航天科普:太空無空氣,飛船怎麽產生推力,嫦娥五號又如何在月球點火起飛?
來源:時空通訊
發布時間:2021-03-22
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這是個(ge) 常識問題,隻是基於(yu) 回答網友的問題,在此與(yu) 各位分享。

網友之所以提出這樣的問題,是對火箭發動機不了解的緣故。凡飛出地球大氣層的人造飛行物,都是在沒有空氣的情況下航行的,因此,太空飛行器是不需要空氣的,知道了這一點,就應該知道飛船如何能夠在月球上點火升空了。

首先說說推力。

何謂推力?就是給某物體(ti) 一個(ge) 力,這個(ge) 物體(ti) 就會(hui) 朝著給力的反方向走。給力的方法是怎樣的呢?比如一個(ge) 人推放在地上的一個(ge) 箱子,他就要腳下使勁蹬地,因此他給力的方向是向後的,但地是連著地球的,他當然蹬不走,因此這個(ge) 力就朝相反的方向發出,箱子就移動了。

這就是牛頓第三運動定律的作用力和反作用力,以及推導出來的能量守恒定律的表現。第三運動定律通常表述為(wei) :相互作用兩(liang) 個(ge) 物體(ti) 之間的作用力和反作用力總是大小相等的,方向相反,作用在同一條直線上;動量守恒定律表述為(wei) :一個(ge) 係統不受外力或所受外力之和為(wei) 零,這個(ge) 係統的總動量保持不變。

通俗地說,就是力總是相對成對出現的,作用力和反作用力相等,它們(men) 的和為(wei) 零,總動量不變。當然計算力的方法很複雜,比如推箱子並不簡單隻是向前向後的相互作用力標量,還有向下向上大小不同的矢量,這些合力才讓箱子往前移動,計算起來很複雜,這裏就不說了,隻是簡單化的描述。

在地球上飛行,是飛機發動機螺旋槳或噴氣式往後推動空氣,反作用力就推著飛機往前飛;而太空中沒有空氣,就依靠火箭發動機往後噴氣,不需要推什麽(me) ,隻是發動機往後使用了作用力,飛船為(wei) 了抵消往後的作用力,就反作用力往前飛,往後產(chan) 生的動能與(yu) 往前的動能是相等的,必須相互抵消。

在大氣層內(nei) ,飛機發動機要依靠空氣中的氧來助燃,太空中沒有氧,火箭發動機隻能用自己攜帶助燃劑混合燃燒劑一起才能燃燒,因此飛機發動機與(yu) 飛船使用的火箭發動機是不一樣的。如運載火箭是用煤油、酒精、偏二甲肼、液態氫等作為(wei) 燃燒劑,用液態氧、四氧化二氮等作為(wei) 氧化劑助燃,燃燒劑和氧化劑通稱為(wei) 火箭發動機推進劑。

月球上起飛比地球上容易。

在地球上發射火箭升空,需要克服兩(liang) 個(ge) 問題,一個(ge) 是空氣阻力,另一個(ge) 是地球重力。重力是引力的表現,引力越大重力越大,而引力是與(yu) 質量成正比與(yu) 距離平方成反比的,也就是說,質量越大,引力越大,重力就越大;距離越遠引力和重力影響就越小。

地球重力達到9.8N/kg,要與(yu) 這個(ge) 重力拉扯抗衡,所需達到的速度至少要有7.9km/s,但這隻是環繞速度,就是可以飛到天上,如果一直保持這個(ge) 速度,就不會(hui) 被地球引力拉扯下來,但也飛不出地球引力;要脫離地球引力(逃逸速度)需達到11.2km/s。

在地球上不但要克服地球重力,還要克服空氣阻力,因此達到這個(ge) 速度就需要更多的燃料,因此現在運載火箭把有效載荷送上地球軌道,代價(jia) 比在100:1左右,也就是起飛重量達到100噸的火箭,才能夠把1噸的有效載荷送上軌道。(題頭圖大致可以示意火箭與(yu) 有效載荷之比)

而月球就不一樣了,它的質量隻有地球的81分之一,引力形成的重力隻有地球的約六分之一,在地球上6公斤的東(dong) 西,月球上隻有1公斤;月球逃逸速度隻需2.4km/s,而且月球沒有大氣,這樣起飛就不需要克服空氣阻力,且重力很小,起飛所需燃料就要少多了。

因此,在月球上起飛要比在地球上起飛容易多了。

這就是嫦娥五號采樣能夠從(cong) 月球上,用比較少的燃料就能夠起飛回到月球軌道,與(yu) 等候在那裏的軌道器對接,然後提速進入月地高速通道返回的原因。

嫦娥五號在地球上起飛重量達到870噸,最終隻將8.2噸的嫦娥五號探測器送入地月轉移軌道。嫦娥五號探測器由軌道器、返回器、著陸器、上升器四部分組成,在探測器的整個(ge) 重量中,應該還包含著約1半的燃料重量,這些燃料在地月通道用於(yu) 姿態調整和近月刹車變軌,降落月球以及返回過程。

實際上降落到月球的隻有著陸器和上升器連體(ti) ,而返回的隻有上升器,著陸器就留在了月球上。據有關(guan) 的資料稱這個(ge) 上升器重量約500kg,在月球重力狀態下,隻有約85kg,這樣,就並不需要多少燃料,上升6分鍾後就到達了月球軌道。在那裏,上升器與(yu) 軌道器對接後,將樣品轉移到返回器裏,軌道器就帶著返回器一起通過地月轉移回到地球。

最終進入地球的隻有返回器那個(ge) 錐形的小罐體(ti) ,不知道重量有多少,大概也就一兩(liang) 百kg吧,這個(ge) 返回器的主要功能就是送回月球采集的1731g樣品。別小看這不到2kg的樣品,這可是中國首次從(cong) 地外天體(ti) 返回來的物質,在世界上也是第三個(ge) 擁這種能力的國家。


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