火箭发射原理及运载使命

现代火箭是指一种靠发动机喷射气体产生反作用力向前推进的飞行器，是实现卫星上天和航天飞行的运载工具，故又称为“运载火箭”。

人们在射击时会感觉到，当子弹射出枪口时枪身会向后坐，也就是说枪身向后移动。这个力量很大，有时会把人推一个跟头。这就是我们经常说的牛顿第三定律的体现，即“两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在一条直线上”。火箭的发射就是利用这个原理。

火箭的工作原理就是动量守恒定律，当火箭推进剂燃烧时，从尾部喷出的气体具有很大的动量，根据动量守恒定律，火箭就获得等值反向的动量，因而发生连续的反冲现象，随着推进剂的消耗，火箭质量不断减小，加速度不断增大，当推进剂燃尽时，火箭即以获得的速度沿着预定的空间轨道飞行。

提高火箭速度有两个办法，一是提高气体的喷射速度，二是提高质量比(火箭开始飞行时的质量与燃料燃尽时的质量之比)。而提高喷射速度的办法比提高质量比的办法更有效，但喷射速度的提高也有一定的限度。因为要提高喷射速度，必须有高效能的燃料，才能产生高温高压的气体，高速地从喷口喷出；同时还要求制作燃烧室和喷口的材料能经受得住高温、高压和高速。

现代液体燃料的火箭喷射速度为2500米/秒，气体的压强为4个大气压，温度已高达3000℃左右。把喷气速度提高到4～4.5千米/秒就是很高的技术水平了，要想把质量比提高到10也是很难办到的。火箭除了外壳、存贮燃料设备和燃烧室外还要有发动机、仪器、控制设备和要运送的人造卫星、爆炸弹头等，燃料燃尽后，剩余的总质量还是相当大。如果质量比是6，气体的喷射速度为2500米/秒，火箭的最大速度也不到4.5千米/秒，远小于第一宇宙速度(7.9千米/秒)，更不用说脱离地球引力了。可见，单级火箭的最终速度是有一定限制的，因此只有利用多级火箭才能获得较大的最终速度。

它是怎么飞行的呢?先来做一个小试验:把气球吹满气，猛一松手，它肯定会向前“飞”出一定距离后才落到地面。原来气球之所以能“飞” 是因为受到它“肚子”里排放出来的空气的反作用力的推动。

运载火箭飞行的原理和气球“飞”的原理一样，都是利用了物体的反作用力。运载火箭的“肚子”里装有燃料，燃料点着后产生大量热量，变成急剧膨胀的气体，气体从火箭尾部猛烈喷出，火箭便在气体喷发产生的反作用力下向前飞行了。(www.xing528.com)

火箭为什么能飞得那么快呢?我们知道，燃料产生的热量越多，喷射气体的速度越快，产生的推力就越大。科学家计算过，一般火箭燃气的喷射速度约为每秒2千米左右，当燃料的重量是火箭净重的1.72倍时，火箭的最终速度等于气体的喷射速度；如果要使火箭的最终速度达到气体喷射速度的2～3倍，那么就要相应地增加燃料。可是燃料增加，火箭的体积、重量也就随之增加，而用同样的力推动轻、重不同的物体时，其速度是不一样的。怎么解决增加燃料又不过多地增加火箭重量的矛盾呢?科学家们想了一个绝妙的办法，就是把火箭做成一级一级的，每一级都有燃料，烧完一级就扔掉一级，这样火箭就越飞越轻，速度也越来越快。再加上离地球越来越远，地心引力和空气阻力都随之减小等其他因素，火箭便可以具有超过其他任何交通工具的速度。

随着科技的不断发展，科学家们已经发明、制造了各种型号的火箭，这些火箭内部构造互不相同，而且都相当复杂。如1970年中国发射的“长征一号丁”火箭，它是一枚装有二度轨级的三级小型运载火箭。但是不管这些火箭内部构造有多复杂，其主要部分都可以归纳为壳体和燃料。壳体是圆筒形的，前端是封闭的尖端，后端有尾喷管，燃料燃烧产生的高温压燃气从尾喷管迅速喷出，火箭就向前飞去。

发射火箭由地面控制中心倒记数到零，便下令第一级火箭发动机点火。在震天动地的轰鸣声中，火箭拔地而起，冉冉上升。加速飞行段由此开始了，经过几十秒钟，运载火箭开始按预定程序缓慢向预定方向转变，100多秒钟后，在70千米左右高度，第一级火箭发动机关机分离，第二级接着点火，继续加速飞行，这时火箭已飞出稠密的大气层，可按程序抛掉卫星的整流罩。在火箭达到预定速度和高度时，第二级火箭发动机关机分离，至此加速飞行段结束。随后，运载火箭依靠已经获得的能量，在地球引力作用下，开始了惯性飞行段，直到与预定轨道相切的位置止。此时第三级火箭发动机点火，开始了最后加速段飞行。当加速到预定速度时，第三级发动机关机。至此，火箭的运载使命就全部完成了。

火箭飞行所能达到的最大速度，也就是燃料燃尽时获得的最终速度，主要取决两个条件:一是喷气速度，二是质量比(火箭开始飞行时的质量与燃料燃尽时的质量之比)。喷气速度越大，最终速度就越大，由于现代科学技术的条件下一级火箭的最终速度还达不到发射人造卫星所需要的速度，所以发射卫星要用多级火箭。

火箭的级数并不是越多越好，级数越多，构造越复杂，工作时间的可靠性就越差。火箭和喷气式飞机一样都是反冲的重要应用。为了提高喷气速度，需要使用高质量的燃料。当燃气从细口喷出或水从弯管流出时，它们具有动量。由动量守恒定律可知，盛燃气的容器就要向相反方向运动。火箭就是靠喷出气流的反冲作用获得巨大速度的。