火箭發動機的推力原理

 

 

很多人會問這樣一個問題：

 

火箭在大氣中依靠空氣，也就是作用力與反作用力，來獲得推力，把火箭推向太空。那麽，太空中沒有空氣，沒有反作用力了，又是什麽原理呢？

 

提出這樣一個問題的人，他們隻是關注到了“太空中沒有空氣”這樣一個事實，但卻忽略了“火箭還是那個火箭”這樣一個事實。

 

有人覺得：火箭在大氣中的飛行原理是牛頓第三定律，而在太空中飛行則是動量守恒原理。

 

同樣一枚火箭，在大氣中飛行與在真空中飛行，隻是空間發生了變化，難道飛行原理就變了？

 

顯然，這樣的解釋是不合邏輯的。那麽，如何理解呢？

 

其實，道理很簡單。“牛頓第三定律”與“動量守恒原理”是一個道理，而且，“動量守恒原理”就是由“牛頓第三定律”推導出來的。在現代物理學中，動量守恒定律、能量守恒定律與角動量守恒定律相比牛頓定律更為普遍適用，它們既應用於光，也應用於物質；既應用於經典物理學，也應用於非經典物理學。

 

一句話：“牛頓第三定律”與“動量守恒原理”是從不同角度來解釋火箭的飛行原理！

 

具體來講，“牛頓第三定律”（動力學）認為，兩個物體之間的作用力和反作用力，總是同時在同一條直線上，大小相等，方向相反。火箭噴出氣體之後，無論在有空氣的空間內還是沒有空氣的空間內，都會發生膨脹（化學過程加上物理過程），這就是說，火箭（化學反應空間）本身給了這個氣體一個作用力，所以，火箭得到了一個反作用力。

 

“動量守恒原理”（動量學）認為，火箭與噴出的氣體，是一個整體，這個整體的動量是守恒的。當氣體膨脹時產生壓力，這個壓力使得火箭和氣體同時獲得了一個方向相反的衝量，衝量就是動量的變化量（即力的作用改變了動量），而總的動量就是火箭的動量加上氣體的動量。氣體動量往後，火箭動量則往前，實現動量平衡。

 

最後，有幾個概念問題：

 

1，有人把火箭的反作用力和劃船相比，槳向後劃給水一個力，水再給槳一個反作用力，槳再把力傳給船。這個比喻使人產生誤解，誤認為火箭在空氣中如同船在水中，沒有空氣，火箭得不到反作用力。

 

    2，發明火箭就是為了在真空中運行的。原理如下：想象我們的簡易火箭豎直向上漂浮在真空中，靜止不動。這簡易火箭最下麵固定著一個平板，燃料和氧化劑管出口就在平板下方，噴出燃料燃燒產生大量氣體。氣體向前後左右上下六個方向自由膨脹，其中向上膨脹的部分氣體作用在平板上，就能推動真空中的火箭上升。但這樣向其他五個方向膨脹的氣體都浪費了，真實的火箭發動機把這個平板向下彎成一個梨型的容器，將燃料和氧化劑出口包在內部，並仔細設計形狀，使氣體作用在容器內壁向上的力最大。實際上，火箭發動機在真空中的效率是最高的，在空氣中，由於空氣阻礙氣體噴出，會使發動機效率降低。

 

    3，火箭有沒有反作用力跟空氣無關，空氣的存在，隻是增加了阻力和浮力；而在太空，反作用力會比在地球上的反作用力更加輕鬆，因為在地球中存在著介質阻力和摩擦力。

 

4，飛機在空氣介質中前進，而太空船則是在真空中飛行。牛頓第三運動定律在太空船的飛行中同樣起作用。如果太空船要轉彎，它必須向預定前進方向的反方向噴射火箭推進器（噴出的物質是灼熱的氣體）。太空船共有三個旋轉軸：俯仰、滾轉和偏航。如果飛行員希望向右轉，火箭推進器會向左噴射，通常滾轉和偏航推進器也要同時噴射。這種機動推進器分布在太空船體的各個不同位置，可使太空船在三個旋轉軸上運動。因此，太空船在轉彎時就像是突然在一個方向（或多個方向同時）發生翻轉，而不是發生平滑的橫向傾斜。

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好文，謝謝分享！