多个物体组成全自动消化炉的系统
.这样物体在离开地球引力范围时相对于太阳的速度v可以由下面 因此在地球上发射的物体只要在脱离地球引力范围时还相对于地球有速度v v就有可能相对于太阳的速度超过v,就有可能飞出太阳系.按能量守恒定 律,第三宇宙速度v由下面式子决定: 发射人造卫星和航天飞机是用运载火箭. 开枪射击时都会感到有后坐力.这后坐力是怎么来的?在开枪时,枪膛用 很大的力推子弹,把子弹射出去.按照牛顿第三定律,子弹也以大小相等、方 向相反的力同时反推枪膛,表现为枪膛受到了后坐力.
一个物体的质量乘速度称为这个物体的动量, 消化炉是系统所包含的各部分的动量的总和.按照牛顿第二定律和第三定律,如果系 统不受外力,只有系统内部的相互作用力,则在运动的整个过程中,系统的总 动量保持不变.这就是动量守恒定律. 火箭带有大量的燃料,实际上火箭的质量中大部分都是燃料的质量,燃料 燃烧时会产生高温、高压的气体,从火箭尾部向后喷射.火箭就是通过不断向 后喷射高温气体,利用得到的反作用力不断加速前进的. 研究火箭运动的规律,有两个特点要注意:火箭在运动时,由于燃料不断 燃烧和被喷射出去,火箭的质量是在不断地减少的;由于喷射器的结构和燃料 的性质,决定了燃料燃烧后总是以相对于火箭以确定的速度向后喷出.根据这 两个特点可以得到火箭速度的变化和火箭质量变化之间的联系. 如果开始时火箭(包括燃料和运载的所有物体)的总质量为m,发射过程 i
后期火箭(包括未用掉的燃料和运载的所有物体)的总质量减少到m,火箭喷 f 射的高温气体的喷射速度为u,则火箭的速度由v增加到v,v由下式给出: mf 研究用一个火箭发射人造卫星的运动过程:发射时主要的升空过程中,运动是 垂直地平面向上的,以尽快穿出大气层.令火箭单位时间燃烧喷射掉的燃料为 μ,这对于每一个火箭基本是个常数.火箭发射历时t,质量从m减少到m, .如果不计及大气的阻力,垂直地平面向上的火箭在t时刻的加 造卫星的发射 1 7 显然它在t=t时的值最大.火箭在一开始时就要有向上的加速度,即要求 也就是整个加速过程持续的时间必须受 如果不满足这个条件,火箭根本不会上升.这个条件对火箭的性能给出很强的 限制. 火箭在t=t时刻的加速度为 垂直地平面向上的火箭在t=t时刻达到的高度为 0 tt- mi-mfmf2g s(0)=u01mflnmi- 1t02. 如果采用非常规燃料—— ——液氢加液氧为喷射剂,其喷射速度可以达到u= 4km/s,火箭加速时间的限制为t0<6.8min.火箭加速时间t后能达到的速度 为 4第七章 航天与宇航中的物理,就不能达到第一宇宙速度.如果要求火箭加速时间t<5min,虽 0 有可能达到第一宇宙速度,但火箭的最大加速度将达到标准重力加速度的19倍 以上,这意味着在这时火箭内一切物体的自重量将增加到20倍以上.这当然对 火箭本身以及火箭内装载的人造卫星的材料和结构提出非常苛刻的要求. 如果采用常规燃料,其喷射速度可以达到u=2km/s,火箭加速时间的限 制为t<3.4min.火箭加速最后能达到的高度不超过99km,即使大大增加火 0 箭的质量比,火箭加速最后能达到的高度不超过133km
,速度远远小于第一 宇宙速度. 如果要实现用一级运载火箭发射人造卫星就要从两方面着手:1.制造好的 火箭喷射器,采用好的火箭燃料,提高火箭喷射的高温气体的喷射速度u;2.大 大提高发射火箭的初终质量比.下面看一个简单的理想的情形.如果火箭喷射的 mi 高温气体的喷射速度为u=4km/s,运载火箭的初终质量比为 mf=30.向上发射 过程经历的时间为t0=360s.则发射后5min时火箭已经飞到距地面284km的 高空,运动速度为v=3.6km/s,发射后6min时火箭的运动速度增加到v= 10.1km/s,只要把运动的方向调整得合适,就成为一个人造卫星. 多级运载火箭的发射 人造卫星和航天飞机的发射是通过火箭来进行的.发射要达到地面上至少 20 00km以上的高空,到那里才具有超过第一宇宙速度的速度.在整个发射过 程中,火箭的加速度不能超过火箭和人造卫星材料和结构所能承受的加速度的 安全限a. c 由于这些限制和要求,人们有时采用多级火箭来发射人造卫星.用三级火 箭来发射人造卫星是这样进行的.将人造卫星装在第三级火箭上,把整个第三 级火箭装到第二级火箭上,再把第二级火箭装到第一级火箭上.发射时点燃第 一级火箭,使其加速升空.在第一级火箭燃料用尽停止加速后,第二级火箭和 没有燃料的第一级火箭脱离.然后点燃第二级火箭,这时被加速的是第二级火 箭,不包括空的第一级火箭.在第二级火箭燃料用尽停止加速后,第三级火箭 和没有燃料的第二级火箭脱离.然后点燃第三级火箭,这时被加速的是第三级 火箭.在第三级火箭把人造卫星送入预定的轨道后,人造卫星和第三级火箭脱 离.人造卫星进入轨道独立运行