火箭點火升空,攜帶探月器前往月球,而登月艙在月球執(zhí)行完任務(wù)后,又會再次點火升空返回地球,等一等,月球和地球不同,月球是一個近乎于真空的環(huán)境,其大氣壓力約為10的-10次方帕斯卡,在這樣的環(huán)境下探月器如何點火,又如何升空呢?
所謂的點火,實際上就是讓可燃物燃燒起來,而在地球上點火是一件理所當然的事情,因為地球大氣中氧氣的含量約為21%,所以一般情況下,我們在點火之前是不會考慮氧氣問題的,這也使我們忘記了氧氣在燃燒過程中的重要地位。事實上我們可以簡單將燃燒理解為可燃物與氧化劑之間的化學反應(yīng),在燃燒的過程中,可燃物與氧化劑是缺一不可的。在地球上,氧氣就是天然的氧化劑,所以在點火之前,我們通常只需要準備好可燃物,然后為其提供一定的熱量,它就可以熊熊燃燒起來。
不過即使在地球上,只依靠空氣中的氧氣來充當氧化劑,也并不能夠滿足所有情況下的需求。
因為地球空氣中的氧氣含量僅為21%,所以這就限制了燃燒所能夠達到的溫度。如果我們想要獲得高溫燃燒,比如300攝氏度以上的燃燒,那么就必須要額外添加氧化劑了。
舉個例子,比如我們在空氣中設(shè)法點燃乙炔,那么會由于燃燒不充分,而達不到過高的溫度,但如果我們將氧氣和乙炔混在一起,那么則能夠產(chǎn)生300度以上的高溫,乙炔焊接就是這一原理。由于乙炔焊接不需要空氣中的氧氣,所以即使是在真空環(huán)境之下,也是可以使用的。既然可以在真空環(huán)境下進行焊接,那么在真空環(huán)境下自然也就可以為探月器點火。
無論是從地球升空的火箭,還是從月球升空的登月艙,都是要攜帶氧化劑的。
說到火箭的氧化劑,早期火箭所使用的氧化劑是液氧以及過氧化氫,所以這種火箭又被稱之為液體火箭,現(xiàn)在基本上已經(jīng)不用了?,F(xiàn)在的火箭之中攜帶的是固體的藥柱,火箭藥柱實際上就是一種固體燃料,這種固體燃料攜帶方便,而且可以根據(jù)火箭的需求設(shè)計成不同的幾何形狀,常見的藥柱形狀有柱形和球形。
有了火箭藥柱,就不需要再借助于空氣中的氧氣了,只需要配備一個點火裝置,就可以順利完成點火的過程,因此即使是在近乎于真空的月球之上,登月艙的上升段也能夠輕松完成點火。既然點火不是問題,那么就剩下升空了,月球上沒有大氣,那么登月艙的上升段是如何產(chǎn)生推力的呢?
火箭發(fā)動機和噴氣式飛機所使用的噴氣發(fā)動機其實是非常類似的。在地球上我們看到噴氣式飛機呼嘯而過,會產(chǎn)生一個誤會,那就是飛機是靠向后推動氣體來使自身向前飛行的,實則不然。
無論是火箭也好、飛機也罷,它們之所以能夠前進,依靠的是反作用力。只要我們向一個方向施加了一個作用力,那么就一定會產(chǎn)生一個與作用力方向相反、大小相等的反作用力。這是牛頓第三定律所告訴我們的。噴氣式飛機向后噴射物質(zhì),會產(chǎn)生一個向后的作用力,與此同時會產(chǎn)生一個向前的反作用力推動飛機前行,唯一與火箭不同的是,由于大氣的存在,飛機向后噴射的物質(zhì)會推動氣體,而被推動的氣體也會產(chǎn)生一個推動飛機前行的反作用力。月球上雖然沒有大氣,登月艙點火之后向下噴射的物質(zhì)不會作用于空氣,但這并不影響其所噴射物質(zhì)所產(chǎn)生的反作用力的出現(xiàn)。
登月艙點火之后,可燃物與氧化劑產(chǎn)生化學反應(yīng),物質(zhì)向后噴射而出,產(chǎn)生了一個向下的作用力,與此同時一個力量相等的反作用力產(chǎn)生了,推動登月艙完成升空。
雖然月球上沒有空氣,但升空反而更加容易,因為沒有了空氣,也就沒有了阻力,且月球的引力要比地球小得多,只有地球引力的六分之一左右,所以登月艙根本不需要火箭發(fā)射塔,只需要將登月艙的下降段作為發(fā)射架,上升段就可以順利點火升空了。升空以后的登月艙會非常輕松地進入環(huán)月軌道,并與等候在那里的服務(wù)艙以及指令艙實現(xiàn)對接,之后服務(wù)艙點火,同樣是在近乎于真空的宇宙中利用所產(chǎn)生的反作用力回到地球軌道。
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