太空无空气,飞船如何产生推力,嫦娥五号又如何在月球点火起飞?

这是个常识问题,只是基于回答网友的问题,在此与各位分享。

网友之所以提出这样的问题,是对火箭发动机不了解的缘故。凡飞出地球大气层的人造飞行物,都是在没有空气的情况下航行的,因此,太空飞行器是不需要空气的,知道了这一点,就应该知道飞船如何能够在月球上点火升空了。

首先说说推力。

何谓推力?就是给某物体一个力,这个物体就会朝着给力的反方向走。给力的方法是怎样的呢?比如一个人推放在地上的一个箱子,他就要脚下使劲蹬地,因此他给力的方向是向后的,但地是连着地球的,他当然蹬不走,因此这个力就朝相反的方向发出,箱子就移动了。

这就是牛顿第三运动定律的作用力和反作用力,以及推导出来的能量守恒定律的表现。第三运动定律通常表述为:相互作用两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等的,方向相反,作用在同一条直线上;动量守恒定律表述为:一个系统不受外力或所受外力之和为零,这个系统的总动量保持不变。

通俗地说,就是力总是相对成对出现的,作用力和反作用力相等,它们的和为零,总动量不变。当然计算力的方法很复杂,比如推箱子并不简单只是向前向后的相互作用力标量,还有向下向上大小不同的矢量,这些合力才让箱子往前移动,计算起来很复杂,这里就不说了,只是简单化的描述。

在地球上飞行,是飞机发动机螺旋桨或喷气式往后推动空气,反作用力就推着飞机往前飞;而太空中没有空气,就依靠火箭发动机往后喷气,不需要推什么,只是发动机往后使用了作用力,飞船为了抵消往后的作用力,就反作用力往前飞,往后产生的动能与往前的动能是相等的,必须相互抵消。

在大气层内,飞机发动机要依靠空气中的氧来助燃,太空中没有氧,火箭发动机只能用自己携带助燃剂混合燃烧剂一起才能燃烧,因此飞机发动机与飞船使用的火箭发动机是不一样的。如运载火箭是用煤油、酒精、偏二甲肼、液态氢等作为燃烧剂,用液态氧、四氧化二氮等作为氧化剂助燃,燃烧剂和氧化剂通称为火箭发动机推进剂。

月球上起飞比地球上容易。

在地球上发射火箭升空,需要克服两个问题,一个是空气阻力,另一个是地球重力。重力是引力的表现,引力越大重力越大,而引力是与质量成正比与距离平方成反比的,也就是说,质量越大,引力越大,重力就越大;距离越远引力和重力影响就越小。

地球重力达到9.8N/kg,要与这个重力拉扯抗衡,所需达到的速度至少要有7.9km/s,但这只是环绕速度,就是可以飞到天上,如果一直保持这个速度,就不会被地球引力拉扯下来,但也飞不出地球引力;要脱离地球引力(逃逸速度)需达到11.2km/s。

在地球上不但要克服地球重力,还要克服空气阻力,因此达到这个速度就需要更多的燃料,因此现在运载火箭把有效载荷送上地球轨道,代价比在100:1左右,也就是起飞重量达到100吨的火箭,才能够把1吨的有效载荷送上轨道。(题头图大致可以示意火箭与有效载荷之比)

而月球就不一样了,它的质量只有地球的81分之一,引力形成的重力只有地球的约六分之一,在地球上6公斤的东西,月球上只有1公斤;月球逃逸速度只需2.4km/s,而且月球没有大气,这样起飞就不需要克服空气阻力,且重力很小,起飞所需燃料就要少多了。

因此,在月球上起飞要比在地球上起飞容易多了。

这就是嫦娥五号采样能够从月球上,用比较少的燃料就能够起飞回到月球轨道,与等候在那里的轨道器对接,然后提速进入月地高速通道返回的原因。

嫦娥五号在地球上起飞重量达到870吨,最终只将8.2吨的嫦娥五号探测器送入地月转移轨道。嫦娥五号探测器由轨道器、返回器、着陆器、上升器四部分组成,在探测器的整个重量中,应该还包含着约1半的燃料重量,这些燃料在地月通道用于姿态调整和近月刹车变轨,降落月球以及返回过程。

实际上降落到月球的只有着陆器和上升器连体,而返回的只有上升器,着陆器就留在了月球上。据有关的资料称这个上升器重量约500kg,在月球重力状态下,只有约85kg,这样,就并不需要多少燃料,上升6分钟后就到达了月球轨道。在那里,上升器与轨道器对接后,将样品转移到返回器里,轨道器就带着返回器一起通过地月转移回到地球。

最终进入地球的只有返回器那个锥形的小罐体,不知道重量有多少,大概也就一两百kg吧,这个返回器的主要功能就是送回月球采集的1731g样品。别小看这不到2kg的样品,这可是中国首次从地外天体返回来的物质,在世界上也是第三个拥这种能力的国家。

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