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一般地面发射火箭,在燃料用完之前能达到什么速度?能达到第二宇宙速度吗?

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一般地面发射火箭,在燃料用完之前能达到什么速度?能达到第二宇宙速度吗?

最佳答案 53678位专家为你答疑解惑

谢邀。

目前人类发射火箭是能够达到第二宇宙速度的,只有这样才能飞出地球引力,否则怎么能够前往其他行星探索呢。

人类已经发射了很多飞行器前往地球希尔球之外的星球进行探索,比如太阳、水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星等,最远的探索航天器已经到达柯伊伯带探测小行星,而飞行最远的探测器已经到达距离我们216亿多公里的深空,向太阳系外飞去。

火箭只是一个运载工具,发射运载火箭就是把某个物体送到预定目标。

现在发射的航天火箭主要是运送卫星、探测器或者宇宙飞船。一般来说,发射高度为500公里的地球轨道,火箭入轨速度要达到第一宇宙速度,也就是7.6公里/秒;发射地球同步轨道卫星,则要达到每秒10.25公里;发射探月航天器或者宇宙飞船,则要达到每秒10.8公里的速度;发射到地球引力以外行星航天器,则要达到每秒12~20公里的速度,超过第二宇宙速度。

在地球大气条件下,火箭开始是不能飞得很快的,也飞不了很快。这是由于空气阻力和化学推进剂的比冲量问题。目前得化学推进剂喷射速度只能达到4.2~4.5公里,因此要一次性加速使火箭达到第一宇宙速度是不可能的,这样就发明了多级火箭。

世界航天鼻祖之一,俄罗斯科学家齐奥尔科夫斯基有一句名言:“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远被束缚在摇篮里。"

他最先论证了利用火箭金星星际交通、制造地球卫星和近地轨道站的可能性,指出了制造航天器和火箭的合理途径,找到了火箭液体发动机结构等重要工程技术解决方案。1903年他在论文《用火箭推进器探宇宙》重提出了著名的火箭理想速度公式。

表述为:VK=Pb g0 Ln[(GT+GJ)/GJ]

式中: VK为火箭的末速度,Pb为比推力(比冲),g0为地面的重力加速度,GT为火箭起飞时的推进剂质量;GJ为火箭的结构质量,其中包括有效载荷。

这只是一个理想公式,其中忽略了诸多其他影响因素。但这个公式说明了速度与比推力、质量比之间的关系,成为火箭制造的基础理论。但中国还沉浸在四书五经的封建王朝美梦时,俄国就出了如此伟大人物,因此后来的苏联在航天领域领先世界绝非偶然。

根据这个公式,有三种方法可以提高火箭的末速度:一是高能的推进剂;二是尽量减轻火箭重量,用高强度薄材料;三是增加推进剂质量。这几个方法前两个都受到科技水平的限制,短期内无法达到;后一个增加推进剂质量的同时,贮箱和结构性质量同步增加,火箭就没办法起飞了。

即使能够勉强起飞,随着火箭推进剂的消耗,贮箱越来越空,但巨大的贮箱本身质量仍在,火箭拖着一个大包袱一直飞,最终燃料消耗殆尽,也无法达到目标速度。

于是,多级火箭的思想诞生了。二战结束后,美国继承了德国科研成果,研制出了第一枚多级火箭,从此多级火箭渐渐成为了航天的标配。

多级火箭的好处就是第一级使用的燃料最多,因此箭体最大,可以把火箭推送到一个初级速度,然后将烧完的空贮罐丢弃,让火箭轻装上阵;二级火箭接着点火,用完后如法炮制,余此类推,最终把有效载荷推送到需要的速度。

现在的多级火箭根据需要达到的速度,分为2~4级,实际上一般航天用的火箭绝大多数为3级。

从人类目前掌握的燃料、发动机等技术水平来看,火箭发射有效载荷还是很小。

我国发射第一颗人造卫星东方红一号得运载火箭叫长征一号,起飞重量达到81.57吨,最终送上天的东方红一号卫星重量才173公斤。这个质量比是多少?燃料及其附加设施所占比重达到99.57%,有效载荷只有0.43%!

