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太空接近于真空,飞行器的反作用力从哪里来?

作者:电气设备网
文章来源:本站

  太空推进器都是喷射物质推进,而这个物质大多就是燃料+氧化剂产生的大量膨胀气体,然后从尾部喷射口喷出,形成反向作用力。这原理很好懂吧,就想一个气球一样,你把气球嘴打开,气球内部的高压向外部的低压泄压,等同于太空梭喷射物质,从而获得反作用力。

  这个和地球上不大一样,比如螺旋桨是根据伯努利定律,将桨叶前后的空气产生压力差,产生动力(同时也用上了牛顿第三定律),喷气机虽然看着和太空梭类似,但实际上他向后喷射的气体是和空气相互作用形成反向作用力。

  太空梭的动力更像是内部向外泄压形成反推力,比如你在太空里放个P...然后你就能飞老远...如果你不反向再精准放一个减速P,那你就慢慢飘荡到被某个附近天体捕获为止。

  这个问题确实存在错误,飞行器在太空又不需要反作用力,它已经彻底失去了地心引力,到了大气层之外各种飞行器都会出现自主“漂浮”状态,它需要只是变轨技术而已。至于太空外飞行器的动力则是和大气层内的喷气式发动机差不多,都是通过燃烧燃料然后形成推力,只不过环境和效果完全不一样。

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  在大气层内一架战斗机从起飞到最大巡航速度,然后发动机关掉就会降速或摔下来,而太空中则需要对卫星等飞行器进行一个时间短暂的推力就可以让它不停的保持高速前行,根据喷量的大小和时间长短来进行速度确定,而不需要持续产生推力。

  另一方面来说如果想让飞行器停下来必须要从相反的方向产生推力,否则这架飞行器就会不停的向前飞,在没有撞到其他小行星或物体之前不会停下。这有点类似于宇航员们在太空舱里训练,扔一个东西它会一直沿着扔出去的轨迹漂浮飞行,直到有人接住它或撞到墙壁才会停下。

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  其实很多人不明白为什么太空中的卫星在“真空环境”下绕着地球飞行还需要定期轨道修正,而自然存在较大的行星则不需要。实际上太空并不是完全真空状态,只是接近真空,太空中有一定的气体分子和原子存在,只不过微乎其微,但这也要比地球人造的“真空环境”强上N倍,所以这样也会给卫星带来阻力。这就好比我们手叠了一架纸飞机,扔出去的时候空气中漂浮的尘埃对其产生的影响。

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  另外一个原因实际上卫星或者小行星都会出现“轨道偏离”的情况,只不过它们是不能一起进行“量级”的。太空中的人造卫星虽然个头较小,但是时间久了就需要发动机工作一下,差不多5年时间就要进行一次轨道修正。而我们地球的“卫星”月球则可能需要几十亿甚至几百亿的时间才会发生一点轨道偏离,我们赖以生存的地球围绕太阳旋转则可能需要几百亿几千亿年时间才会出现“偏离轨道”的现象,这根本不是人类科学所能捕捉到的,远远超过了我们能够观测的地步。

  

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  目前对于太空方面的探索技术和经验也就是常五国比较成熟,其中又以美国走的最为深远。美国在太空方面所以进行的实验是其他国家无法相比的,空天飞机能轻易自由翱翔于大气能内外的时间不会太长,被应用于军事领域的日子就不会太久。但是我相信只要我们不放弃我们的梦想就一定会在未来“太空漫步”的时代占有一席之地。

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  能在太空飞行的飞行器,使用的是火箭?喷气发动机,火箭?工作时,向后喷出燃气,因此,其受到的反作用力从哪里来的,也就一目了然。向后喷气,就要对燃气施加向后的推力,因为物体间力的作用是相互的,同时,燃气对火箭施加向前的推力,使火箭前进。

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  另外,除火箭喷气发动机外,还有一种叫空气喷气发动机。空气喷气发动机工作时,同样向后喷出燃气,对燃气有向后的推力,同时,燃气对飞行器产生向前的推力,推动飞行器前进。

  不同的是,空气喷气发动机只能在大气中飞行,因为它带的燃料需要氧气助燃。而火箭喷气发动机,不仅带燃料,还自带氧化剂,无需借助外界的氧气就能燃烧。

  这个问题里的前半句话和后半句话毫无因果关系。

  无论是不是真空环境,太空飞行器的反作用力都来自于其内部的燃料,考燃料燃烧的喷气动力推进。具体过程为燃料燃烧产生大量气体,气体沿着一个方向喷射出去。这时候你就可以采用冲量定理了,设单位时间内喷出的气体质量为m,速度为v,则Ft=mv,F为力,t为单位时间,这样就可以求出气体受到的推力为F=mv/t。然后根据牛顿第三定律,作用力与反作用力大小相等方向相反,得出飞行器受到的推力为-F。飞行器获得的速度直接用动量守恒定律,MV+mv=0,求出飞行器获得的速度为V=-mv/M,其中M为飞行器的质量。

