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目前人类发射火箭是能够达到第二宇宙速度的,只有这样才能飞出地球引力,否则怎么能够前往其他行星探索呢 。人类已经发射了很多飞行器前往地球希尔球之外的星球进行探索,比如太阳、水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星等,最远的探索航天器已经到达柯伊伯带探测小行星,而飞行最远的探测器已经到达距离我们216亿多公里的深空,向太阳系外飞去 。
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火箭只是一个运载工具,发射运载火箭就是把某个物体送到预定目标 。现在发射的航天火箭主要是运送卫星、探测器或者宇宙飞船 。一般来说,发射高度为500公里的地球轨道,火箭入轨速度要达到之一宇宙速度,也就是7.6公里/秒;发射地球同步轨道卫星,则要达到每秒10.25公里;发射探月航天器或者宇宙飞船,则要达到每秒10.8公里的速度;发射到地球引力以外行星航天器,则要达到每秒12~20公里的速度,超过第二宇宙速度 。
在地球大气条件下,火箭开始是不能飞得很快的,也飞不了很快 。这是由于空气阻力和化学推进剂的比冲量问题 。目前得化学推进剂喷射速度只能达到4.2~4.5公里,因此要一次性加速使火箭达到之一宇宙速度是不可能的,这样就发明了多级火箭 。
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世界航天鼻祖之一,俄罗斯科学家齐奥尔科夫斯基有一句名言:“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远被束缚在摇篮里 。"他更先论证了利用火箭金星星际交通、制造地球卫星和近地轨道站的可能性,指出了制造航天器和火箭的合理途径,找到了火箭液体发动机结构等重要工程技术解决方案 。1903年他在论文《用火箭推进器探宇宙》重提出了著名的火箭理想速度公式 。
表述为:VK=Pb g0 Ln[(GT+GJ)/GJ]
式中: VK为火箭的末速度,Pb为比推力(比冲),g0为地面的重力加速度,GT为火箭起飞时的推进剂质量;GJ为火箭的结构质量,其中包括有效载荷 。
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这只是一个理想公式,其中忽略了诸多其他影响因素 。但这个公式说明了速度与比推力、质量比之间的关系,成为火箭制造的基础理论 。但中国还沉浸在四书五经的封建王朝美梦时,俄国就出了如此伟大人物,因此后来的苏联在航天领域领先世界绝非偶然 。
根据这个公式,有三种 *** 可以提高火箭的末速度:一是高能的推进剂;二是尽量减轻火箭重量,用高强度薄材料;三是增加推进剂质量 。这几个 *** 前两个都受到科技水平的限制,短期内无法达到;后一个增加推进剂质量的同时,贮箱和结构性质量同步增加,火箭就没办法起飞了 。
即使能够勉强起飞,随着火箭推进剂的消耗,贮箱越来越空,但巨大的贮箱本身质量仍在,火箭拖着一个大包袱一直飞,最终燃料消耗殆尽,也无法达到目标速度 。
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于是,多级火箭的思想诞生了 。二战结束后,美国继承了德国科研成果,研制出了之一枚多级火箭,从此多级火箭渐渐成为了航天的标配 。多级火箭的好处就是之一级使用的燃料最多,因此箭体更大,可以把火箭推送到一个初级速度,然后将烧完的空贮罐丢弃,让火箭轻装上阵;二级火箭接着点火,用完后如法炮制,余此类推,最终把有效载荷推送到需要的速度 。
现在的多级火箭根据需要达到的速度,分为2~4级,实际上一般航天用的火箭绝大多数为3级 。
从人类目前掌握的燃料、发动机等技术水平来看,火箭发射有效载荷还是很小 。
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我国发射之一颗人造卫星东方红一号得运载火箭叫长征一号,起飞重量达到81.57吨,最终送上天的东方红一号卫星重量才173公斤 。这个质量比是多少?燃料及其附加设施所占比重达到99.57%,有效载荷只有0.43%!
随着火箭技术水平的提升和改进,质量比逐步得到提升 。现在的长征五号起飞重量为643吨,近地轨道运载能力可以达到25吨,有效载荷率已经达到了3.7% 。而老美在上世纪六十年代发射的土星五号,6次把阿波罗飞船送上月球,起飞重量为2950吨,送达月球轨道有效载荷为47吨,近地轨道运载能力为139吨,有效载荷达到1.6%和4.5% 。
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