[科普中国]-火箭：现代的科技先锋

火箭开启了太空科学的新篇章，为人类更多地了解、探索宇宙做出了杰出贡献。

火箭的发展有哪些历程？

艾萨克·牛顿在17世纪就设想围绕地球做圆周运动的物体，他想在某座山上架大炮，如果炮弹的威力快过地球，它就不会落下来，即使不能飞出地球，也会围绕地球旋转。大炮射出的炮弹速度必须达到7.9千米/秒，才能围绕地球做圆周运动，这就是牛顿算出来的第一宇宙速度；如果达到11.2千米/秒，就能飞出地球，也就是第二宇宙速度。

俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基奠定了航天理论基础。最热衷的就是计算和各种科学研究，尤其喜欢火箭推动力和宇宙航行的理论研究。他在1903年出版了《利用喷气工具研究宇宙空间》著作，这本划时代航天史书提出了齐奥尔科夫斯基公式：火箭飞行速度同火箭发动机喷气速度、火箭质量、燃料质量关系的公式。

齐奥尔科夫斯基认为：要想环绕地球轨道必须克服地球引力，达到必须具备的速度，需要使用液氧和液氢作为推进剂的多级火箭。火箭的推进剂经过燃烧室燃烧之后，产生高温高压气体，经过喷管加速喷出，产生反作用力推动火箭前进。齐奥尔科夫斯基不但提出了密封舱和空间站的设想，还设计了多级火箭、火箭推进器方案，以及在太空生存密封生态循环系统，为航天员提供食品和氧气等设想。

美国最早的火箭科学家罗伯特·哈金斯·戈达德，在1909年才开始致力于火箭动力学的理论研究，他在3年后点燃了真空玻璃容器内的，一枚固体燃料火箭，证明了火箭可以在真空中工作。戈达德在1926年3月成功发射了第一枚火箭。这枚火箭成了现代火箭的鼻祖，液体推进剂可行性得到了证实。

第一枚液体火箭发明者戈达德

为什么要采用多级火箭？

没有飞出大气层停留在100千米高空的都是单级火箭。单级火箭效率不高，在工程技术上享有重大意义，它标志着航天史上的里程碑，航天先驱者的飞天设想得以实现。齐奥尔科夫斯基说过，只有使用多级火箭才能实现进入太空。影响火箭最终速度的除了自身的质量之外，所携带的燃料比例，和地球厚厚的大气层产生的阻力都有直接的关系。

要想超过第一宇宙速度进入太空航行，只有提高发动机的喷气速度，火箭的外壳用又轻又薄的材料，提高燃料质量，装入更多的燃料才行。

解决的方法：将多级火箭串在一起，当第一级火箭的燃料用完后将其扔掉，第二级火箭飞行速度就提高了。单级火箭速度受限制是始终要带着巨大的壳体飞行，不管燃料剩多少。

运载火箭并没有采用更多的级别，当级数多了，结构也复杂了，控制系统的风险也就越大了。所以一般采用二级或三级火箭。

多级火箭

为什么圆筒状的火箭可以减少空气阻力？

运载火箭做成细细的圆筒状是为了减小火箭在飞行中遇到的空气阻力。人在迎风奔跑的时候，能体会速度越快，空气阻力越大。跑步的速度只有几千米每小时, 火箭入轨点时速度高达7.5千米/秒，人跑步的速度只有几千米/小时。为了减小火箭在大气层中飞行的阻力，头设计成圆锥形，身体为流线型。火箭的尖头叫整流罩，是减少阻力的关键部位， 整流罩的作用，可以使卫星或飞船不受气动热、气动力的损伤。

美国科学家西奥多·冯·卡门在火箭上采用了像蒙古包穹顶的前锥段设计，减小了脉动压力、空气阻力，增加了整流罩内的容积，从而为火箭提供了更大的空间装载燃料。这种有效的改进也叫冯·卡门曲线。

圆筒状火箭

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