火箭升空的原理

金仲辉

湖南省资兴市州门司镇中学黄巧强同学问：“搭载‘嫦娥一号的‘长征三号甲运载火箭的工作原理是怎样的？”侯要权同学问：“火箭升空靠气体的反冲作用而获得动力，当火箭进入大气层外的真空环境后是靠什么来提供动力？”我们现在试着来回答两位同学的问题.

火箭升空的工作原理都是相同的，每一级火箭的内部都有两个燃料箱，它们分别装有氧化剂和燃烧剂，所以火箭工作时与其环境中是否有氧气毫无关系.在火箭工作时，使其内的氧化剂和燃烧剂充分混合，燃烧产生的气体从火箭发动机的喷口中高速喷出，从而形成对火箭的推力，这个推力使火箭带着航天器（人造卫星、宇宙飞船、空间站等）进入太空.由火箭喷出的高速气体形成对火箭的推力，情况与一门大炮发射一颗炮弹后，大炮受到的反冲力是相似的.那么大炮的反冲力是如何形成的呢？我们可以这样看，未发射前的炮弹是静止的，发射后的炮弹获得了一个很大的速度，那就是说，在很短的一段时间内炮弹的速度有很大的变化，即炮弹获得了一个很大的加速度（单位时间内速度的改变量，高中将学到），炮弹所以获得很大的加速度可看做是大炮给予炮弹一个很大的力，于是根据牛顿第三定律，炮弹给予大炮一个等值、方向相反的力，这就是形成大炮反冲力的原因.

我们知道，地球人造卫星要达到一定的发射速度（第一宇宙速度7.9 km/s)才能进入环绕地球的运动轨道.那么升空的火箭所能达到的速度与哪些因素有关呢？为了弄清楚这个问题，我们先介绍一个物理量，即动量（高中物理将学到）.物体的动量定义为它的质量m与其速度v的乘积，即mv.由于速度是一个有方向的物理量，所以动量也是一个有方向的物理量.物理学中有一个很重要的定理，那就是动量守恒定理：一个系统（多个物体组成）如果不受外力（或受合外力为零），则系统的总动量保持不变.需要说明的是，一个系统如果在某一方向上不受外力，则系统在此方向上的总动量也保持不变.对于升空的火箭，若忽略重力和空气阻力的影响，根据动量守恒定理可以进行计算，得出火箭飞行的最大速度取决于火箭喷出的气体速度和燃料燃尽时的质量与火箭升空时的质量比，这个比越大，可得到的火箭最大飞行速度也越大.

我们可以做一个简单的演示实验.在一根绷紧的长细绳上套一根塑料吸管，用胶带把一个吹得鼓起来的气球粘在吸管上，同时用手指捏紧气球的开口，在把气球拉到细绳的一端时.松开手指，气球会沿着细绳像箭一般地射出，犹如喷气式飞机一般！

责任编辑 蔡华杰