问电火箭原理

火箭推进原理火箭推进理论是航天理论的基础之一。火箭发动机是一种推进工具，它能提供强大动力，使航天器达到所需要的宇宙速度。它的工作是基于直接反作用运动的原理，这一原理特别有利于高速航行。那么什么是直接反作用运动呢？按照牛顿力学基本定律，两个相互作用的物体，其作用力与反作用力总是同时存在，它们的大小相等，方向相反。因此，任何一种移动，广义地说，都是反作用运动。举两个例子：一是轮船，由于船的叶轮作用在水上，水的反作用力使船前进；二是喷气式（飞机）发动机，由于发动机中的燃料燃烧，膨胀的燃气高速向后喷出，发动机便得到与燃气喷出方向相反的推力而向前运动。以最一般的观点去研究产生推力的现象时，上述两种运动没有任何区别，它们都是在反作用力的推动下运动的。但是，从反作用力产生的特征来看，二者是有区别的：在第一个例子中，发动机本身不能引起运动，它仅是个能源，若船上有发动机而没有叶轮，那么，发动机的功率再大，船也是不能运动的。因此，除了发动机（能源）外，有着一个介于发动机和外界某物体（如本例中的水）之间的中间机构，它与外界某物体相互作用，井承受由此产生的反作用力。这种中间机构，通常称为推进器（如本例中的叶轮）；在第二个例子中，没有中间机构，推力是由燃气对发动机本身的反作用产生的。我们把前一种类型的运动称为间接反作用运动，后一种类型的运动称为直接反作用运动。当然，也有直接与间接反作用运动并存的混合式，如：涡轮螺浆式发动机，发动机能量的一部分传给螺旋浆（推进器），另一部分，则产生燃气流的直接反作用运动。喷气推进属于直接反作用运动。那么什么是喷气推进呢？将物质以气体喷射的形式从被推进的物体中喷出，这种推进方式称为喷气推进。喷气推进所喷射的物质叫做推进剂；利用喷气推进产生推力的发动机，叫做喷气发动机。运动时，相互作用的物体，一个是发动机本身，另一个是从它内部喷出的高速气流。高速气流产生的反作用力作用于发动机本身，方向与气流方向相反，这就是推力。喷气发动机分为两大类：一是空气喷气发动机，它是利用大气来产生喷气射流的喷气发动机。例如：以大气中的氧气作为氧化剂，燃烧燃料产生燃气射流；或在核子热交换器中加热空气，然后由喷管排出；二是火箭发动机，它是自身携带全部喷射物质的喷气发动机。例如：带有氧化剂和燃烧剂以产生燃气射流。火箭发动机所达到的推力和速度远远超过了一般的推进方法。这种发动机不依赖周围介质条件，在空间环境也能工作，这一特点，保证了在不同飞行速度下，发动机产生的推力不受空气接受能力的影响，而是恒定的，这也使得火箭（发动机）所能达到的飞行速度比其它任何类型发动机要高得多；其次，由于是直接反作用运动，没有中间机构，在主要的喷射通道中不存在限制工作温度的运动机构，这就决定了火箭发动机的结构简单，而所产生的推力却很大。

电火箭 目前我们使用的火箭被称为化学火箭，都是依靠化学燃料作推进剂所产生的喷气来推动其前进的。 20世纪60年代初，科学家就开始研究电火箭和太阳能火箭。 电火箭的关键设备是有一台发电机和一套电子加速器。它利用发电机产生的电能，以电子形式释放出来，并在加速器中得到加速，最后从火箭尾部喷出，来产生推力。从理论上说，电火箭完全可以取得化学火箭的同样效果。但实际上，由于电子的质量很小，它所产生的推力十分微弱，远不能与化学燃料所产生的喷气相比。若要让它产生和化学火箭一样大的推力，就要配备一套十分庞大而笨重的发电设备和电子加速装置，这又将大大加重火箭的重量，显然行不通。 不过，科学家认为电火箭有它潜在的优势，它可以长时间地连续运行，不像化学火箭那样寿命很短。因为化学箭燃料消耗非常大，燃料耗尽，它的寿命也就终结。而电火箭几乎可以不用担心有用尽的时候，它还有能多次启动和控制的优点。 在目前的技术条件下，虽然电火箭还无法承担把卫星或载人飞船送上太空的任务，但它却适宜在太空无重力环境下工作，如调整卫星或其他航天器的运行姿态，让其把卫星推回原来的轨道。在太空中物体均处于失重状态，所以无须太大的力量就足以推动卫星，这对于电火箭来说是完全能够胜任的。1968年，美国首次将一组4个彼此相隔的90°的微型电火箭安装在一个同步卫星上。尽管这些电火箭只能产生几克至几十克的推力，但已足以保证同步卫星的正常运行。 电火箭还被用于卫星的变轨飞行，如让卫星从数百千米的高度飞到36000千米的同步轨道上。它也可用于推动飞船向更遥远的星星进发。但由于它的加速度很小，使飞行时间延长，因而不宜用于载人飞行。 人们还设想利用太阳能作为火箭的动力。经过20多年的研究，1988年，美国火箭达因公司试制成了世界上第一台太阳能火箭的样机，并在爱德华兹空军基地进行了地面试验。 与太阳能汽车、太阳能飞机不同，太阳能火箭不是首先把太阳能转化为电能，再由电能去驱动电动机，带动火箭飞行；而是利用太阳能直接加热被称为工作介质的氢，使氢受热膨胀，从喷管中迅速喷出来，产生推力，推动火箭飞行。因此，这种火箭无需携带笨重的电动机，更无氧化剂与燃烧室的装置。它的关键设备是在内腔室里装有一个盘状的（钅来）管吸热器。（钅来）是一种十分稀有的贵金属。它具有3180℃的高熔点，能保证它在高温条件下仍能正常地工作。另外，它还易于加工，化学性质稳定。为了提高热效，（钅来）管直径仅为0.25厘米，壁厚为0.025厘米，制作这样精细的（钅来）管自然也非易事，人们把（钅来）先制成熔液，再让其变为蒸气，沉积在预先制好的心轴表面，然后把心轴侵蚀掉，最后获得（钅来）管。 太阳能火箭的另一关键设备是太阳能采集器。美国已研制出一种薄膜制成的膨胀式抛物面反射镜，在太空中展开后它的直径可达30米，聚焦以后可提供800千瓦的热能。一枚太阳能火箭将设有两个这种反射镜，其聚焦后的阳光通过一个石英制成的窗口，照射到（钅来）管上，可把管内的氢气加热到2500℃左右喷出。 与电火箭相比，太阳能火箭的推力虽然有所提高，但目前仍然无法达到化学火箭的功效。因此，它也无法用作载火箭，仅适宜在太空中把大型的航天器从这一轨道转移到另一轨道。