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什么是火箭科学?

爆破空间后面的理论并不像你想象的那样复杂。然而,将其付诸实践,有点棘手。

火箭科学全部是关于使用火箭推进,从烟花到载人的宇宙飞船移动任何东西。

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在皇宫的心脏是 艾萨克·牛顿第三次议案,已经建立了300多年的事情。它说每个动作都有平等和反应。如果你站在墙壁前并推动它,你会向后移动。

同样地,如果你站在滑板上并尽可能地扔掉你的沉重物体(不要在家里试试这个),那么你就会朝着相反的方向滚动。当您向前推动对象时,对象以相同数量的力推回给您。

在火箭中,被推动的“物体”是燃烧燃料的最终产物,其作为燃料燃烧,从火箭的背面射出,迫使火箭沿相反方向移动。

火箭科学是复杂的吗?

一点也不。工作火箭有三种基本要求:使其移动,克服重力的拉动并绘制课程。这些中的每一个都取决于 物理 自牛顿的一天以来已知。

空旷的空间中的枪口很容易,但在 地球 我们必须克服我们的星球的重力。这是火箭比大炮更好的地方。科幻作家Jules Verne建议使用后者射击一个包含三名乘客的壳 月亮 in the 19th Century.

但是一个大炮必须将其有效载荷达到留下地球的重力所需的速度 - 逃生速度 - 当它离开桶时,因为之后,唯一的力量作用于它的重力和空气阻力,这两者都慢下来。

法国作家Jules Verne(1828  -  1905年)©Getty Images
法国作家Jules Verne(1828 - 1905年)©Getty Images

加速让Verne的壳牌到每秒11.2公里的11.2公里将剥夺里面的乘客。但只要它的燃料持续,火箭就可以更轻微地加速,逐渐爬出地球的重力。

在绘制课程时,我们需要的只是牛顿的物理,这使我们能够了解飞行路径如何受到地球引力的影响, 太阳 和月亮(另一个 行星 将有影响,但在本地航班中很小),加上火箭发动机的任何“烧伤”。

是什么让劫掠成功的劫匪如此困难并不是那么多科学作为工程。在火箭中有这么多的复杂技术,难以确保一切都在工作。

所以火箭科学不是,ERM,'火箭科学'?

不,但不是每个人都可以掌握物理学的基础知识。

当1920年,美国火箭先锋罗伯特H戈达德说,来自地球的火箭可以到达月球, 纽约时报 显然未能理解火箭如何工作。

Apollo 11起飞©Getty Images
Apollo 11起飞©Getty Images

报纸中的一家社论评论:“戈达德教授在克拉克学院的”主席“和史密森机构的统计中,并不知道采取行动的关系,并且需要比真空更好的东西哪个反应 - 说这将是荒谬的。当然,他似乎只缺乏每天在高中营销的知识。“

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遗漏的是什么是火箭不会推动气氛 - 它被燃烧的燃料推出了它的背部。

报纸在1969年发表了“纠正” 阿波罗11在途中前往月球,但从未为其牛顿的物理和戈达德的声誉而道歉。

火箭如何工作?

所有火箭队都是通过将东西扔出后面的原则来推动火箭向前推,但是这是什么“某事”可以变化。

使用火箭推进的最早已知的设备之一是天脂,其是 由亚历山大的英雄设计 在1世纪的广告中。它使用从管中出现的蒸汽旋转金属球。

亚历山大,1世纪的公元前1世纪,希腊科学家(物理学家和数学家)发明了第一个蒸汽动力的'火箭'装置©Mary Evans
亚历山大,希腊物理学家和数学家的英雄发明了第一世纪的第一个蒸汽动力的“火箭”设备©Mary Evans

大多数火箭使用易燃物质,它是通过燃烧提供推力而产生的充满活力的废气。最初,这种火箭由火药供电,但更多的现代设计使用专业的固体燃料或氢气等气体,液化以最大限度地携带多少。

太空火箭必须能够在没有空气的情况下工作,因此他们需要氧化剂来发挥大气中的氧气的作用。这可能是液体 or other substances.

