登陆注册
33386900000021

第21章 动量守恒与火箭

(第一节 )动量守恒定律

动量守恒定律是物理学中的重要定律之一。在惯性系统中,任何物质系统在不受外力作用或所受外力之和为零,它的总动量保持不变。这个定律是牛顿第二定律、作用和反作用定律联合应用于力学系统的必然结果。动量守恒定律的成立,不随这系统内部发生什么变化(碰撞、分裂、爆炸、化学反应等)而变。

系统动量守恒时其质心(即质量中心,是表征质点系质量分布的一个几何点。)保持作等速直线运动。动量守恒定律是对同一个惯性坐标系而言的,如果换以不同的惯性坐标系,那么这个总动鑫的数值和方向就相应地需要改变。这个定律对于接近于光速的相对论力学也成立。

在微观领域中粒子和粒子之间的散射也适合动量守恒定律。把光看成由光子组成的,频率为u的光子的动量为hυ/c,由康普顿效应证实,光子和电子的碰撞也适合动量守恒定律。所以动量守恒定律是物理学中的一个基本定律。

(第二节 )火箭

靠火箭发动机喷射工质(工作介质)产生的反作用力向前推进的飞行器。它自身携带全部推进剂,不依赖外界工质产生推力,可以在大气层内也可以在大气层以外飞行。火箭是实现航天飞行的运载工具。

1.原理

火箭是动景守恒定律最重要的应用之一。根据动量守恒定律,当一个系统向后高速射出一个小物体时,该系统就会获得与小物体相同大小但方向相反的动最,即系统就获得向前的速度。

多级火箭示意图

火箭发动机工作时,喷出的高速气体给予火箭本体一个反作用力,即推力,使火箭的速度产生变化。在飞行过程中,随着推进剂的消耗,火箭的质量不断减小,速度不断增大。齐奥尔科夫斯基首先推导出单级火箭所能得到的理想速度公式,称为齐奥尔科夫斯基公式。这个公式假设火箭在真空中飞行,而且不受地球重力的作用。从地面起飞的火箭要受到地球重力和空气阻力的作用,因此所得速度总比理想速度小。由于受到火箭发动机比冲和火箭结构水平的限制,用单级火箭通常难以达到第一宇宙速度,因此远程火箭和运载火箭往往使用多级火箭。多级火箭用两级或多于两级的火箭组成。

多级火箭工作时先点燃最下面一级,即第一级。第一级工作结束后被抛掉。随即点燃第二级,依此类推,直到带有有效载荷的末级将有效载荷送到预定轨道为止。多级火箭总的理想速度等于各级理想速度的总和。火箭的级数增加,初始重量就会减小。但级数过多系统会变得复杂,反而没有好处。最经济的级数是2~4级。多级火箭有三种图组合形式:串联、并联和混合式。

串联式火箭沿轴向连接成一个整体,结构紧凑,气动阻力小,发射设备简单。并联式火箭又称捆绑式火箭,各级沿横向连接,长度短,发射时所有的发动机可同时点火。并联式火箭的缺点是箭体横向尺寸大,发射设备复杂,费用高。在相同起飞重量的前提下,并联式火箭的运载能力稍低于串联式火箭。串联和并联同时使用的组合方式称混合式,它兼有上述两种方式的优点和缺点。多级火箭的分离方式有冷分离和热分离两种。冷分离是两级先分开,然后上面级点火。热分离则是上面级先点火,然后再使两级分离。

2.组成

火箭的基本组成部分有推进系统、箭体结构和有效载荷。有控火箭还装有制导和控制系统,有时还可根据需要在火箭上装设遥测、安全白毁和其它附加系统。推进系统是火箭飞行的动力源。固体火箭的推进系统就是固体火箭发动机。液体火箭的推进系统包括发动机、推进剂贮箱、增压系统和管路活门组。

箭体结构的作用是装载火箭的所有部件,使之构成一个整体。通常固体火箭发动机的壳体和液体火箭的箱体构成箭体结构的一部分。除此之外,还包括尾段、级间段、仪器舱结构和有效载荷整流罩等部分。箭体结构应有良好的空气动力外形。在完成相同功能的前提下,箭体结构的重量和体积越小越好。减轻箭体结构重量的途径,除设计技巧和工艺方法外,结构型式和材料的选择也很重要。

有效载荷是火箭所要运送的物体。火箭的用途不同,有效载荷也不同。军用火箭的有效载荷就是战斗部(弹头)。科学研究用的火箭的有效载荷是各种研究仪器。运载火箭的有效载荷则是人造卫星、载人和无人飞船或空间探测器等航天器。

