火箭发动机的推力原理

 

 

很多人会问这样一个问题：

 

火箭在大气中依靠空气，也就是作用力与反作用力，来获得推力，把火箭推向太空。那么，太空中没有空气，没有反作用力了，又是什么原理呢？

 

提出这样一个问题的人，他们只是关注到了“太空中没有空气”这样一个事实，但却忽略了“火箭还是那个火箭”这样一个事实。

 

有人觉得：火箭在大气中的飞行原理是牛顿第三定律，而在太空中飞行则是动量守恒原理。

 

同样一枚火箭，在大气中飞行与在真空中飞行，只是空间发生了变化，难道飞行原理就变了？

 

显然，这样的解释是不合逻辑的。那么，如何理解呢？

 

其实，道理很简单。“牛顿第三定律”与“动量守恒原理”是一个道理，而且，“动量守恒原理”就是由“牛顿第三定律”推导出来的。在现代物理学中，动量守恒定律、能量守恒定律与角动量守恒定律相比牛顿定律更为普遍适用，它们既应用于光，也应用于物质；既应用于经典物理学，也应用于非经典物理学。

 

一句话：“牛顿第三定律”与“动量守恒原理”是从不同角度来解释火箭的飞行原理！

 

具体来讲，“牛顿第三定律”（动力学）认为，两个物体之间的作用力和反作用力，总是同时在同一条直线上，大小相等，方向相反。火箭喷出气体之后，无论在有空气的空间内还是没有空气的空间内，都会发生膨胀（化学过程加上物理过程），这就是说，火箭（化学反应空间）本身给了这个气体一个作用力，所以，火箭得到了一个反作用力。

 

“动量守恒原理”（动量学）认为，火箭与喷出的气体，是一个整体，这个整体的动量是守恒的。当气体膨胀时产生压力，这个压力使得火箭和气体同时获得了一个方向相反的冲量，冲量就是动量的变化量（即力的作用改变了动量），而总的动量就是火箭的动量加上气体的动量。气体动量往后，火箭动量则往前，实现动量平衡。

 

最后，有几个概念问题：

 

1，有人把火箭的反作用力和划船相比，桨向后划给水一个力，水再给桨一个反作用力，桨再把力传给船。这个比喻使人产生误解，误认为火箭在空气中如同船在水中，没有空气，火箭得不到反作用力。

 

    2，发明火箭就是为了在真空中运行的。原理如下：想象我们的简易火箭竖直向上漂浮在真空中，静止不动。这简易火箭最下面固定着一个平板，燃料和氧化剂管出口就在平板下方，喷出燃料燃烧产生大量气体。气体向前后左右上下六个方向自由膨胀，其中向上膨胀的部分气体作用在平板上，就能推动真空中的火箭上升。但这样向其他五个方向膨胀的气体都浪费了，真实的火箭发动机把这个平板向下弯成一个梨型的容器，将燃料和氧化剂出口包在内部，并仔细设计形状，使气体作用在容器内壁向上的力最大。实际上，火箭发动机在真空中的效率是最高的，在空气中，由于空气阻碍气体喷出，会使发动机效率降低。

 

    3，火箭有没有反作用力跟空气无关，空气的存在，只是增加了阻力和浮力；而在太空，反作用力会比在地球上的反作用力更加轻松，因为在地球中存在着介质阻力和摩擦力。

 

4，飞机在空气介质中前进，而太空船则是在真空中飞行。牛顿第三运动定律在太空船的飞行中同样起作用。如果太空船要转弯，它必须向预定前进方向的反方向喷射火箭推进器（喷出的物质是灼热的气体）。太空船共有三个旋转轴：俯仰、滚转和偏航。如果飞行员希望向右转，火箭推进器会向左喷射，通常滚转和偏航推进器也要同时喷射。这种机动推进器分布在太空船体的各个不同位置，可使太空船在三个旋转轴上运动。因此，太空船在转弯时就像是突然在一个方向（或多个方向同时）发生翻转，而不是发生平滑的横向倾斜。

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