随着火箭技术水平的提升和改进,质量比逐步得到提升。现在的长征五号起飞重量为643吨,近地轨道运载能力可以达到25吨,有效载荷率已经达到了3.7%。而老美在上世纪六十年代发射的土星五号,6次把阿波罗飞船送上月球,起飞重量为2950吨,送达月球轨道有效载荷为47吨,近地轨道运载能力为139吨,有效载荷达到1.6%和4.5%。

火箭把航天器送入轨道后,航天器就自主飞行,这时已经只有很少的燃料,主要用于纠正姿态和变轨。

宇宙飞船也带不了多少燃料,主要依靠火箭的推力达到速度,留下的一些燃料用于返回时提速或变轨。

登月飞船搭载得2位宇航员登陆月球完成任务后,返回时丢弃了着陆器下半部分,只是利用着陆器位发射架,发射升空上半部分得返回舱,加上月球重力小,用的燃料就不是很多。把2位宇航员送到月球轨道,与一直在月球轨道绕月飞行的阿波罗飞船对接,然后丢掉返回舱,利用一点燃料变轨加速飞回地球。

现在人类发射的航天器初速度都还不是很快,飞往遥远距离的飞行器,一般会采用引力弹功效应,利用路途的天体巨大引力效应来为航天器加速。

现在飞往太阳系外的旅行者1号、2号,都经过了途中的木星、土星等天体加速;有些还利用地球引力和太阳引力加速,发射的航天器先围绕着地球或太阳转几圈,代获得加速后在给一点力飞出轨道,飞向远方。

人类目前最快的飞行器当数去年NASA发射的“帕克号太阳探测器”,这是人类第首颗真正的恒星探测器。

“帕克号”会多次飞经太阳和金星轨道,获得加速度,最终将在2024年12月从距离太阳表面只有616万公里的日冕层掠过,承受1400度的高温炙烤,速度达到每秒200公里!

但凭着人类目前科学技术,还不能载人飞得很远。因为要飞远就必须带足燃料,这样飞船就要求做的很大,而且主要是燃料舱。因此人类要飞往升空,还要解决很多问题,比如设法研制出高效率能源,如可控核聚变、反物质等,提升发动机的比冲量,使飞船消耗很少的燃料就能飞得更快更远;还要研究实现飞船生态循环功能,使人类能够在太空长期生存;还要提升飞船安全防护能力等等。

所以,人类飞往深空还是一个遥远的梦想。

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其他网友观点

能肯定的是,火箭最后肯定达不到第二宇宙速度。三个宇宙速度,第一是环绕速度7.9km/s,第二是脱离速度11.2km/s,第三是逃逸速度16.7km/s。

其实发射火箭运载卫星只需要把他送到轨道上,也就是说只需要达到环绕速度即可。按照最节省燃料的原则,人类发射火箭肯定是在留有余量的前提下,用最少的燃料将其送往预定位置的。另外,如果到达第二宇宙速度,在进入预定轨道前可能还需要减速才行,这个得不偿失。

其次,具体的速度是根据发射不同的目标轨道,其速度是不一样的。例如高度为500公里的太阳同步轨道,入轨时速度为7.6km/s。如果是地球同步转移轨道,入轨时速度可以达到10.1km/s。而发射地月转移轨道,火箭入轨时速度可达10.8km/s。

