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火箭一飛 衝出太陽系

文/山羊

常在電視上看到火箭發射升空,尾巴噴出凶猛火焰,產生隆隆巨響,慢慢上升,然後速度愈來愈快,愈飛愈高,最後消失在高空中。

這時,小明心中總會有個疑問:飛機需要氧氣助燃,產生動力,所以在沒有空氣的太空中,就無用武之地。可是,為什麼火箭就能在太空中飛翔呢?

火箭是人類所發明的一種動力最強的裝置,可提供比任何其他引擎更強大的動力及推力。譬如,像太空梭這種飛行器的速度,必須達到每秒8公里,即7.9公里/秒的「第一宇宙速度」。只有火箭能衝到這麼快的速度,讓它在繞地球飛行時,不會掉下來。

自帶氧氣 反作用力

火箭之所以能在無氧的太空中飛行,主要是它的推進系統不但帶有燃料(如液態氫),而且還帶有燃燒燃料所須的氧化劑(一種加熱後產生氧化的化學品,如液態氧),提供燃燒所需的氧原子。

氧化劑與燃料發生劇烈氧化反應後,產生高溫、高壓的燃氣,經過火箭尾巴的噴嘴高速噴出。根據牛頓第三定律(作用力與反作用力),燃氣向後噴射時,火箭會產生相等的反作用力,將它向前推進。這個原理就像我們將氣球吹滿氣,然後放手,它就會噴飛出去一樣。

因此,火箭就可以不受高度限制,在無氧的外太空中飛行。而且。在地球表面及大氣層中,火箭需要克服重力與空氣阻力,最初的推力需求很高。但在太空中,因為後噴的氣體沒有空氣阻力,反而可以得到更佳的推進效率。

還有,巨型火箭通常採用多級設計,即包括好幾節較小型的火箭。每一級火箭首尾相接成塔狀,上面的火箭小,下面的火箭大。當某一級火箭的燃料耗盡時,它的引擎和外殼就會脫離而被拋棄在太空中,以減輕重量,提升效率。接著再由下一級接力點火、繼續燃燒,一直到最後一級為止。

這也就是1969年,美國發射三級的「土星五號火箭」(Saturn V),將載著太空人的「阿波羅11號」太空船射向太空,成功登陸月球的過程。

其實,火箭原理就像沖天炮一樣。圖/yapei

第三宇速 探索銀河

其實,火箭原理就像我們過年玩的沖天炮一樣。沖天炮裡頭包覆著一種燃燒速度非常快的火藥,一點燃立即產生大量熱氣、火焰及煙霧,一飛沖天。

用來製造煙火與軍事用途的火箭推進技術,可追溯到約13世紀的中國宋朝。1300年代,類似的火箭也在亞洲及歐洲大部分地區出現。接下來600年間,人們更研發出體積更大、性能更好的固體燃料火箭供軍隊使用。

1903年,俄國教師齊奧爾科夫斯基(K. Tsiolkovsky)寫了一篇有關「液體燃料火箭」的論文。1926年,美國科學家,「現代火箭之父」戈達德(R. Goddard)發明第一枚液體燃料火箭。然後,德國科學家奧伯特(H. Oberth)將液體燃料火箭加以改良。這3個人被共同視為第一代太空探索領域的先驅。

二戰期間,德國使用火箭轟炸其他國家。1957年,蘇聯用火箭發射第一顆人造衛星。1961年,蘇聯太空人加加林(Y. Gagarin)乘坐「東方一號」繞地球飛行,實現人類進入太空的夢想。然後就是1969年,美國太空人阿姆斯壯(N. Armstrong)與艾德林(B. Aldrin)登陸月球了。

小明說:「發明沖天炮的人應該不會想到人類會利用同樣原理,用火箭把人送上月亮!」

是的,他們更不會想到火箭速度可以達到11.2公里/秒的「第二宇宙速度」。例如,1959年蘇聯發射搭載星際探測器「月球1號」(Luna 1)的火箭就是第一個達到離開地球「逃逸速度」的人造物體,至今仍在位於地球與火星之間的軌道繞著太陽公轉。

還有速度達16.7公里/秒的「第三宇宙速度」的火箭,能飛出太陽系探索銀河系。例如,1977年美國發射搭載「旅行者2號」(Voyager 2)的火箭,到2024年底,它已經飛離地球138.55個天文單位(相當207.2億公里),真是不可思議。

25 02 2025

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