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速度戰勝引力 速度戰勝距離——宇宙航行動力漫談 李龍臣/文

水能載舟,也能覆舟。這正是人與自然關係的縮影,人在自然環境中誕生和發展,也受自然環境的制約。

人類自古以來就嚮往著遨遊宇宙,但卻無法離開地面分寸,其中自有奧妙。17世紀牛頓創立的萬有引力學說,揭開了這個秘密。萬有引力定律指出,物體都有引力,它們總是互相吸引;引力的大小與物體的質量成正比,與物體之間的距離成反比。人的質量與地球的質量相比,相差十分懸殊,因而引力的大小顯得一邊倒,總是地球的強大引力吸引著人,把人束縛在地球上而無法進入宇宙空間。

牛頓運動力學還告訴人們,速度是戰勝引力的法寶,如果物體的運動速度達到11.2千米/秒,就可以擺脫地球引力的束縛,衝出地球大氣層,進入太陽系星際空間遨遊;如果達到16.7千米/秒,還可以進一步擺脫太陽的引力,衝出太陽系,進入銀河系乃至河外星系遨遊。有了速度,還可以巧妙地利用地球引力,使物體繞地球作慣性運動。運動力學告訴我們,物體作圓周運動的條件是要有一個與離心力大小相等、方向相反的向心力作用在物體上。對繞地球作圓周運動的物體來說,地球引力正是可利用的天然向心力。根據地球的質量,在地球表面上,物體的運動速度達到7.9千米/秒,它的離心力大小正好與地球對它的引力(向心力)相等。這就是人們所說的第一宇宙速度。而飛離地球和太陽的速度分別為第二和第三宇宙速度。

那麼,如何才能獲得這種速度呢?實踐和理論研究都證明,憑人類自身肌肉的力量是不可能的。這個速度必須由動力機械來產生。當然,動力機械還必須有動力能源。我們這裡把“動力機械+動力能源”簡稱為動力。

由此可見,尋找合適的動力,正是進行宇宙航行的前提條件。

1883年,俄國人齊奧爾科夫斯基首先從理論上證明,火箭可以作為宇宙航行的動力。1903年,他又發表後來被譽為宇宙航行理論“第一公式”的火箭公式。公式指出,火箭發動機的噴氣速度越高、推進劑燒完之後的火箭質量越小,火箭的速度越高。他還指出,只有採用多級火箭接力加速的辦法,才能達到宇宙速度。

中國是火箭的故鄉。根據《宋史》等史書記載,在公元969或970年,就出現了具有反作用力推進因素的古代火箭。在此後的幾百年中,古代火箭在軍事上獲得廣泛應用。古代火箭具有現代火箭的基本組成部分,包括箭頭、箭桿(箭體)、羽尾(控制系統)和火藥筒(動力系統)。雖然在14世紀末,我國有用火箭做飛行動力的“萬戶飛天”的勇敢嘗試,但古代火箭是無法達到宇宙速度的。

古代火箭使用的燃料是固體黑色火藥,它的效能太低。作為宇宙航行動力的火箭,必須採用效能更高的液體燃料。

1926年,美國人戈達德首先研製出液體燃料火箭。16年後的1942年,現代火箭誕生了,那就是用於作戰的V-2導彈。第二次世界大戰後,在V-2的基礎上,除導彈技術迅速發展外,用於發射航天器的運載火箭也幸運而生。1957年10月4日,前蘇聯首先用捆綁式多級火箭將第一顆人造地球衛星送入軌道;1961年4月12日,又首先使尤里·加加林成為“太空哥倫布”,摘取了“人類第一個太空使者”的桂冠。1969年7月20日,美國的“阿波羅11號”飛船首先將阿姆斯特朗和奧爾德林送上月球,在地球以外的天體上印下了人類的第一個腳印。在此期間,偵察、通訊、氣象等類應用衛星,以及探測月球、金星、火星的探測器也紛紛登臺亮相。

(未完待接續)

分類: 科學
時間: 2021-09-18

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