火箭能在太空发射的原理（巨大的火箭和飞船是靠什么驱动的）

1火箭的真正的迷人之处在于它同时把极简与繁复聚集一身。火箭特别简单，你或我都可以去最近的专卖店，然后造一个我们自己的简易火箭模型。但火箭又特别复杂，事实上只有三个国家实现了用火箭把人类送入太空。

图解:太空中火箭的运动受牛顿第三运动定律的支配（照片来源：3dsculptor/Fotolia）

2无论是小巧且简易制作的火箭模型和巨大航天飞机的工作都要归功于1600年牛顿揭示出的原理。牛顿第三定律的描述：对于每一个作用力，都存在一个相反且大小相等的反作用力。让我们一起想一想，在没有学习火箭术语的情况下第一次看到两例子会怎样。首先，正如一个先前Karen Masters提及的一个问题。当你让空气从一个气球中跑出来时，这个气球不会只停留在原地，它会在房间中乱窜。这个作用力是从气球中跑出的空气产生的，反作用力表现为气球被迫向相反的方向运动。

图解：当我们向后踩地面，它推动我们前进；这就从根本上阐明了我们是如何走路的。（图片来源： Pixabay）

3火箭按类似的方式工作——大量的燃料在火箭尾部加速燃烧（作用力），因此火箭被迫向前移动（反作用力）。不断推动火箭向前力的合力叫做“推力”。燃料从火箭尾部喷射地越快，喷射出的燃料越多，这样产生的推力就会越大，火箭向前运动地将越快。同样的，如果你轻轻地把足球扔给你的朋友，你不会在滑板上滑太得远，至少不会像你把足球用力地扔给你朋友时滑得那么远。

4是什么能使制作简易火箭模型如此简单？额，其中一个原因是，一旦火箭模型发射，他们不需要受到控制，这也是他们用固体燃料的原因。这类固体燃料在快速燃烧时不会爆炸（更多信息参考之前回答过的问题）。当燃料燃烧时，燃料在变成气体的过程中从火箭的尾部释放。这样的火箭模型用的是简单的固体燃料（这样成本也会更低），但是你一旦点火，火箭便不受控制地飞起来了。你既不能阻止燃烧的过程也不能让这个“火箭”再一次升空。这种缺少自主控制的特点也是固体燃料火箭常用做模型和导弹的原因。

图解：燃料和氧化剂结合在火箭内部以开始燃烧反应

5航天飞机显然需要能够控制才能变得有用，所以他们需要用液体燃料。这种燃料（例如液态氢，汽油，煤油）被送入一个有氧化剂（像液氧）的燃烧室，然后燃烧变成一种压力特别高的气体。这种气体从火箭的尾部释放，推动航天飞机的其余部分向前移动。在这个过程中没有质量损失，这样的话无论我们开始时有多少质量的液体，它们都将转变成气体。

这些气体从火箭中释放的速度一般在8047千米/小时到16093千米/小时！请记住我们所说的有两种方法可以获得更大的推力（换句话说，一个更强的火箭），那就是携带更多的燃料或者把燃料加速到更快的速度。即使16093千米/小时已经非常快了，有关航天飞机的一个重要问题是你需要巨量的燃料去驱动一个正常大小的航天飞机。一个重约91吨的普通的航天飞机（包含内部人员和设备），它发射需要大约1814吨燃料！你可以看到燃料的重量远远超过火箭自身的重量。

图解：使用固体推进剂发射的火箭。 （图片来源：Steve Jurvetson / Wikimedia Commons）

为什么火箭可以在太空中移动？艾萨克·牛顿和他的牛顿定律给出了他那时的解答，但是我并没发现牛顿的这个解释使我们自身增长对此的理解。假设太空实质上是一个真空，而且包含很少的粒子，宇宙飞船通过推动什么来驱动他们自身？为什么会这样工作？太空是什么样的呢？如果一个在太空中的宇航员，他们不能推动他们自身吗（？），那么为什么一艘飞船可以？

首先，仔细地重读以上的回答。你读完了吗？那也许对你有帮助也许没有，火箭是一个复杂的概念会萦绕在你脑海。他们怎样工作的关键就在“简单”的牛顿定律中，但要正确地应用它是困难。耐心地等待我，我将用一些简单的方程式帮助我来解释。

图解：将要装载在信使号航天器中的燃料供应（含有肼作为燃料）

火箭工作的最重要的一点是动量守恒定律（或对低年级的学生用这个简单的解释）。讨论你现在坐在上述提及的滑板上（这就像一个宇航员漂浮在太空）。动量是由这个方程式给出的

Momentum = Mass x Velocity（动量=质量×速度）

如果你只是坐着不动，你的速度为零，这意味着你的动量也为零。假设现在你从你那里扔了某些东西，例如类似足球这样的东西。那个足球具有一定的重量，你从你那里给了足球一定的速度。这意味着足球具有了一定的动量。

Momentum of Football = Mass of Football x Velocity of Football（足球的动量=足球的质量×足球的速度）

但是我们开始的动量为零，根据宇宙的性子，你总是具有相同大小的动量。所以我们怎样做才能抵消足球的动量让宇宙再一次高兴起来？对于你来说唯一的解决途径是获得足球得到的那部分相同大小的动量，但方向是相反的，这样一来当你把这部分动量加进方程式，你的动量才会变成零!

Total Momentum = Mass of Football x Velocity of Football Your Mass x Your Velocity = 0（总动量=足球的质量×足球的速度＋你自身的质量×你自身的速度）

这些加起来等于零是因为远离你的速度是和你的自身的速度方向相反，所以你可以称他们中的一个被抵消了。要记住：速率只是你运动得多快；速度是具有方向的速率。

图解：三角洲四号运载火箭

现在我们回到之前的火箭上来，假设让我们用足球代替火箭，你有一个机枪。如果你从静止开始，然后机关枪开火几秒钟后将会发生什么？每一颗你打出的子弹具有一定质量和一个远离你的速度，这意味着每颗子弹会给你一个较小的速度。你的质量比每颗子弹的质量大得多，所以对每颗子弹使你获得的速度大小会非常小。

在这个方程式中，每当我们打出100颗子弹： Total Momentum = 100 x Bullet Mass x Bullet Velocity Your Mass x Your Velocity = 0（总动量=100颗子弹的质量×子弹的速度＋你的质量×你的速度=0）

同样的，我们只是把来自每颗子弹的动量加起来作为它们给你的一个相反方向的动量。

图解：火箭发动机

最后，抛开机枪，拿起灭火器。当你用灭火器给外界一个冲击波，被压缩的二氧化碳气体迅速地跑出来。你可以认为每个独立的分子的运动就像上文的每一颗子弹那样，它是微小的，但是它运动得很快，为了平衡所有这些分子的动量，你朝着反方向运动。（如果你还是疑惑可以查看这段视频）

那个灭火器就是一艘“火箭”啊！如果你在外太空并打开阀门，二氧化碳仍会迅速地跑出来，你也仍会向反方向飞去！这与灭火器推动自身周围的气体无关，这一切都是动量守恒。如果你在某一方向发射很多很快的小东西（分子），合计起来它可以使一个巨大的物体向某个方向移动。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. Sabrina Stierwalt-四周

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