与弹头结合时，它们的名字会改变为通常称为导弹的导弹。 使用火箭运输弹头对军方是安全的，因为它们可以进行远程控制。 鉴于火箭运输弹头的破坏性，军事功能是一种有争议的用途。

空间研究

宇航员使用火箭将仪器运送到地球表面以外的地区，记录科学家计划研究的各种研究元素。火箭帮助将航天器送入轨道

火箭是明确为这一功能的首选，因为它们的高速前进轨道的高速，我们将稍后讨论。

火箭使用一个简单的科学原理，称为第三运动定律。 艾萨克·牛顿提出了运动定律，而这些定律的第三条也是最后一条则指出，每个动作都必须在相反的方向上做出平等的反应。 这个原则意味着，如果你向前推东西，你也会以相同的速度向后移动。

你问，这和火箭有关吗？ 让我们进入它。

火箭发动机燃烧一种特殊的燃料，我们将在一小会儿再谈。 当燃料燃烧时，它以非常高的速度从火箭的后部产生热气。 当气体在高速下降时出来时，火箭最有可能朝哪个方向发射？ 当然，你猜对了;它会以等于气体上升速度的速度向上移动。

导致火箭发动机向相反方向移动的力称为推力，火箭不断燃烧更多的燃料，以产生同样的效果，使火箭的前进推力一遍又一遍，直到它到达目的地。 重复的推力也帮助火箭克服来自空中的引力和阻力。

但是火箭怎么知道它要去哪里呢？ 它有飞行员吗？ 在火箭从地球释放之前，火箭科学家会计算火箭将走的预定路线。 课程是根据太阳和月亮的位置计算的。 其他行星也可能有一点点影响，但它是非常小的。 在我们先看看火箭是如何发射的之前，让我们了解一下火箭已经飞了多远。

今天，火箭使用的概念可以追溯到公元1世纪。 亚历山大的数学工程师赫伦创造了一个利用蒸汽喷射喷嘴使球旋转的装置。 在赫伦的这一节日之后，火箭史上的事情一直无声无息，直到公元13世纪，人们开始制造火药火箭，用于箭等武器。

也许火箭历史最重要的部分是康斯坦丁·齐奥科夫斯基出版的《用反应装置调查空间》。 本出版物详细介绍了火箭工作的动态。 1942年晚些时候，德国成功发射了火箭导弹，以超过每小时4000英里的速度降落在目标上，这又一个里程碑。

德国成功发射导弹使美国和美国开始了他们的太空计划，1957年，俄罗斯能够利用一枚火箭携带和发射人造卫星1号，这是世界上第一颗进入太空的卫星，1969年，美国发射了阿波罗11号火箭，这是首次在月球上飞行。

我们已经了解了什么是火箭，火箭如何工作背后的科学，并且经历了火箭的简史。 你现在一定很想知道火箭发射，对吧？ 但是，在我们进入火箭如何发射之前，让我们先学习推动火箭的能量，好吗？

为了讨论火箭燃料，我们将讨论我们今天的火箭类型，因为火箭是根据火箭使用的燃料类型进行分类的。 今天，有四种类型的火箭：

• 固体燃料火箭
• 液体燃料火箭
• 离子火箭
• 等离子火箭

以下是对每枚火箭的分析，以帮助您了解火箭使用的能量。固体燃料火箭

固体火箭燃料使用固体推进剂，是最早发现的燃料之一。 它们最初主要用于制造小型武器，尽管后来的研究后，科学家发现，它们可以用它们来为大型火箭提供动力，而且时间会延长。

固体燃料火箭是单推进剂，这意味着它们不需要外部氧化剂来燃烧燃料。 燃烧的基本科学指出，要燃烧任何东西，必须有一个氧化剂。 例如，喷气机有进气口，为发动机提供氧气来点燃燃料和推动喷气机。 然而，单推进火箭不需要进气来燃烧燃料。

相反，固体燃料是许多化学品组合成一种混合物。 在这些化学物质中，有燃烧燃料以产生热气体的氧化剂，这些气体会推动火箭。 一些用于制造固体火箭燃料的化学品包括二甲酰胺铵、硝酸钾和高氯酸铵。 固体燃料要工作，必须放入火箭的燃烧室，在那里点燃。

固体燃料的主要缺点是，一旦燃料开始燃烧，它就不能脱落，这意味着燃料将持续燃烧，无法控制，直到它结束。 这种缺乏控制导致需要使用大量的固体燃料，这既昂贵，又会消耗火箭提供的大量有限空间。 固体燃料的另一个缺点是在火箭到达其预期目的地之前有耗尽的危险。 此外，硝化甘油，用于制造固体燃料的化合物之一，迅速蒸发。

