专家文章：宇宙飞船探索太空的真实技巧

发布者：南定中原 2023-5-21 05:36

参考消息网5月8日报道 西班牙《国家报》网站4月29日刊登题为《宇宙飞船：从好莱坞的幻想到探索遥远世界的真实技巧》的文章，作者是西班牙天体生物学中心研究员巴勃罗·佩雷斯·冈萨雷斯，内容编译如下：

要了解将航天器送入太空的难度，我们可以参考日常车辆的数据。一辆普通汽车以每小时120公里的最高速度行驶约600公里大约需要50升汽油。一架空中客车A350飞机以每小时1000公里的速度行驶15000公里，大约需要约90吨燃料。换句话说，达到越来越高的速度所需的燃料量呈指数级增长。

为了将航天器发射到太空，我们必须求助于在学校学到的著名的物理学知识，但要使它从发射开始就一直上升。如果目标是完全逃离地球，所需的速度要达到约每小时40000公里。这是A350飞行速度的40倍。即使使用比飞机引擎强大得多的发动机，所需的燃料量也是非常大的。

当太空竞赛还只是一个梦想时，在19世纪末，“宇航先驱”康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基用方程式描述了它。他研究了一个带有简单发动机的装置要达到足够高的速度来摆脱地球引力并绕地球飞行面临的物理限制。这位俄罗斯物理学家确定，我们想要送入轨道的东西越大，发动机加速整个系统所需的时间就越长。如果发动机必须运行更长时间，那么它就需要更多的燃料，而这会使航天器更重，继而迫使发动机必须运行更长时间。此外，如果我们不仅要发射该发动机及其燃料，还要发射其他任务（例如访问月球）的有效载荷，那么火箭的一部分质量将无助于提高速度，只会让加速变得更难。

齐奥尔科夫斯基写出了所谓的火箭方程，它告诉我们，加速推动火箭逃离地球，或至少围绕地球轨道飞行，很容易进入死胡同，因为需要的燃料将随着你想获得的速度一起呈指数级增长。

考虑到这些物理和工程概念，太空探索必须采取一些技巧才能变得可行。其中一个技巧来自齐奥尔科夫斯基，他不仅写出了火箭方程式，而且还致力于寻求一种解决方案，以使我们探索地球之外领域的梦想成为现实。他提了我们今天所知的多级火箭理论：火箭分为几级，每级由不同的发动机驱动。

以阿丽亚娜5型火箭为例，它在近期发射了欧洲航天局木星冰卫星探测器（JUICE）。在发射时，一个极其强大的一级发动机在另外两个固体燃料助推器的协助下，在大约两分钟内将火箭及其有效载荷加速到每小时9000公里。随后，在大约60公里的高度，该火箭释放了那两个推进器，它们的燃料耗尽，已经没用了（不可被重复使用）。摆脱了这些无用的负担后，而且更稀薄的大气不会对火箭构成多大阻碍，阿丽亚娜5型火箭就能够继续加速，在大约150公里的高度上达到每小时25000公里的速度。

然后进入第二阶段，在约15分钟的时间内将火箭加速到每小时32000多公里。通过不同的推进阶段离开地球，这是解决从地球表面开展太空探索的主要问题的物理技巧。这与你在科幻电影中看到的场景完全不同。在这些科幻电影中，飞船从地面平静地升起，然后到达轨道上的母舰。我们距离这种推进方式还有很长的路要走。

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