SpaceX的猎鹰可回收火箭、中国的长征火箭用的就是液体燃料。这项技术的应用有两个好处:第一,它让火箭在上升的早期阶段保持非常低或甚至零的攻角(英文angleofattack,是航空术语,指飞行物体所受升力方向矢量与纵轴之间的夹角),这意味着火箭受到较少的空气动力应力;第二,它让火箭利用地球的重力而不全是燃料燃烧提供能量来改变火箭(及携带的航天器)飞行的方向。
火箭的升天原理是什么?
火箭推动的基本原理其实很简单,就像我们过年放的钻天猴一样,都是用燃料的燃烧产生向后的推动力,进而推动火箭飞上天。 不过,跟二踢脚不一样,要把火箭送上天,需要的燃料太多太多了。 目前,人类最大成就是美国将45吨的阿波罗登月飞船送到了月球表面,送它上天的火箭总重达到了近3000吨(起飞重量)。 知道其中燃料有多少吗? 2730吨燃料!!!超过了起飞总重量的90%。
抛了一个西瓜上天,结果能用的就只有西瓜籽大小。外星人知道了,能笑掉大牙吧? 在这里,先给你推荐一款游戏:“坎巴拉太空计划”,这是一款2015年出品,具有极高自由度的小游戏,玩家可以在游戏里扮演一个航天工程师,设计、建造自己的火箭,然后一飞冲天,探索整个宇宙,相信你会爱上它的。 然后,再科普下火箭所用的燃料。
火箭的燃料分为液态和固态两种,无论固态还是液态,都是有两部分构成的燃料和氧化剂。与飞机的发动机不同,火箭要获得逃出地球引力的能量,只烧空气中的氧是完全不够的,而且进入太空后,如果没有氧气,就熄火了。 所以,火箭需要自己携带“氧气”,也就是氧化剂。 我们先说液态燃料,一般最好的液态燃料是液化氢,它与液态氧混合燃烧可以产生约350的比冲量(火箭发动机的推力与其喷出质点每秒质量流量的比值)。
除液态氢以外,甲醇、乙醇、高浓度水合肼、 二甲肼、 硝基甲烷等物质都可用作液体火箭燃料。而氧化剂也可以用液态臭氧或液态氟。 各种燃料和氧化剂的区别在于,推动力不一样,以前都是液氢液氧,但是推力不够,后来就出现上面各种各样的燃料。 Space X的猎鹰可回收火箭、中国的长征火箭用的就是液体燃料。 再说固态燃料。
它是把硼氢化钠、二聚酸二异氰酸酯、二茂铁及其衍生物、还有锂、铍、镁、铝、硼等金属,作为固态燃料的。比如,中国的长征十一号运载火箭就是固态燃料。 固态和液态燃料的区别在于,液体燃料需要在每次发射时进行灌装,从而拉长发射时间,但液态燃料成本低,所以,目前的航天火箭,多数都是液体燃料的。 最后补充一点。军方用的导弹,因为要满足战时的需求,都是固态燃料的。
为什么火箭是沿着弯曲的轨迹升空?