最新的火箭技术是 离子驱动器 或推进器。这是一种电动火箭,其中带电粒子(离子)通过电场加速,以从火箭的背面射出。

推进器最常用于转向火箭,因为它们非常精确但相当弱。然而,它们可以为火箭提供主要推进,该火箭设计用于深空。

火箭科学是如何开始的?

除了希腊蒸汽火箭之外,最早的火箭队是为烟花展示而制作的,作为中国的武器,他们至少返回到13世纪。

用于武器的金属火箭开始于19世纪的西方使用。他们难以瞄准,但提供了有效的恐怖武器,并且由于火箭没有反冲而言,从船只中使用 - 与枪有关的船只。

这是美国国歌的作者Francis Scott Key的这种用途在他提到“火箭队的红色眩光”时铭记。

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当它来到太空旅行时,火箭队在故事中出现了几十年,然后是他们实用。

当美国机构首次开始在20世纪30年代开始劫掠时,据说军队已经发现整个概念太多就像科幻小说,所以加州帕萨迪纳的发展基地被称为喷射推进实验室,即使它从未锻炼过喷气机,只有火箭。

同样,用于帮助飞机从短跑道上脱落的火箭包有“JAI”(喷射辅助起飞)以避免'R'字。

捕获的德国V-2火箭留下了美国发射板,第二次世界大战后©Getty Images
捕获的德国V-2火箭留下了美国发射板,第二次世界大战后©Getty Images

美国和苏联的后二战空间火箭最初受到德国V-2武器的启发。它的开发人员, Wernher Von Braun.,对冲突几乎没有兴趣,但看到他的工作是让他的空间旅行梦想成为现实的一种方式。

战争结束后,两个超级大国从V-2开发了导弹,地图集火箭用于获得第一个美国人 宇航员 进入太空最初被设计为洲际弹道导弹。即使是土星v火箭 阿波罗计划 有一个血统,通过木星系列返回redstone导弹。

火箭队可以从大气中使用氧气吗?

太空火箭携带氧化剂,例如氧气或过氧化氢,以使燃料在空间中燃烧。然而,对于发射的第一个也是最艰难的部分,他们正在通过大气来旅行。

如果他们可以在他们去的时候拿起氧气,那将显着减少起飞重量。因此,在可用的同时使用大气氧气将是一个巨大的优势。

Skylon目前正在开发,不需要飞行员。如果成功,它将允许高效,飞机 - 类似进入空间©NASA
Skylon目前正在开发,不需要飞行员。如果成功,它将允许有效的飞机 - 类似进入空间©NASA

问题是这是一个大规模的技术挑战。

在氢气/氧气火箭中,如许多人使用 美国宇航局,必须将氧气压缩并冷却至约-140℃,然后与氢混合在氢气中混合,这必须在约1/100秒内进行,同时避免空气中的水分堵塞。

这已经在英国公司建造的Saber推进系统中实现了这一点 反应发动机。希望这将很快用于工作火箭电机,专为Skylon Speptplane设计。

为什么大火箭有多个阶段?

早期科幻小说火箭队和将人们投入太空的实际情况之间的最大差异之一是,真正的火箭队有多个阶段,因为火箭离开地球。

这一想法是由俄罗斯教师和火箭先锋Konstantin Tsiolkovsky发达于1903年。

俄罗斯的Soyuz MS-09航天器载有国际空间站(ISS)探险队的成员©Getty Images
俄罗斯的Soyuz MS-09航天器载有国际空间站(ISS)探险队的成员©Getty Images