  至于问题里为什么强调真空,我猜提问者把航天飞行器当成航空的飞机了,以为必须靠推动空气产生的反作用力才能飞行,但那种情况必须有推动空气的东西,比如鸟的翅膀,飞机的螺旋桨,它们可以不用喷气动力。反之,航天的火箭,空间站变轨,卫星变轨等等靠的都是燃料燃烧的喷气动力。二者虽然有区别,但遵循的物理定律都是一样的牛顿第三定律和动量守恒定律。

  关于牛顿第三定律和动量守恒定律谁更基本的问题,中学物理都按照历史出现顺序先讲牛顿三定律,再讲动量守恒,这会让你误解为动量守恒是牛顿第三定律的推论,其实这个观点是错的。在物理专业课里的《经典力学》中(注意不是大学物理的《力学》,比那个要深很多)中,你会学到动量守恒更基本,它来自于作用量原理,即作用量的空间平移不变性导致动量守恒(诺特定理)。

  答:在太空中,一般使用喷气式发动机,来产生推力!

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  但是利用空气的反作用力来产生推力,其能力是非常有限的,再高的速度,就得使用喷气式发动机才能达到,在大气层内,飞机自带燃料,助燃物(一般是氧气)取自空气。

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  另外,在需要不大的推力时,也可以直接喷出高压气体(携带的呼吸气体),就能产生反向推力,比如宇航员在太空行走时,宇航服就携带这样的助推装置。

  先进的等离子推进器,喷出的等离子体,时速高达20KM/S以上,所以等离子推进器产生的推力更大,但是技术难度也大,目前还在开发研制当中,用于未来的太空探索。

  四个字:动量守恒

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  这个中学物理就学过,简单来说:假设火箭在太空中匀速V飞行,因为太空没有阻力,所以发动机可以关着。

  如果要加速,那么必须向后喷射“火焰”,很显然火箭损失了一部分质量(燃料),并且这部分质量以一定速度向后喷去,由于动量守恒,火箭主体的速度势必增加,以保动量守恒。

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  记得例子的大意为:小明坐在小船上,挥动船桨,浆推水,水反过来又推浆。

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  其实这句话没错,但是这会让我们很自然的联想:火箭上天是因为空气的反作用力所致,因此很困惑,为什么太空没气体,火箭还能加速飞行?后来这个困惑,也是问了老师才明白。

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  反作用力是与“作用力”相对,大小相等、方向相反的力。其实我们不管是在地球上还是在太空,要移动位置依靠的都是反作用力。

  在地球上,有摩擦力和阻力,因此要移动一个物体,就要克服这两个力,所花费的能量就需要更大。在太空中,没有空气阻力和摩擦力,因此只需要花费较小的动力,就能够获得更大的推力。

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  汽车通过动力系统,带动轮胎旋转与地面的摩擦,往后面推地,使汽车前行。在行进过程中需要克服摩擦力和空气阻力,因此动力的相当一部分会消耗在这上面。

  轮船在水中航行,依靠动力驱动螺旋桨,把水往后面推,轮船就往前走,这也是利用反作用力。但由于轮船是陷在水里前进,水的阻力很大,航速就很难提升。

  飞机在空中,螺旋桨飞机是往后面推空气,获得反作用力前行,而喷气式飞机是靠喷出气流的反冲作用来获得反作用力的。由于飞机只要克服空气的阻力,这比克服地面摩擦力和水的阻力小多了,因此飞机飞得很快。

  子弹炮弹导弹高速飞行,也是依靠火药或者燃料燃烧,高速往后面喷射气体,获得反冲力,推动自己前行。

  我们可以看出,在地球上所有的运动都是通过反作用力进行的。

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  到了太空,空气稀薄,甚至处于相对真空状态,这时候的空气动力学就不起作用了,因此螺旋桨类的发动机就不起作用了,因为没有什么可搅动的,无法靠推动空气产生反作用力。

  但通过反冲力产生反作用力,这种力并没有消失,与真空不真空没啥关系。

  而且太空各种阻力都消失了,因此飞行器喷出的气体所做的功效率就很高,只要很小的力就能够推动飞行器快速飞行。

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  喷出的气体往后,飞船就往前加速;往左,飞船就会往右调整。以此类推,这就是反作用力的体现。

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  在地球上所有的发动机都可以在空气中吸取氧气来助燃,而航天器一旦脱离大气层,就在相对真空中运行,太空中没有氧气,就必须自带氧来解决。

  要带很多氧气上天是不现实的,于是人类就发明了氧化剂。火箭发动机是航天专用发动机,是利用冲量原理,自带推进剂,不依赖外界空气的喷气发动机。

  这种发动级与飞机发动机的原理是一样的,主要区别就是一个需要空气,一个不需要空气。

  火箭发动机是通过泵或者高压气体使氧化剂和燃料分别进入燃烧室,两种推进剂成分在燃烧室混合并燃烧,使之变成高速喷射流产生推力。

  推进剂有固体或液体推进剂(由氧化剂和燃料组成)两种,在燃烧室中高压(10-200 bar)燃烧产生燃气。

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  这种反作用控制系统有冷气射流姿控发动机和热燃气射流姿控发动机两种。

