这个问题需要从两个角度来进行分析。
从火箭推进的角度看,通过火箭发动机向后方喷射大量气体产生反推力,从而推动火箭前进,这属于机械能。
而从火箭发动机将燃料转化为喷射气流的角度,它大多又属于化学能。因为目前绝大多数的火箭发动机都是通过燃烧推进剂来产生膨胀气体,这个燃烧过程是氧化反应。
只有少数火箭利用简单加热气体的办法来推进。
气球与火箭的推进
不知道你有没有玩过“气球飞行”的游戏?我不是指那种大的热气球。当你鼓起腮帮子往一个小气球里吹满气之后,捏住它的小嘴儿,再松手,气球会嘶嘶地叫着在屋子里乱窜,很好玩。
想过这是为什么吗?当你向气球里吹气之后,由于橡胶的弹性,气体被压缩在气球内部的空间里,这时候气球所有内表面的压力都是相同的。而当你松开手指,气嘴那块就有了个缺口,缺口处的压力最低,空气会从其它压力高的地方向压力低的地方流动,也就是从气嘴喷射出来形成射流。
其实火箭产生推力的原理与我们玩的气球是一样的。
火箭发动机的燃烧室内部产生强大压力,这个压力作用于发动机的四壁,但只有下方一个小出口,于是炙热的气流从喷口高速喷出。
牛顿第三定律
二百多年前,艾萨克·牛顿说“当一个物体在第二物体上施加力时,第二物体同时在第一物体上施加大小相等且方向相反的力”,这便是牛顿第三定律。这个定律指出了作用力与反作用力的关系。
气球排出的是气体,火箭发动机喷出的也是气体,气体是物质,物质是有质量的。当这些有质量的气体被喷出时,火箭发动机会给它一个强大的力,相应地,气体也会给火箭发动机一样大小相等方向相反的力,只要这个力足够大,就可以推动火箭前进。
要想火箭上升,首先需要克服火箭自身的重力,所以火箭发动机的推力F需要足够大,它至少应该大于火箭的重力G,当F>G时,火箭会获得一个向上的加速度,F越大,火箭就越快。
当火箭足够快时,另一个力量会变得越来越大,这就是空气阻力。空气阻力与火箭的速度密切相关,所以科学家一方面要修改火箭的外形,尽量减小空气阻力的影响,同时也需要加大发动机的功率,以使火箭能在更短时间里喷出更多的气流。
好消息不是没有,那就是火箭越往上升,它里边所携带的燃料就消耗的越多,火箭自身会越来越轻。
小结:喷气推动火箭上升,靠的是牛顿第三定律和火箭发动机的机械能。
那么问题来了:
火箭发动机的机械能是从哪里来的?
现在的火箭往往是越做越大,因为需要把越来越重的卫星送上天需要更大的火箭。但你要是把一枚火箭拆开来看,会惊讶地发现,它里边几乎是空的!占据了火箭几乎80%空间的就是几个硕大的空桶,这几个空桶会是用来装燃料的,而真正的有效载荷部分只有很小一点。也就是说,如果想把一颗几吨重的卫星发射上天,我们需要射一枚几千吨的火箭,而这枚几千吨的火箭里边绝大部分的重量就是燃料。
为什么会这样?因为现在的大推力火箭清一色是化学火箭,它依靠化学能来形成推力。
火箭巨大的燃料箱里通常存储着两种物质:一种是燃料,比如液态氢或特殊的煤油等等;另一种是氧化剂,典型的是液态氧。也有的火箭只有一个大燃料箱,储存着偏二甲肼等不需要氧化剂只需要催化剂就能燃烧的化学物质。
当燃料被泵入到火箭发动机的燃烧室并点火后,这些化学物质会在燃烧室里发生强烈的氧化反应,氧化反应产生出的高温气体剧烈膨胀,然后从喷嘴中喷射出来。
固体混合物带氧化剂的燃料(固体燃料)或带液体氧化剂的固体燃料(混合推进系统)同样也是以化合物的形式储存化学能,然后通过燃烧的方法形成化学反应,从而将燃烧后的高温废气通过喷嘴喷射出来形成推力。
现在你应该明白了:火箭强大的推力是由化学反应也就是火箭燃料的氧化反应得到的。
最后做一个简单总结:
火箭的依靠喷射气体获得上升的力,当这个力克服了火箭自身的重力和空气阻力后,火箭就获得了向上的加速度,从而推动火箭前进。这个过程是机械能。
与此同时,火箭的机械能是通过燃烧化学燃料得到的,这个燃烧的过程是化学反应中的氧化反应,因此这些火箭又被称为化学火箭。火箭是通过将化学能转化为机械能推上太空的。