3.分类

火箭根据能源的不同分为化学火箭、核火箭和电火箭等。化学火箭又分为固体火箭、液体火箭和混合推进剂火箭。此外,火箭还可以按有无控制、用途、级数、射程和其它原则分类。火箭的分类方法虽然很多,但工作原理和组成部分基本相同。

4.应用

火箭的应用包括军用和民用两大方面,范围广泛,从民间节日焰火用的小火箭到各种探空火箭直到将人送上月球的巨型运载火箭;从攻击陆地、水面和空中目标的各类导弹到攻击太空目标的反卫星火箭武器,还有利用火箭助推的鱼雷、靶机、火箭滑车、火箭飞机以及其它应用。以下是一些重要的应用实例。

①无控火箭弹(炮)。为近程无控单级火箭,带有弹头。通常设计简单,无制导系统,命中精度较差,但可多发齐射,覆盖面大,弥补精度之不足。可车载或机载发射,机动性较好,比火炮使用方便,破坏威力也较大。

②导弹。是带战斗部的有控火箭。近程战术导弹可由高精度制导系统控制,在攻击距离、命中精度和破坏威力方面远远超过火炮。远程地地导弹、防空导弹和反弹道导弹通常采用2级甚至3级火箭。远程地地导弹的射程可达数干至上万公里。这种导弹带有核弹头,命中精度高,可用来破坏敌方的军事要地、政治经济中心、交通枢纽等战略目标。

③运载火箭。通常由多级火箭组成,能将人造地球卫星、载人飞船和空间探测器等航天器送入预定轨道。它不受发射准备时间、机动性等作战条件的约束,而着重于提高运载能力,因而可以采用高性能的低温推进剂液氧和液氧。火箭的推力和级数取决于有效载荷和轨道速度要求。现代最大的运载火箭是“土星”5号运载火箭,总长约110米,起飞推力达3 335干牛或3 400吨力。

火箭的其它应用还包括:使飞行器旋转稳定的旋转火箭;姿态控制和末速修正用的微调火箭;多级火箭级间分离用的分离火箭;驾驶员座椅或座舱应急弹射用的救生火箭,以及信号火箭、雷达假目标火箭等。

20世纪40年代以来,火箭得到了飞速发展和广泛应用。火箭的结构日益庞大,系统越来越复杂,精度不断提高。人造卫星运载火箭的重最已由早期的近10吨提高到2900多吨,运载低轨道卫星的能力也由几公斤、几十公斤提高到120多吨。火箭将进一步向可靠性高、经济性好和多次使用的方向发展。化学火箭仍将占有重要的地位,电火箭将进入实用,太阳能火箭和光子火箭也有可能取得新的进展。

同类推荐
  • 高职教学管理研究与实践

    高职教学管理研究与实践

    高职教育是职业教育的最高层次,它与普通高等教育一起共同构成了我国现行高等教育体系。随着高等教育大众化时代的到来,高等职业教育获得了长足发展。特别是《职业教育法》和《国务院关于大力推进职业教育改革与发展的决定》的颁布实施,我国高等职业教育迎来了发展的大好时机。
  • 语文新课标课外读物——福尔摩斯探案

    语文新课标课外读物——福尔摩斯探案

    现代中、小学生不能只局限于校园和课本,应该广开视野,广长见识,广泛了解博大的世界和社会,不断增加丰富的现代社会知识和世界信息,才有所精神准备,才能迅速地长大,将来才能够自由地翱翔于世界蓝天。否则,我们将永远是妈妈怀抱中的乖宝宝,将永远是温室里面的豆芽菜,那么,我们将怎样走向社会、走向世界呢?
  • UFO与外星人之谜

    UFO与外星人之谜

    本书是关于外星人与UFO的科普读物。内容引用有关权威专家的著述和言论,将探索的触角指向地球文明之外的浩瀚苍穹,多角度、多层次地探秘外星生命与UFO,从而为读者揭开外太空生命现象的神秘面纱。内容丰富多彩,图文并茂。
  • 基督山伯爵