  热燃气射流发动机就是上面说的火箭发动机,而冷气射流姿控发动机使用的是压缩气体,不需要燃烧。一般使用氮气为工质,由充气开关、高压气瓶、点爆阀、减压器、电磁阀和推力室组成。

  我们在观看影视看到的飞船飞行过程,船体两侧或前后间歇式喷射气体,就是冷气射流调姿发动机在工作。

  火箭发动机的燃料目前主要还是采用化学染料,随着科学的进步,以后会有越来越先进的发动机,如等离子发动机、核聚变发动机、光帆等,甚至在未来很可能实现反物质发发动机驱动,这样航天器就能够获得更大更持久的推力,飞向更遥远的深空。

  就是这样,欢迎讨论。

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  由于我们生活在有大气这种介质的环境里,有些人可能会对作用力与反作用力的概念产生错觉。事实上作用力与反作用力这对组合与有介质与否没有任何关系,只要有作用力就会有反作用力。

  想想人类发射到太空的各种探测器,基本上都是在“虚空”中飞行,只要有推动力,就能产生前进的作用力,事实上,真空中更适合飞行,因为几乎不会遭受任何阻力。

  很多时候是我们的惯性思维或者传统思维限制了我们的想象力,完成了我们思维的局限性,以至于会把简单的问题复杂化!

  牛顿除了万有引力定律外还有“牛顿力学三定律”,物理学中一般把三定律称为“牛顿三定律”

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  牛二定律表述:物体加速度的大小和作用力成正比,和质量成反比,和质量的倒数成正比,加速度的方向和运动方向相同。

  牛三定律表述:相互作用的两个物体间的作用力和反作用力大小相等方向相反,作用在同一条直线上。

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  宇航员们在舱外活动时穿的舱外宇航服本身就有一定机动能力,需要移动的时候只需要喷出一小股高速气流就行了(因为宇航员质量很小),紧急情况下宇航员甚至能通过割裂宇航服产生的气体外泄来移动。

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  目前人类飞船和探测器的前进方式和动力其实一点也不难理解,就是通过高速气体给予的反冲力来前进罢了,但这种前进方式由于需要携带大量用于燃烧的工质,因此并不是宇宙航行的理想方式。

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  在我们日常的理解中,作用与反作用力的成立大都是需要介质来实现的,比如我们推动一个物体,假如物体太重而用力过度的话,肯定我们自己被推离了物体,而汽车的前进也是轮胎摩擦了地面之后给了汽车一个作用力,因为地面也是推不动的!而且火箭起飞似乎也是因为空气的反作用力.....??

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  但是上述的这几个中间的作用与反作用力却是有区别的,特别是在火箭这种在过程抛弃物质的反作用力作用方式!需要媒介来实现作用与反作用力行为的,是属于不丢弃物质的反作用力行为,在这种情况下,如果不借助一个远大于运动物体本身的媒介,那么我们是难以被移动的,比如我们往墙上推一掌,我们自身可能会被推离墙壁,但对这空气劈出一掌,似乎就没有任何效果,因为你这一掌带起的空气质量太少,速度太慢,因此无法移动你的身体......当然空气移动了!

  但火箭这种朝后高速丢弃大量物质的行为,其媒介就是丢弃的物质本身,其速度可以用比例来计算,假如将1KG的物质向后一1M/S的速度丢弃,那么同比例可以推动一个1KG物体以1M/S的速度前进!这个速度是朝后丢弃的物质所给予你的,而是否与真空无关,反而会因为真空中没有阻力而加快这个速度!因为朝后丢弃的物质速度增加了,物体超前的速度也因为没有阻力增加了!

  而事实上我们不会这么做,否则飞船上的物质几下就被丢光了,我们能做的是尽量将丢弃的物质的速度增加、质量减小、时间加长,那么最终我们获得的速度将会更快,燃料装载可以到最少,剩下的容积就是有效载荷!但事实上我们的火箭在这方面做的并不好,比如推力大的能飞出大气层的化学火箭,却飞不远,因为其燃料消耗太快!而耐久性特别好,燃料特别耐用,时间可以很久的离子电推却因为推力太小,无法在大气层内使用!

  但有一个问题需要提醒一下的是,这种丢弃物质产生的作用与反作用力推动的火箭,无论其如何加速、装载多少燃料,加速多久时间.....理论速度都无法超过光速,而我们的可观测宇宙达930亿光年,即使银河系直径也高达20万光年,我们似乎永远都到不了银河的另一端!!可能需要一种全新体制的发动机来替代这种应用数百年前的定律制造的发动机!!

  当然在这个飞出太阳系最大速度都没有超过万分之一光速的时代来说这个超光速的事情是不是太早了?但事实上也确实,因为到现在为止理论都还没有出现,有的仅仅是停留在科幻层面的数据,要成为事实,也许还得过上数百年甚至更久,但只要有这一天....我们人类就仍然还存在征服宇宙的希望!!

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