太空中没有空气,飞行器的推力从哪里来?
太空中没有空气,并不是就没有了反作用力,只不过与地球上取得的反作用力方式稍有不同而已。
反作用力是与“作用力”相对,大小相等、方向相反的力。
在地球上,有摩擦力和阻力,因此要移动一个物体,就要克服这两个力,所花费的能量就需要更大。在太空中,没有空气阻力和摩擦力,因此只需要花费较小的动力,就能够获得更大的推力。
人或动物走路,是通过脚向后蹬地获得反作用力,就会往前移动;就是你坐在椅子上,要起身,也是需要一个向下的力才能够站起来。汽车通过动力系统,带动轮胎旋转与地面的摩擦,往后面推地,使汽车前行。在行进过程中需要克服摩擦力和空气阻力,因此动力的相当一部分会消耗在这上面。
轮船在水中航行,依靠动力驱动螺旋桨,把水往后面推,轮船就往前走,这也是利用反作用力。但由于轮船是陷在水里前进,水的阻力很大,航速就很难提升。
飞机在空中,螺旋桨飞机是往后面推空气,获得反作用力前行,而喷气式飞机是靠喷出气流的反冲作用来获得反作用力的。由于飞机只要克服空气的阻力,这比克服地面摩擦力和水的阻力小多了,因此飞机飞得很快。
子弹炮弹导弹高速飞行,也是依靠火药或者燃料燃烧,高速往后面喷射气体,获得反冲力,推动自己前行。
我们可以看出,在地球上所有的运动都是通过反作用力进行的。
到了太空,没有空气了,但通过向后面喷射气体,使太空飞行器获得反冲力,这依然是靠反作用力飞行。到了太空,空气稀薄,甚至处于相对真空状态,这时候的空气动力学就不起作用了,因此螺旋桨类的发动机就不起作用了,因为没有什么可搅动的,无法靠推动空气产生反作用力。
但通过反冲力产生反作用力,这种力并没有消失,与真空不真空没啥关系。
而且太空各种阻力都消失了,因此飞行器喷出的气体所做的功效率就很高,只要很小的力就能够推动飞行器快速飞行。
太空飞船绝大多数时间都是依靠惯性飞行,只是在提速和姿态调整时才会启动发动机,往外喷气,飞船会随着喷气的反方向做出调整。喷出的气体往后,飞船就往前加速;往左,飞船就会往右调整。以此类推,这就是反作用力的体现。
但有一点必须说明,燃烧是需要氧气的,没有氧气,化学燃料是无法燃烧的。现在的航空器和航天器主要采用的都是化学燃料。在地球上所有的发动机都可以在空气中吸取氧气来助燃,而航天器一旦脱离大气层,就在相对真空中运行,太空中没有氧气,就必须自带氧来解决。
要带很多氧气上天是不现实的,于是人类就发明了氧化剂。火箭发动机是航天专用发动机,是利用冲量原理,自带推进剂,不依赖外界空气的喷气发动机。
这种发动级与飞机发动机的原理是一样的,主要区别就是一个需要空气,一个不需要空气。
火箭发动机是通过泵或者高压气体使氧化剂和燃料分别进入燃烧室,两种推进剂成分在燃烧室混合并燃烧,使之变成高速喷射流产生推力。
推进剂有固体或液体推进剂(由氧化剂和燃料组成)两种,在燃烧室中高压(10-200 bar)燃烧产生燃气。
在太空航行中,一般用于调姿发动机就叫反作用控制系统,就是用于调整飞行器的方向和姿态。这种反作用控制系统有冷气射流姿控发动机和热燃气射流姿控发动机两种。
热燃气射流发动机就是上面说的火箭发动机,而冷气射流姿控发动机使用的是压缩气体,不需要燃烧。一般使用氮气为工质,由充气开关、高压气瓶、点爆阀、减压器、电磁阀和推力室组成。
我们在观看影视看到的飞船飞行过程,船体两侧或前后间歇式喷射气体,就是冷气射流调姿发动机在工作。
火箭发动机的燃料目前主要还是采用化学染料,随着科学的进步,以后会有越来越先进的发动机,如等离子发动机、核聚变发动机、光帆等,甚至在未来很可能实现反物质发发动机驱动,这样航天器就能够获得更大更持久的推力,飞向更遥远的深空。
就是这样,欢迎讨论。
时空通讯专注于老百姓通俗的科学话题,感谢粉丝朋友们一直以来的关注支持与厚爱。
原创版权,未经许可的任何转载与内容引用均视为侵权抄袭行为,将受到法律责任追究,敬请理解与合作。
2024-03-11 广告
反作用力是与“作用力”相对,大小相等、方向相反的力。
在地球上,有摩擦力和阻力,因此要移动一个物体,就要克服这两个力,所花费的能量就需要更大。在太空中,没有空气阻力和摩擦力,因此只需要花费较小的动力,就能够获得更大的推力。