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為什麼火箭在太空裡還能飛
為什麼火箭在太空裡還能飛
更新时间:2024-04-27 14:39:17

為什麼火箭在太空裡還能飛(運載火箭可以飛出大氣層)1

圖一,民用固定翼飛機

第一,太陽系的概述

為什麼火箭在太空裡還能飛(運載火箭可以飛出大氣層)2

圖二,太陽與8大行星

太陽系以太陽為中心,8個很大的星球圍繞着太陽轉圈圈——轉的是類似“哈密瓜”(橄榄球)樣的橢圓形圈圈。這8個大星球就是太陽的行星,除了這8大行星外,還有很多小行星、流星、慧星、外海王星天體、星際塵埃等等。

地球繞太陽轉圈稱為公轉!轉一圈所用的時間就是地球上的一年,地球繞太陽轉圈時的平均速度是29.783公裡/秒。請注意:是1秒鐘飛29.783公裡!

為什麼火箭在太空裡還能飛(運載火箭可以飛出大氣層)3

圖三,8大行星與太陽的遠近示意圖

以太陽為中心,距離由近到遠,8大行星的位置排序如上圖。

太陽的直徑大約是1392000千米(近140萬公裡),是地球直徑的約109倍;太陽的體積是地球的130萬倍;太陽的質量(約等于重量)大約是1.9891×10³º千克——到底是多少已經數不出來了!地球的質量大約是60萬億億噸,太陽的質量比地球的質量大33萬倍!已經分辯不清楚正确與否了!隻知道太陽很大。

以太陽為中心的太陽系的直徑大約是120億千米,太陽的質量占整個太陽系質量的99.86%!太陽質量的大約四分之三是氫氣!剩下的四分之一中絕大多數是氦,其它物質如氧、碳、氖、鐵和其他的重元素質量少于2%。太陽以核聚變的方式向太空釋放光和熱。太陽以巨大的質量和強大的能量成為太陽系的主宰!牢牢的“吸引”着太陽系裡的8大行星和其它小小星們!

第二,地球概述

地球的物理數據,重量大約是60萬億億噸!直徑大約是12742千米,赤道周長大約是40075千米。

神奇的是地球還有一個大氣層!大氣層由多種氣體組成,各種氣體所占百分比大約如下:

氮氣(N₂)大約占78%,氧氣(O₂)大約占21%,其他氣體大約占1%,其中稀有氣體約占0.94%,二氧化碳(CO₂)約占0.03%,水蒸氣和雜質約占0.03%。

請注意,氫氣沒有上榜!其實氫氣在大氣層内的含量非常低,隻有二百萬分之一!而且大多數氫氣集中在大氣層的頂層。比例太低,所處位置又太高,可以忽略不計了!人類可以通過化學方法制取氫氣。

大氣層是有疏、密之分的,從海平面開始随着海拔高度的升高,大氣的密度也越來越低。

為什麼火箭在太空裡還能飛(運載火箭可以飛出大氣層)4

圖四,大氣層各層級示意圖

科學家按溫度變化的特點,把大氣層分成5個層次,分别是對流層、平流層、中間層、熱層、散逸層。

1、對流層,從地面到高空11千米——15千米左右,大氣層的最底層,占整個大氣層質量的四分之三和幾乎全部的水汽量。溫度随高度增高而降低,在11千米附近溫度降低到大約零下55°C(— 55攝氏度),大氣密度也随高度的增高而越來越小。

對流層内大氣活動劇烈、頻繁,天氣變化大,因此在不同的季節裡,風、雲、雨、雪、霧、露、雷、雹不時呈現。

對流層的頂部,又稱為對流層頂,在這個小層次裡,溫度不再降低,天氣變化也很小,因此,這個高度的天經常晴空萬裡,能見度非常好,氣流平穩,是民用客機的理想巡航高度層!

2、平流層,從對流層的頂部到大約55千米高空處。平流層的底部約15千米——約25千米範圍内,因臭氧濃度最大而稱為臭氧層。臭氧可以吸收大量的太陽熱量,這一層内溫度會随高度升高而降低。

3、中間層,是指約55千米——約80千米範圍内。溫度變化又随高度增高而降低,在約80千米處,溫度大約為—90°C (零下90攝氏度)。

中間層再往上,空氣非常稀薄,普遍認為:在大約80千米——100千米範圍内飛行的飛行器,可以稱為航天器,飛行員可以稱為宇航員!

4、熱層,從大約80千米再往上,直到大約500千米處。空氣更加稀薄,但極少的空氣分子因受太陽紫外線的輻射而劇烈運動,導緻熱層的溫度非常高,在太陽活動劇烈時,溫度可以達到2000°C !即使在太陽活動不那麼劇烈時,溫度依然可以達到1000°C 以上。

5、逃逸層,500千米以上就是外大氣層了!空氣極少,地球的“引力”也是“強弩之末”了!再也“抓不住”空氣分子了!空氣分子就一個、又一個的逃離地球,奔向太空!