这是SpaceX火箭发射的照片。你会看到火箭的发射曲线是一条弧线,而不是路程更近的直线,显然,从“两点之间直线最近”这一角度出发,并不合理,但很多时候,显示并不如数学所描绘的世界那么完美。弯曲的轨迹是火箭轴线运动和空气动力学相互作用的结果。所以问题出现了:为什么要有弯曲的发射轨迹?首先,直接发射火箭是没有意义的。
如果真的这样,火箭会直着上去,直着下落,此乃所谓直上直下。火箭需要进入轨道。这意味着需要一个垂直于半径矢量的速度分量,即水平速度。火箭在飞行过程中的倾斜会增大水平速度分量。在这种情况下,地球的旋转速度也是有帮助的。众所周知,地球在赤道上的自转速度最大,因而当火箭从赤道发射时,火箭将获得更大的水平初速度,节省燃料。
因此各国都力争在离赤道更近的地方(低纬度地区)建立火箭发射基地,比如我国的海南文昌火箭发射基地和位于美国东海岸佛罗里达州卡纳维拉尔角的卡纳维拉尔角发射场,设在西海岸加利福尼亚州的范登堡空军基地。前者包括美国空军的东靶场和肯尼迪航天中心,承担了大部分“美国火箭”的发射任务。我国的海南文昌火箭发射基地刚建成没几年,而且远离火箭制造工厂,因此火箭发射任务次数较少。
那么我们如何在弯曲的路径上发射呢?这里的红点描绘了火箭。你需要有足够大的V⊥,使火箭保持向地球坠落的状态,并能够维持轨道。从上图可以理解下落的状态。每次尝试后都会以更快的速度发射球。从甲、乙、丙开始……如果你想呆在那里绕地球转,速度必须等于轨道速度。火箭发射后,助推器持续燃烧,直到在轨道上的某一点达到燃尽点。
一旦达到这一点,轨道将以0°的飞行路径角度(半径矢量和速度矢量之间的角度)进行。整个过程通常分两阶段进行。第一阶段点火升空,运载工具清除发射塔,在此之后不久,滚动程序开始进行方位角修正和正确的轨道插入。一旦一级火箭达到燃尽点,一级分离,二级点火。点火一直持续到火箭进入到预定轨道环绕地球并稳定运行,这时火箭发射任务才算圆满完成,当然接下来还会有一系列的挑战在后面等着。
所以,曲线轨道的意义是通过获得水平速度进入预定轨道。卫星受力分析为了进入轨道,飞船必须克服重力及空气阻力的共同影响,同时达到很高的速度离开地球。这在大约100公里以下是不可能的,因为空气阻力甚至会使流线型飞行器减速过快。但是在这条线(称为卡门线)上方,飞行器可以加速到足够的速度(大约每秒7公里),在发动机熄火后,它将以同样的速度在太空中运行。
“卡门线”是以美国航空航天力学专家西奥多·冯·卡门(Theodore von Kármán)的名字命名,我国著名的科学家钱学森先生在加州理工大学学习时就是他的学生。“卡门线”的海拔高度——也即高于地球海平面的高度——是100千米。“卡门线”的定义被国际航空联合会(Fédération Aéronautique Internationale,简称FAI)接受,它是国际航空航天标准制定和记录保存的机构,“卡门线”现在是通用的国际定义。
在低轨道上,卫星仍然感觉到地球重力的97%(随着距离的增加,重力会变弱)。这意味着在1秒钟内,它将下降约4.75米。由于这个原因,运载火箭将总是垂直上升到轨道,只是在这个早期阶段稍微改变它的俯仰角,以清除发射复合体(以及任何你不想让它着陆的东西,如果它爆炸失败的话),直到一个预定的点,在那里它可以集中精力更有效地获得相对于地球的水平速度。
另一个原因是实现轨道速度的火箭推进实际上效率很低。很少有超过由有效载荷组成的整个发射系统总质量的4%,绝大多数质量是运载火箭的结构质量和燃料质量(两个例子,液氧/煤油和液氧/液氢),这是获得想要的有效载荷所必需的。火箭起飞后会向地球自转方向倾斜,并逐渐增加倾斜幅度,直到它的垂直速度分量为零,进入一定轨道,最好携带的燃料是刚刚“物尽其用”。
这种优化航天器轨迹以使其达到所需轨道的技术称为重力转向(Gravity Turn)或零升力转向(Zero-lift Turn)。这项技术的应用有两个好处:第一,它让火箭在上升的早期阶段保持非常低或甚至零的攻角(英文angle of attack,是航空术语,指飞行物体所受升力方向矢量与纵轴之间的夹角),这意味着火箭受到较少的空气动力应力;第二,它让火箭利用地球的重力而不全是燃料燃烧提供能量来改变火箭(及携带的航天器)飞行的方向。
这两点节约下来的燃料可以用来更多的进行水平加速,使航天器更容易进入轨道。如果你直接向上发射火箭,它会直接向后坠落。这种火箭被称为探空火箭,因为它有助于让仪器短暂到达高空进行读数(探空),但仅此而已。探空火箭不需要太大,甚至纳粹V2早在1946年就被用来从太空拍摄地球。火箭进入太空时,在我们最容易看到的路径上垂直飞行,这是最开始的时候,但是随着高度的增加,它们会转向,直到水平飞行。