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火箭速度是每小时多少公里(火箭为什么要有很多级)

来源:投稿     浏览:次 时间:2023-01-21 14:32:44

尽管火箭发射升空需要很大的推力,但火箭飞行时并不是由所有子级共同提供推力的。一个子级工作完成后会被抛掉,下一个子级开始工作,如此循环,直至将卫星或航天飞船送入预定轨道。

火箭抛掉三子级示意图

为什么需要各个子级接力工作,而不用一级火箭直接将航天器送入太空呢?

要将航天器送入太空,火箭的速度在理论上至少要达到7.91km/s,也就是第一宇宙速度。如果达不到这个速度,火箭将会落回地面。如果运载火箭只做一级,就目前的技术而言,单级火箭最高速度不超过6km/s,是无法完成航天飞行的。

除了速度的问题之外,单级火箭也有它自身的问题。假如把巨大的运载火箭做成单级,那么飞行过程中要用的所有推进剂只能贮存在一级火箭的贮箱内。这样,贮箱就需要增大容积来容纳这些推进剂,而贮箱箱壁也会因为承受了更多的推进剂必须加厚,这也将增加贮箱重量。

火箭贮箱

火箭在飞行过程中,随着推进剂逐渐消耗,贮箱越来越空。空出的贮箱壳体变得毫无用处,也就是说燃烧推进剂释放出来的能量不仅要加速卫星或飞船,还要加速这部分无用的空贮箱。更加显而易见的是,贮箱越重,加速空贮箱所耗费的推进剂就越多,以至火箭最终无法达到宇宙航行所需的速度。

那么,单级火箭就注定无法飞向太空了吗?在20世纪70年代之前,人们普遍认为实现宇宙飞行只能是多级火箭。随着火箭结构材料和动力系统性能的提高,采用单级火箭实现宇宙飞行是完全可能的。美国从20世纪80年代开始采用轻质高强度的先进复合材料和新型火箭发动机研制单级火箭,至今这项工作仍在探索之中。

回过头来,我们再看看多级火箭,是谁首先发明使用了多级火箭呢?

多级火箭最早的记载来自于明朝的火器大全《火龙经》,那时,它的名字是“火龙出水”,是一种用于水战的远程二级火箭。火龙出水实际上是在一个5尺长(约等于1.67m)的粗竹筒,在竹筒内装入数枚火箭,筒前后分别以龙头和龙尾来装饰,故名火龙。在龙体下部的前后两端,还各装有两枚火箭,并与龙体内的火箭引线相连接,最后由总引火线串在一起。龙体下部是一级火箭,龙腹内是二级火箭。

火龙出水

火龙出水在那个时代可是世界上的水战武器,通常放在战船上使用。遇敌时,士兵们会点燃龙体下部的一级火箭,这样,火龙出水会向前腾飞起来。尽管火龙总重有10到20斤,但它能够在水上飞行二三里,大概有1.3km到1.9km的距离。一级火箭火药燃尽后,火龙腹内的二级火箭会自动点燃并从龙口喷射而出,射向敌船。

火龙出水二级火箭发射示意图

而近代的多级火箭,也是根据同样的原理制成的。可惜的是,到了明代后期就不再研发这类武器,最后失传。

现在的多级火箭,最初是由“航天之父”苏联科学家齐奥尔科夫斯基想出来的。他想建造一种像火箭列车一样的多级火箭,从地面发射时,先进行第一级火箭点火,燃料耗尽后能够自动脱落。接着第二级火箭点火,继续加速飞行,燃尽后自动脱落。最后第三极火箭点火飞行,继续提速,直至飞出地球,将卫星和飞船送入预定轨道。

“航天之父”齐奥尔科夫斯基

由于多级火箭飞行时,是由下一级火箭工作达到一定速度后,完成了任务并被抛掉再由上一级火箭继续工作和加速,火箭在飞行中是被逐级抛掉的。这样,火箭推进剂能量不会过多耗费在加速无用的空贮箱上,能够轻装前进,越飞越轻,所以火箭的速度也在逐级提高。因此,多级火箭的“接力”最终可超越第一宇宙速度,实现宇宙航行。

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