航天飞机和火箭的驱动原理
1火箭的真正魅力在于它将极简主义和复杂性结合在一起。火箭非常简单。你或我可以去最近的商店，造一个我们自己的简单火箭模型。然而，火箭特别复杂。事实上，只有三个国家使用火箭把人送上太空。
图解:太空中火箭的运动受牛顿第三运动定律的支配（照片来源：3dsculptor/Fotolia）
2无论是小型简单的火箭模型还是大型航天飞机，这项工作都可以归功于牛顿在1600年揭示的原理。牛顿第三定律的描述:对于每一个力，都有一个相反且相等的反作用力。让我们在不学习火箭术语的情况下第一次考虑一下。首先，正如凯伦·马斯特斯之前提到的一个问题。当你让空气从气球中流出时，气球不仅会停留在原位，还会在房间里四处走动。这个力是由气球中流出的空气产生的，反作用力表明气球被迫向相反的方向运动。
图解：当我们向后踩地面，它推动我们前进；这就从根本上阐明了我们是如何走路的。（图片来源： Pixabay）
3火箭的工作原理相似——大量的燃料加速了火箭尾部的燃烧(作用力)，所以火箭被迫向前运动(反作用力)。推动火箭前进的合力叫做“推力”。燃料从火箭尾部降落得越快，释放的燃料就越多，这样推力就越大，火箭前进得也就越快。同样，如果你轻轻地把足球扔给你的朋友，你就不会在滑板上滑得太远，至少不会像你用力把足球扔给你的朋友那样远。
4是什么让制作一个简单的火箭模型变得如此容易？其中一个原因是，一旦火箭模型被发射，它们就不需要被控制，这就是为什么它们使用固体燃料。这种固体燃料在快速燃烧时不会爆炸(更多信息请参考之前回答的问题)。当燃料燃烧时，它在变成气体的过程中从火箭尾部释放出来。这种火箭模型使用简单的固体燃料(因此成本会更低)，但是一旦你点燃，火箭将无法控制地飞行。你既不能停止燃烧过程，也不能让这个“火箭”再次升空。缺乏自主控制也是固体燃料火箭经常被用作模型和* *的原因。
图解：燃料和氧化剂结合在火箭内部以开始燃烧反应
5航天飞机显然需要可控才能发挥作用，因此它们需要液体燃料。这种燃料(如液态氢、汽油、煤油)与氧化剂(如液氧)一起被送入燃烧室，然后燃烧成极高压力的气体。这种气体从火箭尾部释放出来，推动航天飞机的其余部分向前。在这个过程中没有质量损失，所以不管一开始我们有多少质量的液体，它都会转化成气体。
火箭释放这些气体的速度一般在8047千米/小时到16093千米/小时之间！请记住，有两种方法可以获得更大的推力(换句话说，一个更强的火箭)，即携带更多的燃料或加速燃料到更快的速度。尽管16093千米/小时的速度非常快，但是航天飞机的一个重要问题是你需要大量的燃料来驱动一架正常大小的航天飞机。一架重约91吨的普通航天飞机(包括内部人员和设备)需要约1814吨燃料才能发***可以看到燃料的重量远远超过火箭本身的重量。
图解：使用固体推进剂发射的火箭。 （图片来源：Steve Jurvetson / Wikimedia Commons）
为什么火箭能在太空中移动？艾萨克·牛顿和他的牛顿定律当时给出了答案，但我没有发现牛顿的解释增加了我们自己对它的理解。假设空间本质上是一个真空，包含很少的粒子，宇宙飞船推动什么来驱动自己？你为什么这样工作？太空是什么样的？如果一个宇航员在太空，他们不能推动自己吗？)，那么为什么飞船可以？
首先，仔细重读上面的答案。你读完了吗？那可能对你有帮助，也可能没有。火箭是一个会困扰你的复杂概念。它们如何工作的关键在于“简单的”牛顿定律，但是很难正确地应用它。耐心等我，我会用一些简单的方程来帮我解释。
图解：将要装载在信使号航天器中的燃料供应（含有肼作为燃料）
火箭工作最重要的一点是动量守恒定律(或者用这个简单的解释来解释初中生)。讨论你正坐在上面提到的滑板上(它就像一名宇航员漂浮在太空中)。动量由以下等式给出:动量=质量×速度(动量=质量×速度)
如果你只是坐着不动，你的速度是零，这意味着你的动量也是零。假设你现在扔东西，比如足球。足球有一定的重量，你给了它一定的速度。这意味着足球有一定的势头。
Momentum of Football = Mass of Football x Velocity of Football（足球的动量=足球的质量×足球的速度）
但是我们从零动量开始。根据宇宙的气质，你总是有同样的动力。那么，我们能做些什么来抵消足球的势头，让宇宙再次快乐起来呢？对你来说，唯一的解决办法是获得与足球相同的动量，但是方向相反，所以当你把这个动量加到等式中，你的动量将为零！
Total Momentum = Mass of Football x Velocity of Football + Your Mass x Your Velocity = 0（总动量=足球的质量×足球的速度＋你自身的质量×你自身的速度）
这些加起来等于零是因为远离你的速度是和你的自身的速度方向相反，所以你可以称他们中的一个被抵消了。要记住：速率只是你运动得多快；速度是具有方向的速率。
图解：三角洲四号运载火箭
现在让我们回到之前的火箭。让我们假设你有一把机关枪而不是足球。如果你开始休息，然后机枪开火几秒钟，会发生什么？你射出的每颗子弹都有一定的质量和远离你的速度，这意味着每颗子弹都会给你一个较小的速度。你的质量比每颗子弹大得多，所以你每颗子弹的速度会很小。
在这个方程式中，每当我们打出100颗子弹： Total Momentum = 100 x Bullet Mass x Bullet Velocity + Your Mass x Your Velocity = 0（总动量=100颗子弹的质量×子弹的速度＋你的质量×你的速度=0）
同样的，我们只是把来自每颗子弹的动量加起来作为它们给你的一个相反方向的动量。
图解：火箭发动机
最后，抛开机枪，拿起灭火器。当你用灭火器给外界一个冲击波，被压缩的二氧化碳气体迅速地跑出来。你可以认为每个独立的分子的运动就像上文的每一颗子弹那样，它是微小的，但是它运动得很快，为了平衡所有这些分子的动量，你朝着反方向运动。（如果你还是疑惑可以查看这段视频）
那个灭火器是个“火箭”！如果你在外太空，打开阀门，二氧化碳还在出来，你仍然在向相反的方向发展！这不是关于灭火器在气体周围推动，所有这些都是动量守恒。如果你向某个方向发射许多快速的小东西(分子)，它可以使一个巨大的物体向某个方向运动。
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