另一方面，固体推进剂比液体推进剂相对容易储存和处理。 它们也更便宜，每当需要大推力时，它们都首选。 一些使用固体燃料的著名火箭包括俄罗斯质子系列（质子8K82K和质子-M）、欧洲阿丽亚娜5号、航天飞机、美国阿特拉斯五号和日本的H-I。

液体燃料火箭

液体燃料火箭使用液体推进剂。 液体推进剂，如词中所用，是液体。 液体燃料被广泛使用，可以是单丙剂（还记得固体燃料的单丙剂吗？ 一些用于制造液体推进剂的化学物质包括与氢化物、液氧和液氢结合的二氮激素三氧化二氮。 这些化学品重量轻，携带方便，因此减轻了火箭的重量。

火箭工程师信任液体燃料，因为它们具有高密度和高特异性脉冲。 工程师们喜欢高密度和高特异性脉冲，因为它们使得他们很容易使用更轻的离心涡轮泵将燃料从火箭的燃料箱转移到燃烧室。 涡轮泵会增加燃油进入燃烧室的压力。

除了高密度和特定脉冲，液体推进剂是有用的，因为它们易于控制。 与固体推进剂不同，液体推进剂在开始燃烧时无法控制，只有在需要燃烧时才燃烧。 这种控制能力使宇航员能够轻松控制火箭速度，并打开和关闭火箭来控制燃料的使用。

液体推进剂的一个主要去向是，工程师必须设计一个单独的管道系统从液体的存储室到达燃烧室。 完善这种设计是特别困难的，因为创建火箭的目标是使它尽可能轻。
一些使用液体推进剂的火箭包括德国V-2、太空X猎鹰9和阿特拉斯洲际弹道导弹

离子火箭
离子火箭自1998年投入使用，它们使用来自太阳能电池的电子能源。 太阳能电池将阳光转化为电能，比使用化学燃料的传统火箭快十倍。 然而，离子火箭产生的推力较弱，无法将火箭从地面抬离。 因此，火箭工程师必须找到另一种方法，将火箭从地面升起。

等离子火箭
等离子火箭在科学对话中被称为可变特定脉冲磁质火箭（VASIMR）。 这些火箭通过从磁场中的氢原子中剥离负电子并把它们从发动机中排出来加速等离子体。 这些火箭被吹捧为比其他类型的火箭更快到达火星。 其可持续性仍在测试中，有关它们的信息将很快获得。

科学家在发射火箭之前会考虑很多事情。 他们考虑的一些因素包括：

• 火箭的有效载荷
• 货物的目的地
• 天气
• 靠近赤道
• 发射场靠近社会设施和住宅
• 一天中的时间

上面的列表只是一个亮点，旨在引导你思考科学家在发射火箭前考虑的一些因素。成功火箭发射的多阶段：

在我们讨论各个阶段之前，让我们回答这个常见问题：什么是过渡？

火箭分期是工程师安排火箭不同部件的过程。 火箭发动机的排列决定了它们如何在不同阶段从船上下来。

有效分期还可确保当火箭脱落不再有用的部件时，它变得更轻，随后的发动机为火箭提供所需的推力，使其通过大气层，以正确的速度飞行，以满足轨道的速度要求。 根据火箭的功能，科学家将尽可能多的可拆卸部件作为他们期望在到达最终目的地之前所经过的阶段数。 然而，火箭的级数越高，它越复杂，失败的可能性也越小。

当科学家制造火箭时，火箭的燃料携带大约90-94%的火箭总重量，另外6-10%在火箭的建筑材料和有效载荷之间共享（我们将在几段中讨论什么有效载荷）。 这意味着用于制造火箭的材料必须非常轻，宇航员必须确保他们使用火箭运输的负载同样轻。

有四种不同的分期方式，如下所述：

串行暂存

当科学家将阶段堆叠在一起时，将串行暂存发生。 在此类暂存中，将首先燃烧的阶段作为最底部放置，而最后阶段最接近顶部。 土星五号卫星火箭是使用连续分期火箭的好例子。

并行暂存

在平行分期中，科学家将单个或多个助推器级连接到主维持器。 所有发动机在旅程开始时开始燃烧，当被困的发动机完全消耗燃料时，主发动机继续燃烧，将货物送入轨道。 可拆卸级用作助推器，一旦耗尽燃油，即可脱落。 并行暂存可以与同一车辆上的串行暂存相结合。
一些使用平行过渡方法的火箭包括像泰坦三世和德尔塔二号这样的发射装置