阶段反映了需要携带大量燃料以允许火箭逃脱地球的引力。当燃料箱空空时,它们只是需要加速,浪费燃料的额外质量。

当燃料耗尽时掉落一个舞台(或使用空间梭子等可用外部罐),其余工艺变得更轻,需要较少的燃料加速它。

Tsiolkovsky是一个理论家,它是戈达德,建造了第一个实用的多阶段实验火箭。

海拔354公里(220英里)的国际空间站轨道©NASA
海拔354公里(220英里)的国际空间站轨道©NASA

宇宙飞船返回地球使用空气阻力,翅膀(特别是航天飞机)和降落伞在重新进入上减慢船舶,与大多数科学小说中的大多数宇宙飞船不同,这慢慢地落在火箭力下。

火箭队用于着陆,在那里没有空气和相对较少的重力,例如在月球上,但一艘船只无法携带足够的燃料来在地球上制作柔软的着陆 - 它使用大部分燃料首先逃避。

用火箭返回地球需要某种形式的加油能力,目前不可行。

火箭队在哪里?

我们熟悉烟火展示和太空车辆的火箭,但军队已经利用了火箭技术 战争 很长一段时间,从早期的设备中的时间不仅仅是金属瓶火箭,而且是现代导弹和火箭推进手榴弹。

在其他地方,火箭队在救援耀斑中享有救命用途,作为在绞车到绞车之间的一条线的方式,以安全,以及军用飞机的喷射器座位。

James Bond(Sean Connery)在雷霆(1965)©EON Productions的仓促的Jet-Pack辅助Getaway
詹姆斯邦德(Sean Connery)让一款仓促的Jet-Pack辅助逍遥游 雷霆球 (1965)©EON制作

James Bond膜中使用的喷气包 雷霆球 更准确地是火箭包,而火箭也有动力汽车和雪橇记录速度。如果您想要在相对较短的时间内推力,火箭往往是最好的解决方案。

我们会总是用火箭吗?

一些火箭,如离子驱动器,总是有用的。但是如果我们可以取代火箭,这将是理想的,无论是逃避地球,还要用于向外部旅行所需的长期加速度 太阳系,甚至是其他 星星,司法。

火箭的一个替代方案是空间电梯。

这涉及从卫星到地球表面的卫星运行极长的电缆。然后将使用机械装置来爬上它,将有效载荷拖入空间。这是一个伟大的概念,因为它比火箭更便宜,并且不需要携带燃料。

但我们没有任何强有力的材料,可以从地球上建造一个空间电梯。

艺术家的空间电梯的概念©Getty Images
艺术家的空间电梯的概念©Getty Images

电缆必须近38,000千米。这种长度的典型28mm钢电缆,能够支持约50吨,重115,000吨。但原则上,我们有足够强大的材料来在月球上建造一个空间电梯。

当谈到深度空间时,我们可以用太阳能帆替换火箭队的一些要求,它使用阳光的压力逐渐加速血管或质量司机,这就像推动整个船的外部推进器。

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但是最戏剧性的替代方案,1958年梦想,是推动船舶通过爆炸它背后的微小核电荷,骑过冲击波。

原来的项目猎户座在1966年到1970年到1976年的1966年的Mars。它从未建造过(部分是因为使用这些核电从地球起飞的原始想法是,可以说是最不重要的)。

但是这个想法已在后面的概念宇宙飞船中重新审视。核燃料的巨大优势在于它压缩了更大的能量进入特定的群众,但到目前为止所附的风险使这种方法变得不切实际。

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jargon buster.

弹道式导弹 - 在电力下开始的一个,在落入自由落体之前达到相当大的高度。 V-2是第一个弹道导弹。

洲际弹道导弹(ICBM) - 现代空间火箭主要从旨在送世界发送核导弹的火箭队。

离子 -  '推进器'或'离子驱动器'使用离子作为反应质量。离子是具有电子移除或添加的电子的原子,并且因此具有电荷,这意味着它们可以通过电场推进。

Meganewtons(Mn) - 牛顿(n)是标准的力量单位。 1N是每秒加速1kg到每秒1米的力所需的力。由于地球的重力为1KG的向下力量为9.81N。 Meganewton是一百万纽代州。

反应质量 -  抛出火箭背面的东西推动它。在传统的化学火箭中,这是燃烧燃料的废气。

推力 -  发动机产生的力量以推动车辆前进,例如由火箭电动机产生的力。