人類的絕大部分航天活動都是在逃逸層内進行的!有少部分還要超越逃逸層,徹底擺脫地球,飛向太陽系,飛向更遠的太空!注意圖四中,飛機的飛行高度明顯“超高度”了!民用客機的巡航高度一般在12千米以下,少部分商務客機可以達到15千米左右的高度。

第三,運載火箭。

為什麼火箭在太空裡還能飛(運載火箭可以飛出大氣層)5

圖五,運載火箭示意圖,載兩顆衛星,有兩級火箭。

以圖五為例,該火箭共有兩級。第一級火箭有兩種發動機,一種是50噸的氫氧發動機,用液态氫做燃料,用液态氧做氧化劑;另一種是120噸的液氧煤油發動機,用煤油做燃料,用液态氧做氧化劑。

第一級火箭把整個火箭“推到”一定的高度,液态氧、液态氫、煤油都燒完了!第一級火箭會與第二級火箭脫離!讓它自己濺落到無人區的地面或者是海洋裡,目的是減輕整個火箭的重量!

随後,第二級火箭的YF —75D發動機點火工作,“推動”剩餘的部分繼續“爬升”,當到達衛星的設計軌道高度時,第二級火箭亦會與衛星分離,并在随後的一定時間裡,受地球引力的吸引而逐漸墜落到無人區的海洋裡!

衛星的整流罩具備耐高溫的能力!在飛過大氣層的“熱層”後的适當時候,也會與火箭分離、脫落。

最終,到達設定軌道高度的就隻有“衛星(載荷)”那一小部分!其它的火箭發動機、整流罩、燃料箱等,全部都是“一路爬升、一路抛棄”!

太空軌道高度的劃分:

1000千米以下是近地軌道(LEO )。

1000千米—20000千米是中、高軌道。

20000千米以上是高軌道(GTO )。

地球同步軌道高度35900千米。

看看運載能力最大的運載火箭的數據,美國私立太空公司SpaceX 的“重型獵鷹”運載火箭,主要數據如下:

高70米,總質量是1420.8噸,第一級火箭推力達2280噸;第二級火箭推力為95噸。到達地球近地軌道載重63.8噸,到達地球同步軌道載重26.7噸。

再看看中國的某型号火箭的數據:

高56.97米,總質量867噸,第一級火箭推力達1078噸;第二級火箭推力達18噸。到達地球近地軌道載重25噸,到達地球同步軌道載重14噸。

從以上内容可以得出運載火箭的以下幾個特點:

1、起飛總重都很大!近千噸、千噸以上。需帶很多的燃料和氧化劑。

2,發動機的總推力都很大!千噸以上、兩千噸以上。

3,需自帶燃料(液氫等)和助燃劑(液氧)。

4,運載火箭箭體升空過程中要耐高溫!需要安全“穿越”大氣層的“熱層”。

5,運載火箭在火箭發動機的推動下,從靜止狀态開始逐漸加速,必須使運載火箭的速度達到7.9千米/秒以上,例如,達到8.8千米/秒時,火箭運載上的衛星脫離火箭後,衛星才可以平穩的繞着地球轉圈圈而不“掉下來”!此時,衛星的地位與月亮類似,都是地球的衛星!

如果速度達不到7.9千米/秒,那麼,衛星會慢慢的被地球“吸回去”!地球的引力也是很強大的。

速度越快,表示可以飛離地球越遠!當速度達到11.2千米/秒以上時,例如達到15千米/秒時,運載火箭運輸上去的飛行器,就會完全脫離地球的引力,而成為太陽的一顆“小行星”!地位與地球一樣。

當運載火箭的速度達到16.7千米/秒以上時,例如達到18千米/秒時,運載火箭就會慢慢完全擺脫太陽的引力,飛向銀河系,成為一顆理論上與太陽“地位平等”的“不發光”的“假恒星”!

請注意速度的單位是每1秒鐘飛多少千米!換算成小時速度,即是:7.9千米/秒=28440千米/小時11.2千米/秒=40320千米/小時16.7千米/秒=60120千米/小時汽車最高限速120千米/小時民用客機飛行速度1000千米/小時左右聲音的傳播速度在空氣中、1個标準大氣壓下、溫度15ºC 時,340米/秒=1224千米/小時

好了!看到這裡,你可以有很多理由回答問題:飛機飛不出大氣層,到不了太空!

我的答案是飛機飛的太慢了!所以到不了太空!還有那些原因使飛機進入不了太空?你來說一個!看看對不對!,
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