火箭如何工作？所有你必须知道的

最近是第一枚火箭送入太空 80 周年，我们回顾一下令人惊叹的火箭的细节。

使用阿丽亚娜 5 号火箭发射 JWST。

图片来源：ESA/CNES/Arianespace

1944 年 6 月，德国 V-2 火箭成为第一个到达太空的物体。在过去的八年里，人类尝试了几种不同的设计，将物体送入轨道并发射到更远的深空。随着革命性火箭最近经过测试或即将升空，了解它们的工作原理非常重要。

火箭原理实际上是物理学中的基本思想，但其应用需要更多思考。首先，有质量的物体往往会抵制运动，但一旦运动，只要没有摩擦或阻力，它们就会继续运动。我们这里讨论的是惯性。然后是牛顿第三运动定律：对于每一个作用，都会有一个大小相等且方向相反的反作用力。它们共同构成了任何火箭发射的理论基础。

火箭如何进入太空？

让我们开始看看实用性。要起身进入太空，您需要快速移动。如果要以 100 公里（61 英里）的速度穿越卡门线并返回，就像 Blue Origin 的 New Shepard 火箭一样，那么您的目标应该是每小时 3,500 公里（2,200 英里）左右。这几乎是每秒 1 公里。 

但如果你的目标是进入轨道并留在那里，你需要变得更快，否则你会掉下来。一个人留在轨道上的方式是不断落回地球。你只是一直想念这个星球。停留在近地轨道所需的速度为每秒 8 公里（5 英里）。

为了永远摆脱地球引力，你需要走得更快。至少每秒 11.2 公里（7 英里）。这相当于每小时 40,000 公里（25,000 英里）。 

火箭如何升空？

无论你想达到什么速度，你都需要一个能够产生推力的物体。还有很多。推力取决于废气的速度和每秒排出的气体质量。因此，我们从物理原理转向爆炸化学。

称其为火的化学反应或受控爆炸的化学反应是吹毛求疵的。从根本上来说，这是一种放热反应，释放热量和能量。它为您的细胞提供动力。这就是火的动力。它为普通内燃机提供动力。你有燃料、氧化剂和火源。

火箭飞入大气层的高度很高，那里的氧气（所有其他名称检查系统使用的氧化剂）含量很低。因此火箭往往会自带氧化剂。液氧往往是首选的氧化剂。但燃料各不相同。 SpaceX 的猎鹰火箭使用火箭级煤油作为燃料。 SpaceX 的星际飞船则使用甲烷。美国宇航局的太空发射系统 (SLS) 和即将推出的欧洲航天局的阿丽亚娜 6 号都使用液氢作为燃料。

欧洲航天局 (ESA) 最近发布的一段解释视频将火箭的行为与未打结的气球的行为进行了比较。指出主要区别的是，气球不仅会上升，还会到处移动。该视频做了另一个重要的类比：平衡火箭——又薄又高，推力来自底部——就像在手指上平衡一支铅笔。你需要保持灵活性。

如何控制火箭？

灵活性来自于可移动的发动机喷嘴以及翅片等其他设计元素。当火箭开始不受控制地翻滚时，通常意味着这些系统无法正常工作，火箭要么即将自行爆炸，要么将由地面控制装置爆炸。 

火箭的另一个常见特征是助推器。并非每个火箭设计都需要它们，因为并非每个火箭都必须产生相同的推力。 SLS 和阿丽亚娜 6 等助推器使用固体燃料——燃料和氧化剂结合在一个固体块中，不断燃烧。除了塑造发生反应的表面积之外，没有办法调节助推器的推力。

火箭的最后一个显着特征是它们通常是分阶段建造的。回到惯性原理，质量越大，将其移动到所需速度所需的推力就越大。但你需要的推力越大，你需要携带的燃料就越多。因此，一旦火箭达到其用途，就将其部分处理掉是很有用的。有些第一级是可重复使用的，就像 SpaceX 火箭的情况一样。  在其他情况下，只有装载货物或船员的太空舱才会被反复使用。

为了确保一切顺利，火箭经过一次又一次的测试。当它们执行的任务是搭载宇航员时，它们通常会承担很多任务。他们称其为火箭科学并不是无缘无故的。