火箭发动机工作原理

迄今为止，人类从事的最神奇的事业就是太空探索了。它的神奇之处很大程度上是因为它的复杂性。太空探索是非常复杂的，因为其中有太多的问题需要解决，有太多的障碍需要克服。所面临的问题包括：

• 太空的真空环境
• 热量处理问题
• 重返大气层的难题
• 轨道力学
• 微小陨石和太空碎片
• 宇宙辐射和太阳辐射
• 在无重力环境下为卫生设施提供后勤保障

但在所有这些问题中，最重要的还是如何产生足够的能量使太空船飞离地面。于是火箭发动机应运而生。

一方面，火箭发动机是如此简单，您完全可以自行制造和发射火箭模型，所需的成本极低（有关详细信息，请参见本文最后一页上的链接）。而另一方面，火箭发动机（及其燃料系统）又是如此复杂，目前只有三个国家曾将自己的宇航员送入轨道。在本文中，我们将对火箭发动机进行探讨，以了解它们的工作原理以及一些与之相关的复杂问题。

火箭发动机基本原理

	火箭发动机工作原理

当大多数人想到马达或发动机时，会认为它们与旋转有关。例如，汽车里的往复式汽油发动机会产生转动能量以驱动车轮。电动马达产生的转动能量则用来驱动风扇或转动磁盘。蒸汽发动机也用来完成同样的工作，蒸汽轮机和大多数燃气轮机也是如此。

火箭发动机则与之有着根本的区别。它是一种反作用力式发动机。火箭发动机是以一条著名的牛顿定律作为基本驱动原理的，该定律认为“每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力”。火箭发动机向一个方向抛射物质，结果会获得另一个方向的反作用力。

开始时您可能很难理解“抛射物质，获得反作用力”这个概念，因为这好像­和真实情况不大一样。火箭发动机似乎只会发出火焰和噪音，制造压力，而与“抛射物质”没什么关系。我们来看几个例子，以便更好地了解真实情况：

• 如果您曾经使用过猎枪，特别是那种12铅径的大猎枪，那么您就知道它会产生巨大的“撞击力”。也就是说，当您开枪时，猎枪会狠狠地向后“撞击”您的肩膀。这种撞击力就是反作用力。猎枪将31.1克的金属以大约1120公里/小时的速度沿某个方向发射出去，同时您的肩膀会受到反作用力的撞击。如果您开枪时穿着轮滑鞋或站在滑雪板上，枪会起到类似于火箭发动机的作用，反作用力会使您向相反的方向滑动。
• 如果您见过粗大的消防水管喷水的场景，可能会注意到消防员要花很大的力气才能抓住它（有时您会看到有两名或三名消防员手持同一根消防水管）。水管发生的情况与火箭发动机类似。水管向一个方向喷水，消防员们则运用自身的力量和重量来克服反作用力。如果他们放开水管，那么水管会劲头十足地四处乱撞。如果消防员全都站在滑雪板上，水管将推动他们以极快的速度向后移动。
• 如果您吹起一个气球，然后放开它，那么它会满屋子乱飞，直到里面的空气漏光为止，这就是您制造的火箭发动机。在这种情况下，被抛射出去的是气球中的空气分子。与许多人的想法不同，空气分子其实是有质量的（请查看有关氦的页面，以便更好地了解空气质量的问题）。如果您让空气从气球的喷口中喷出来，气球的其余部分则会向相反的方向运动。

太空棒球赛的场景

想像下面的情景：您穿着一套太空服，飘浮在航天飞机外的太空中，您的手中恰好有一个棒球。

如果您把棒球扔出去，反作用力会使您的身体朝与棒球相反的方向移动。身体离开的速度，是由您扔出的棒球的质量和您使它获得的加速度决定的。质量与加速度相乘即为作用力的大小(f=m*a)。无论您向棒球施加的力有多大，它和作用在您身体上的反作用力总是大小相等(m*a=m*a)。所以，我们不妨假设棒球的质量为1磅，而您的身体与太空服的总质量为100磅。您以9.75米/秒（33.8公里/小时）的速度将棒球扔出去。也就是说，您用手臂加速质量为1磅的棒球，使它获得33.8公里/小时的速度。您的身体将受到反作用力，但身体的质量是棒球的100倍。因此，它向相反方向运动的速度是棒球的百分之一，即0.098米/秒（0.338公里/小时）。

如果想让棒球产生更大的推力，您有两个选择：增大棒球的质量或提高它的加速度。您可以扔出一个质量更大的棒球，或接连不断地扔出多个棒球（增大质量），也可以用更快的速度将棒球扔出去（提高它的加速度）。不过，您能采取的方法也仅此而已。

­ NASA 供图 这是在美国密西西比州的汉考克郡进行的一次发射测试中， 由一台远程照相机拍摄的航天飞机主发动机的特写照片。

火箭发动机通常抛射的是高压气体形式的物质。发动机向某个方向喷出气体物质，以获得相反方向的反作用力。这些物质来自火箭发动机燃烧的燃料。燃烧过程使燃料物质得以加速，使之以极高的速度从火箭喷口喷出。燃料在燃烧过程中由固态或液态转化为气体，但并不会使其质量发生变化。如果您燃烧一斤火箭燃料，那么就有一斤排出物以高温高速的气体形式从喷口喷出。形态发生了改变，但质量则保持不变。而燃烧过程会加快物质的速度。

下面我们来了解有关推力的更多知识。