火箭科学

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简介

火箭科学的概念由俄罗斯的学校教师康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基于1898年提出。1898年，这位教师提出了利用火箭探索整个太空区域的想法。罗伯特·戈达德，一位物理学家、教授和工程师，在创新和太空之光的时代，于1926年建造了第一枚液体燃料火箭并将其发射升空。火箭科学基于物理原理，并在物理概念的基础上运行，适用于小型纸火箭和NASA火箭。

随着这项火箭科学创新技术的出现，从不同地方打电话、观看电视等许多事情都成为可能。火箭科学基于对物理和气候现象的概念和理解，这些现象对于创新和创造力至关重要。

什么是火箭科学？

火箭科学被认为是航空航天工程的一个特殊分支。在数字化时代，火箭科学发挥着重要作用。简单来说，火箭科学是指创建或构建火箭的科学，这很难被理解或教授（Richardson & Carroll，2018）。

火箭科学有着广泛的用途和应用，从发射卫星到测试弹道导弹。火箭从最初的火药装置发展成为能够进入外太空的巨大飞行器。

图1：火箭科学中的火箭稳定性

火箭稳定性是火箭科学中至关重要的一部分。NASA在经过一定的旋转后声称，如果火箭的头部指向旋转方向，则火箭是稳定的，压力中心位于重心下方。如果火箭的尾部指向旋转方向，则认为火箭是不稳定的（Chandler 等人，2020）。火箭科学极其重要，因为它将卫星送入太空，在那里它们可以开始执行其基本工作。火箭推进的原理基于牛顿第三运动定律，该定律规定每个作用都有大小相等、方向相反的反作用。在物理学中，火箭也被描述为包含一定压力下气体的腔室。

火箭科学公式是什么？

火箭科学公式也被称为理想火箭方程或齐奥尔科夫斯基火箭方程。火箭科学的公式根据加速度和利用推力获得速度（基于动量守恒）来阐明飞行器的运动。

$$\mathrm{\Delta v\:=\:v_e l_n \frac{m_0}{m_f}\:=\:I_{sp}g 0 In\frac{m_0}{m_f}}$$

根据该方程，$\mathrm{\Delta v}$ 表示飞行器速度的变化量，m₀ 表示初始总质量（带推进剂的湿质量）。M_f 表示最终质量（不带推进剂的干质量）。$\mathrm{v_e: \:I_{sp}g0}$ 是有效排气速度，Isp：特定冲量，以时间维度表示。$\mathrm{g_0}$ 是标准重力，ln 表示自然对数函数。

火箭使用什么燃料？

在大多数液体化学物质中，火箭使用两种独立的推进剂，包括氧化剂和燃料。火箭中主要使用两种类型的燃料，即固体燃料和液体燃料。固体火箭燃料通常被认为效率和控制性较差。硝酸铵是固体燃料最典型的例子，它通常包含两种液体燃料，但它们以固态存在（Moats，2020）。液体燃料更受欢迎且被广泛使用，因为它包含氧化剂和燃料。最常用的液体燃料是液氧作为氧化剂，液氢作为燃料。NASA 使用氢气作为火箭燃料。NASA的氢气燃料电池技术用于不同的目的（Mishra、Jadhav & Akshay，2022）。该政府机构主要依靠氢气作为火箭燃料，将货物和人员送入太空。

火箭推力的原因是什么？

火箭发动机中储存的氧化剂和燃料在燃烧室中点燃。这种燃烧产生大量高温高压的废气。这种热废气通过喷嘴，有助于加速气流（Hashim、Karmakar & Roy，2019）。推力通常是根据牛顿的第三运动定律产生的。

图2：火箭推力方程

上图清楚地解释了火箭的推力方程。火箭需要推力，因为它可以使火箭穿过太空和空气（Hashim *等*，2018）。火箭产生的推力大小取决于三个参数，包括通过发动机的质量流量（m 点）、喷嘴出口处的压力$\mathrm{(p_e)}$ 和废气的出口速度$\mathrm{(V_e)}$。

火箭燃料如何在没有氧气的情况下在太空中燃烧？

火箭在太空中无法飞行。太空中没有空气供发动机燃烧。此外，太空中也没有空气供火箭推动。

图3：火箭科学

火箭携带液氧形式的氧化剂，以便在没有氧气的情况下在太空中燃烧。火箭中气体的压力在顶部更强，这使得火箭能够向前移动。

结论

火箭被认为是当今世界一项极其重要的创新，因为它激发了人们的想象力，并打开了探索宇宙奥秘的大门。火箭科学通常被用作航空航天工程的口语术语。通常，人们常说“这并非火箭科学”来表示一项非常简单的工作或任务。从这句话中可以清楚地看出，火箭科学虽然难度很大，但在现代世界中已被证明是有益的，并且使人类的生活变得更加便利。

常见问题

Q1. 火箭中有什么类型的能量？

A1. 储存在火箭燃料中的化学能转化为功和热。在燃料燃烧过程中释放出热能，功能则体现在火箭自身离开地面的能力上。

Q2. 火箭是用什么材料制成的？

A2. 火箭使用航空级钛或铝作为主框架，因为它们坚固且重量轻。未来的火箭设计甚至考虑使用碳复合材料结构。

Q3. 火箭有什么用途？

A3. 火箭用于将航天飞机和卫星送入太空。强大的发动机使航天器能够以高速进入太空并调整轨道。

Q4. 火箭科学是否被认为是最难的？

A4. 火箭科学被认为是极其困难的。航空航天工程结合了众多工程学科，工作量巨大，远超预期。