    基督山伯爵

    《基督山伯爵》一书描写的是法国波旁王朝时期发生的一个报恩复仇的故事。年轻的唐代斯是一个勇敢、正直的水手。他有慈爱的父亲、体贴爱慕的未婚妻,还有欣赏他的船主莫雷尔。本是前途无限的青年,却遭小人陷害被打入黑牢。在黑牢中,狱友法利亚神甫向他传授各种知识,并在临终前把埋于基督山岛上的一批宝藏的位置告诉了他。唐代斯在黑牢中度过了漫长的十几年,越狱成功后找到了宝藏,成为巨富,从此化名基督山伯爵。经过一番精心策划,唐代斯终于报答了恩人,惩罚了想置他于死地的仇人。本书为我国翻译家李玉民所译,全书语言生动、文笔流畅,情节跌宕起伏,迂回曲折,不仅为读者再现了波旁王朝复辟及七月王朝时期的社会形态,刻画了无休止的战争给人民带来的深重灾难,用细腻的文笔为读者揭示了真实的人性。
  • 语文新课标课外读物:皇帝的新衣

    语文新课标课外读物:皇帝的新衣

    现代中、小学生不能只局限于校园和课本,应该广开视野,广长见识,广泛了解博大的世界和社会,不断增加丰富的现代社会知识和世界信息,才有所精神准备,才能迅速地长大,将来才能够自由地翱翔于世界蓝天。否则,我们将永远是妈妈怀抱中的乖宝宝,将永远是温室里面的豆芽菜,那么,我们将怎样走向社会、走向世界呢?
热门推荐
  • 毛泽东与戏曲文化

    毛泽东与戏曲文化

    中国戏曲文化是中华民族的一个创造,也是代代人沉积的一份文化遗产。它是构建中华文化的一个重要部分。毛泽东很爱好、也很熟悉戏曲。他在倥偬之馀,和人民大众一同欣赏各种戏曲,聆听各家曲调,凡是民众所喜爱的,他也喜爱,如京剧、晋剧、豫剧、秦腔、越剧和昆曲。别人看戏听曲看热闹,评雅俗,而他却还常能从戏里找出富有哲理的学问,古为今用,并在现实生活,寻得有关政治斗争、策略战略、领导艺术、工作方法等方方面面的借鉴,作出与众不同角度的、颇见独特的点评……
  • 重生之白富美系统

    重生之白富美系统

    沐欢,长相清秀,也算是个小美人,却因一次意外、一道疤痕,改变了她原本的生活轨迹。“为什么要这么对我!我到底做错了什么……”“叮咚!宿主你好!我是重生系统666,未来就让我们一起走上逆袭白富美之路吧!”
  • 我找到了桃花源

    我找到了桃花源

    无限好书尽在阅文。
  • 妖界异闻录

    妖界异闻录

    一个少年如何克服孤独的故事。一群各怀异能的人因为妖界入侵奋起反击。却不知道一个更大的黑色漩涡等待着他们的到来。
  • 半个虚无世界

    半个虚无世界

    2112世界末日后地球已经毁灭,但是神秘力量使世界重新衔接,2120年男主无意掺入世界正邪对抗,并且一步步走向世界最强。
  • 从凡人到大帝的一条龙服务

    从凡人到大帝的一条龙服务

    杜文奇本是一名普通出租车司机,遇到奇怪的组织后,他开启了出租车了另一种用法……“嘿,前面那个兄台,要不要体验一下穿越者的巅峰人生?”
  • 天行

    天行

    号称“北辰骑神”的天才玩家以自创的“牧马冲锋流”战术击败了国服第一弓手北冥雪,被誉为天纵战榜第一骑士的他,却受到小人排挤,最终离开了效力已久的银狐俱乐部。是沉沦,还是再次崛起?恰逢其时,月恒集团第四款游戏“天行”正式上线,虚拟世界再起风云!
  • 不做财务白痴:36个趣味财务常识

    不做财务白痴:36个趣味财务常识

    本书依据我国有关财务、会计工作的法律法规及制度、准则,从企业日常财务工作出发,以小故事的形式,介绍了在企业财务会计工作中应用到的常识,以帮助初做会计和初创企业的人员学习、使用。
  • 次元剑道

    次元剑道

    人族帝师星云子于无量量劫坐化,临终把一身修为道果传于祖星人族小子王权,王权终成无敌之身,代替帝师守卫人族诸天,我们的故事,从狐妖小红娘开始!欢迎加入次元剑道,粉丝群聊号码:392165112
  • 御瞳界

    御瞳界

    御瞳界,一个伟大神奇的世界。在这里有或强大,或神奇,或诡异,或邪恶的神通瞳术。这里是每一个渴望强大者实现梦想的舞台,是雏鹰展翅纵横的黄金时代!一个身负血仇的山野猎人沾染着弟弟的鲜血,开启了一双古老的传承之眼,踏上了一段原本不属于他的修行之旅,搅动着波澜壮阔的大时代风云。