2023年8月14日下午1时32分,中国在西昌卫星发射中心使用快舟一号甲固体运载火箭,以一箭五星方式将和德三号A-E星送入预定轨道。当我们谈论运载火箭,我们实际上在探讨一项惊人的工程,它使得人类能够将航天器、卫星或宇航员送入太空。现在,让我们一起详细了解从点火到升空并进入预定轨道的整个过程,以及火箭的组成结构和每个部件的功能。
1. 点火与起飞
火箭的发射是从点火开始的。点火方式有很多,其中一类很巧妙肼类和四氧化二氮这两种液体混合在一起就会发生剧烈反应,开始燃烧,这一过程的化学反应方程式是这样的:
肼与四氧化二氮混合燃烧
当倒数结束,按下“点火”按钮,可以大致理解为打开了分隔着两种液体的阀门,让它们混合发生反应点火成功。之后产生巨大的火焰和推力。火箭发动产生推力的原理是基于牛顿第三定律,也称为“作用与反作用”。根据这个定律,每一个作用力都会有一个与之大小相等、方向相反的反作用力。
当火箭发动时,它会将燃料和氧化剂混合燃烧,也就是刚刚提到过的肼和四氧化二氮,这一过程会产生大量高温高压的气体。这些气体在火箭发动机内部迅速膨胀,因为气体无法在封闭的空间内无限膨胀,所以会以极高的速度从火箭底部的喷管中喷射出来。根据牛顿第三定律,这些气体喷射出去的同时会产生一个反作用力,即推力,作用在火箭的底部。这个推力将火箭推向相反的方向推。火箭升空和飞机原理不同,飞机靠特殊机翼流经上下的空气流速不同,压力不同,借助这个压力差带动飞机升空。而火箭则完全靠这一推力升空。
推力的大小取决于两个因素:喷射气体的速度和质量流量(即单位时间内喷射出的气体质量)。根据牛顿第二定律(F = ma),推力与质量流量和喷射气体速度的乘积成正比,由于火箭喷射的气体速度非常高,所以即使质量流量相对较小,也能产生巨大的推力。这就是为什么火箭发动能够产生克服地球引力的强大推力,进入太空。
2. 分级与升空
火箭通常由多个级段组成。这些级段或并联,或串联,或并串联。
1、串联方式,这种方式就是将多级火箭串联在一起,装有有效载荷的火箭放在最前面,不含有效载荷的火箭在其下依次排开,最末端级段先工作;工作完毕后通过分离机构被抛弃掉,接着,其上面级火箭依次工作并被依次抛弃,直至有效载荷进入飞行轨道,这是最常用的连接方式,我国的长征一号火箭,它发射我国第一颗人造地球卫星东方红一号,还有前天的一箭五星,快舟一号甲固体运载火箭,采用的就是三级火箭串联技术。
2、并联方式,将多个火箭并排连接在一起,周围的子火箭先工作,工作完成后被抛弃,中央的芯级火箭最后工作,以这种方式连接的多级火箭又被称作捆绑式火箭。
3、也叫串并联方式,如芯级火箭本身是串联式多级火箭,再将多个火箭并排地连接在芯级火箭周围,我国的长征二号E,长征二号F和长征三号B是串并联式火箭。
3. 第一级:离开地球
第一级发动机产生了足够的推力,使火箭突破地球的引力,进入更高的大气层。当火箭的某个级段的燃料几乎用尽时,火箭会触发分离机制,将该级段分离。这减轻了负荷并为下一级段火箭继续任务创造条件。
4. 第二级:继续飞翔
之后,第二级发动机点火,继续将火箭推向更高的高度。这个阶段旨在将火箭送入更高的轨道。
5. 最后级段:进入预定轨道
当第二级完成任务后,最后级段(上面级)发动机点火。这个阶段旨在精确地将火箭置于预定的轨道高度和速度。一旦达到目标,最后级段会停止点火,将火箭的载荷释放到太空中。这个载荷通常是人造地球卫星。
通过各级段的协同作用,火箭能够克服地球引力,进入太空并进入预定轨道。每个部件都扮演着关键的角色,发动机提供推力,级段逐步提高高度,最后级段精确调整轨道,使火箭的任务得以顺利完成。
这就是运载火箭从点火到升空并进入预定轨道的简要过程,以及火箭各个部件的功能。它代表了人类的科技和勇气,将我们的探索之旅扩展到了太空。
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