舞台和半

一个阶段和一个半涉及使用主维持器发动机和另一个作为助推器。 正如所有助推器级的预期，附加的阶段和半系统在全部燃料消耗后脱落。 使用一个半阶段的火箭的例子包括阿特拉斯和阿特拉斯·阿尼亚。

单次

这种分期方法仍在研究之中，其主要梦想是拥有不需要多个阶段功能的火箭。 正如我们上面说过的，车辆的阶段越复杂，失败的可能性也越大。 因此，当科学家想出一个实现单一分期方法的方法时，他们将避免相当大的风险，在发射火箭时有较少的阶段来处理。
现在，我们了解不同的分期方法，让我们深入研究火箭发射的多个阶段。

火箭发射的阶段

火箭发射处于不同的阶段，每个阶段都有其独特的作用。 将燃烧以成功发射火箭的各种发动机相互堆叠，并在有用性结束时分离。 因此，这种分离意味着，当火箭脱落用过的发动机时，它变得更轻，因此消耗更少的燃料。 也值得理解的是，每个引擎都是独立于其他引擎的。 这种独立性为火箭工程师提供了为它服务的目的定制每个发动机的机会。 优化意味着使发动机更适应每个阶段的大气压力或引力。

以下是火箭成功发射经过的一些步骤：

1）主要阶段

主要阶段是火箭发射的第一个也是最重要的阶段，也被称为"0"阶段。 在此阶段，发动机燃烧燃油以提供第一个推力。 推力必须足够强大，以推动火箭进入高速，使它向天空移动。 推力也必须强劲，因为它必须足以携带火箭的重量级，其中包括第一个发动机。 当第一个发动机耗尽燃料时，它脱离火箭，触发附着在第二个发动机上的一个小炸药，从而进一步接管和推动航天器。 第一个引擎烧毁，并回地。 第一个发动机与火箭其余部分的分离称为主发动机切断 （MECO）。

虽然听起来很简单，但第一阶段必须克服许多障碍，才能成功烧掉。

随着火箭速度的提高，阻力增加：

火箭的阻力是火箭在飞向天空时必须克服的阻力。 若要理解简单语言的拖动，假设您在轨道上运行。 如果你在平静的一天奔跑，当风移动缓慢时，你会用更少的精力去跑步。 另一方面，如果你与强风跑，跑步就变得有点困难了。 此外，你跑得越快，你得到的阻力就更多。 如果你在低速运行，你可以从空中摩擦，想象一车辆的行驶速度高达16200公里/小时。 火箭一定面临很大的阻力，不是吗？

第一阶段的发布最粗糙：

与高大气相比，低层大气中的引力（通常称为G力）更高。 还有高频振动要考虑和火箭携带的巨大重量。

主要阶段决定火箭发射的成败：

火箭要穿透大气造成的阻力并成功达到MAXQ，初始推力必须足够强大，才能将火箭全部通过。 如果在主阶段发生一个小的误算，则整个项目必将失败。

2）上部阶段

火箭已经在天空中高速移动，并且已经以烧毁的第一个发动机的形式减轻了一些重量。 因此，这意味着与第一阶段引擎相比，此阶段的发动机具有相对容易执行的任务。
这个阶段的唯一目的是使火箭进入轨道速度。 这是与其他空间物体（如行星和其他物体）的运动保持一致所需的速度。 火箭必须以成功对抗引力的高速移动。

如果不能达到克服引力所需的高速，将意味着火箭被重力拉回地面。 这里需要注意的是，火箭离地球表面越近，引力效应越高，克服它所需的速度也越高。

在二级发动机烧掉之前，必须发生以下情况：

• 车辆必须实现失重
• 实现更高的特定脉冲额定值
• 移动更快
• 车辆的运动变得稳定

在称为第二发动机切断 （SECO） 的过程中，辅助阶段的已使用发动机也会从火箭上分离。 然而，发动机的遗骸不能返回地球（除非火箭被建模为重复使用，我们将稍后讨论），但留在太空，围绕其他物体绕道到无穷大。 这些已用的火箭分遣队构成了所谓的空间碎片或太空垃圾的一部分。

火箭主要被送入太空，以运载有效载荷。 有效载荷是使用火箭运输的任何货物，可能包括研究仪器、卫星、武器和人员以及其他有效载荷。 但是火箭运送货物后会怎么样呢？

传统上，用光的火箭要么落到地球表面，要么进入轨道，开始随行星一起振荡。 其他时候，火箭在遇到高温时会解体和蒸发。 然而，随着最新进展，火箭不必在一次使用后被摧毁。 最近的火箭，如最新的SpaceX的猎鹰，可以部分地重新用于运输未来的有效载荷。