火箭点火将月球探测器带到月球,登月舱在月球执行任务后将点火返回地球。等一下,月球和地球不一样,几乎是真空环境,大气压在10 -10帕斯卡左右。在这样的环境下,月球探测器如何点火升空?
所谓点火其实就是让可燃物燃烧起来,而在地球上点火是理所当然的事情,因为地球大气中的氧气含量在21%左右,所以一般情况下,我们在点火之前是不会考虑氧气的,这也让我们忘记了氧气在燃烧过程中的重要地位。实际上,我们可以简单地把燃烧理解为可燃物和氧化剂之间的化学反应,它们在燃烧过程中是不可缺少的。在地球上,氧气是一种天然的氧化剂,所以在点火之前,我们通常只需要准备好可燃物,然后给它们提供一定的热量,让它们能够明亮地燃烧。
然而,即使在地球上,仅仅依靠空气中的氧气作为氧化剂也不能满足所有情况下的需求。
因为地球空气中的氧气含量只有21%,这就限制了燃烧所能达到的温度。如果我们想实现高温燃烧,比如300摄氏度以上的燃烧,就必须添加额外的氧化剂。
比如我们尝试点燃空气中的乙炔,由于燃烧不充分,温度不会达到太高,但是如果我们把氧气和乙炔混合,温度会超过300度。乙炔焊是原理。因为乙炔焊接不需要空气中的氧气,所以即使在真空环境下也可以使用。由于焊接可以在真空环境下进行,自然有可能在真空环境下点燃月球探测器。
无论是从地球发射的火箭,还是从月球发射的登月舱,都需要携带氧化剂。
说到火箭的氧化剂,早期火箭使用的氧化剂是液氧和过氧化氢,所以这种火箭也叫液体火箭,现在基本上已经不用了。如今,火箭携带固体颗粒,这实际上是一种固体燃料。这种固体燃料携带方便,可以根据火箭的要求设计成不同的几何形状。常见的颗粒形状有圆柱形和球形。
有了火箭药柱,就不再需要使用空气中的氧气,只需要配备点火装置,点火过程就可以顺利完成。因此,即使在接近真空的月球上,登月舱上升段也能轻松完成点火。既然点火不成问题,那么月球上就没有大气层,那么登月舱的上升段是如何产生推力的呢?
火箭和喷气式飞机使用的喷气发动机实际上非常相似。在地球上,当我们看到喷气式飞机呼啸而过时,会有一种误解,那就是飞机向后推动气体使自己向前飞行,但事实并非如此。
无论是火箭还是飞机,它们之所以能前进,都取决于反作用力。只要我们在一个方向上施加一个力,就一定会产生一个与力相反,大小相等的反作用力。这就是牛顿第三定律告诉我们的。当喷气式飞机向后喷射物质时,它会产生向后的力,同时产生向前的反作用力,推动飞机向前。与火箭唯一不同的是,由于大气的存在,飞机向后喷射的物质会推动气体,被推动的气体也会产生反作用力,推动飞机前进。虽然月球上没有大气层,登月舱点火后向下喷射的物质不会作用在空气上,但这并不影响喷射的物质产生的反作用力。
登月舱点火后,可燃物和氧化剂发生化学反应,物质向后喷射,产生向下的力。同时产生等强度的反作用力,推动登月舱完成升空。
虽然月球上没有空气,但发射起来比较容易。因为没有空气,所以没有阻力,月球的引力比地球小得多,只有地球引力的六分之一左右。因此,登月舱完全不需要火箭发射塔,只需要将登月舱的下降段作为发射器,上升段就可以顺利点火发射。升空后,登月舱将轻松进入绕月轨道,与等候在那里的服务舱和指挥舱对接。之后,服务舱将点火,产生的反作用力将用于返回近真空宇宙中的地球轨道。
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