太空飛行器在外太空是如何產生推動自己向某方向前進的力的?

時間 2021-05-08 06:22:34

1樓:王聽玄

火箭也不是因為噴火後推著空氣才往前飛的啊。

你想象一下,你拿球砸易拉罐,易拉罐是不是就被砸飛了;火箭就是易拉罐,球就是點火後瘋狂做不規則運動的燃料分子。

火箭不是因為往後噴的火往前飛,是因為往前噴的火被火箭本體擋住了所以被推著往前飛的。

2樓:Chirality

為了方便解釋,我們講乙個極端簡化的情形。

假設太空中有乙個立方形的密閉容器,內部儲存著高壓氣體。這些氣體分子互相碰撞,同時也不斷撞擊容器的內壁,但是對6個內壁的作用力最終都抵消掉了,所以立方體不會加速。

如果朝向x方向的面突然消失,那麼氣體分子就不能再把立方體往x方向推了,而是朝x方向湧出,但是與其相對的那個面還在,氣體分子還在撞擊-x平面,立方體就會朝-x方向加速。

從力的分析角度來看是這樣的,要意識到真正直接推動太空飛行器向前的,是向前撞擊太空飛行器內壁的那些分子,這一點比較有意思。

但是這個觀點與把所有燃氣看做整體的觀點也不衝突,因為氣體之間也在相互作用,把大量分子之間的複雜碰撞全部用牛頓第三定律考慮一遍,最終就是內部作用都抵消了,整個太空飛行器最終拋了乙個大氣球出去。

這與動量守恆的觀點也不衝突,牛頓第三定律和動量守恆講的是同乙個原理。

3樓:OdingHao

嗯,這個問題我應該能回答。前面的答案要麼太複雜要麼沒答到點子上。

首先,根據動量守恆,我們知道向後噴出物質飛船必然向前運動。

但是這並不能從本質上解答題主的疑問。

事實上牛頓第二第三定律在這裡是適用的,並不會存在問題。而看起來有加速度,有力,而沒有反作用力的問題,是因為研究物件選取的錯誤。

假設飛船處於絕對真空中並且遠離其他大型天體,選取飛船和它噴出的所有氣體為研究物件,它們確實不會受到力,所以它們的質心的運動狀態並不會改變(即無加速度),但是這並不影響飛船的運動,因為噴出的氣體在反向運動。

而選取飛船本體作為研究物件,它受向前的作用力,產生向前的加速度,反作用力就作用在了後面噴出的氣體上了。F=-F'仍然成立。

事實上高中很多這種物理題目的,冰面上推車的問題就是這個的二維簡化。可以自己算一下看看……(以上都是我自己的觀點,不能保證完全正確……還望指正~)

4樓:

題主可能因為看到了火箭公升空時非常具象的與地面的作用力和反作用力,沒錯,這對火箭發射是有積極作用的,但只侷限於發射初期。包括在大氣層以內的飛行器,空氣也不是能具象到像地表一樣的反作用力載體。這裡介紹一些空氣動力學和推進力學的概念。

首先講一下飛機公升空的原理。飛機的機翼橫截面(airfoil)都是有設計引數的流線型,不同的飛機所選取的設計翼面根據它們本身的目標任務而不同。念書時候比較常用的資料庫是伊利諾伊大學香檳分校的database(http:

//m-selig.ae.illinois.edu

/ads/coord_database.html

)。 飛機機翼的重要引數包括翼展(wing span),載荷面積(reference area),後掠角度(swept angle),二面角度(dihedral angle),以及橫截面弦長(chord length)。非等弦長機翼(等弦長就是機翼根部和尖部等長,客機一般都不是等弦長的機翼,小飛機塞斯納之類的有的型號是平翼等弦長的設計)還有乙個引數叫作錐度比(taper ratio)。

以上引數概念有興趣的同學請自行搜尋,以括號中的英文為準,中文翻譯不一定準確。

簡單介紹一下空氣動力學基礎,暫且忽略機翼本身的三維屬性,我們來看機翼橫截面,並且假設這是個等弦長平翼(也就是說空中俯視會呈現乙個長方形),那麼我們就只需要考慮側面的機翼截面了。發動機提供推力讓飛機提高水平向前的速度,空氣流過流線型的機翼並且加速,上下翼面產生氣流壓強差,從而產生向上的公升力。公升力克服地球對飛機的重力,從而使得飛機飛離地面。

參考下圖。

圖中的L是公升力(lift),D是阻力(drag)。Free Stream Velocity叫作自由流速度,可理解為在機翼高速經過之前未受干擾的自由空氣流。不同顏色的線條代表著不同的空氣壓強,壓強差和自由流是我想先介紹一下的重點,因為火箭推進的推力計算也跟壓強差和自由流有關。

講一下,自由流不僅有速度,也有自由流壓強。

下面來簡單講一下火箭和飛彈等發動機的推進原理。火箭推進的推力(thrust)基本計算與以下幾個引數有關:出口尾噴質量速率(m dot),出口尾噴速度(Ve),出口尾噴面積(Ae),出口尾噴壓強(Pe)和自由流壓強(Po)有關。

參見以下圖例。

除了自由流壓強是環境因素,其他的出口尾噴引數皆出自機械設計和化學燃燒。即使在太空中,物體依然是有質量的,那麼尾噴口依然有質量速率和出口尾噴速度。太空雖然是真空,但依然有壓強,所以這裡的自由流壓強就是太空中的壓強,可以看作零。

尾噴口面積是物理設計,始終存在。所以上圖中的公式依然成立,只不過乙個項(自由流壓強)歸零了。

所以太空飛行器在太空的作用力與反作用力不能具象地與地表發射階段比較,由於燃料和氧化劑燃燒,尾噴口產生與周圍環境不同的壓強,壓強差作用在某一面積上產生了力,然後加上尾噴力(加號前面的那部分),共同組成了推力來改變太空飛行器的運動狀態。

空氣動力學和推進力學都是航空航天領域能夠自成一派的研究方向,深究起來沒完,有興趣的朋友可以多搜尋了解。

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