综上,火箭速度最高可达10km/s,并未达到宇宙第二速度,这是根据发射目标决定的,如果要脱离地球那肯定是要超过宇宙第二速度的。

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其他网友观点

我们经常在电视或者手机上看某某火箭发射视频,每每看到火箭一级一级的将航天器送入太空的画面时,我们内心都不由的感叹我们人类的伟大,虽然我们在现在直播的动画中看到的都是火箭直接将航天器送入轨道,但是在实际现实中,火箭和航天器分离的那个刹那航天器还没有真的达到预定轨道高度,只是为了像大家演示发射过程提前中断了罢了,当然从火箭和航天器准确分离的那一瞬间也基本上代表了航天器已经成功发射。我们在学校的时候就知道有宇宙三大速度,按照宇宙速度定义中描述的:航天器要想绕地球运转速度就要达到7.9KM/S,航天器要想脱离地球的引力飞往太阳系的其他星球飞行速度就要达到11.2KM/S,航天器要想离开太阳系飞往太阳系以外的宇宙飞行速度就要达到16.7KM/S。按照书本上的定义来说是这样的,但是在现实中所有的航天器并不是准确的以这个速度长期在轨运行的。举个例子,比如我们知道地球轨道按照轨道高度不同其倾角也是不一样的,倾角不一样那航天器的运行的轨迹就不再是一个圆了,而变成一个有很靠近地球的近地点和里地球最远的远地点的椭圆,而且在这个椭圆中由于地球引力的作用速度也不一样,比如国际空间站运行在距离地面400KM的近地轨道上(近似标准圆的椭圆),但是因为国际空间站本身没有动力,所以随着时间的运转其绕地球一圈的飞行速度也会逐渐降低,受到潮汐的作用其在轨运行高度也会逐渐下降(椭圆会越来越扁),长时间以往国际空间站在飞行到近地点时就会和大气层接触而坠毁在大气层内,所以就需要定期为国际空间站运输物资的飞船帮助其抬升运行轨道高度,那飞船又是如何帮助国际空间站提升运行轨道高度的呢?其实并不是我们想的飞船在国际空间站下面往上顶,而是推动着国际空间站加速运动,随着运行速度的增高在离心力的作用下,国际空间站的运行高度就会上升到安全高度。这就是为什么新闻中偶尔报道飞船为国际空间站提升运行轨道的方式。还是以发射火箭来说,因为火箭受到推重比的限制,所有的火箭都是没有办法将卫星直接送入运行轨道的,所以早期火箭和卫星分离后,卫星需要依靠自身的动力自己飞到其运行的轨道上,这样做虽然简化了发射流程,但是缺点也不少,比如卫星要依靠自身的燃料入轨,所以势必会影响卫星的在轨运行寿命,其次卫星所装备的发动机的推力都比较小,所以从火箭与卫星分离到卫星准确进入轨道这一段用的时间特别长,很多发射成功一半失败一半的意思就是火箭和卫星准确分离了,但是卫星却没能进入预定轨道。近地轨道的话用时还比较少,一般会通过人工地面控制的方式操控航天器依靠自身动力飞到预定运行轨道上。太阳同步轨道等高倾角卫星有的因为误差太大的原因都会主动放弃,或者飞行用时都会很长,一般得两三天,按照这种发射模式算的话,因为火箭在和卫星分离的时候,卫星还没有准确进入预定轨道运行,所以其运行速度是低于第一宇宙速度的,但是速度已经很接近第一宇宙速度了,所以某些低轨道的航天器在惯性的作用下其绕地运转速度也能达到7.9KM/S。好在现在有了一种“太空摆渡车”(就是所谓的上面级),和我们机场见到的摆渡车作用类似,比如所要坐的飞机距离登机口比较远(类似不同轨道之间的距离),这个时候机场会有专门的摆渡车将你送到登机车面前。而太空摆渡车的作用就是在火箭和航天器分离后,将航天器运送到航天器所运行的轨道高度上,这样既节省了航天器自身的燃料,而且太空摆渡车的推力肯定要比航天器自身的推力大,这样从分离到入轨用时就比较少,而且面对一箭多星发射时,太空摆渡车可以将多颗卫星同时送入同一轨道或者依次送入不同轨道。但是在发射登月器或者火星探测器等非绕地航天器时,就算有太空摆渡车也不能直接将航天器送入地月切换轨道,虽然从理论上来说可以这样做(去年美国猎鹰重型火箭直接将一辆1吨多重的跑车送到了飞往火星的霍曼转移轨道),但是这样做载荷比太低不值得。比如要想实现人类登月计划,就需要一枚重达3000吨的超重型火箭。比如美国曾经的土星5号重型火箭发射阿波罗飞船的时候,阿波罗飞船和土星5号火箭第三极会有一次停机过程,在第一次停机的时候,因为第三级和阿波罗飞船还没有分离,而且其飞行速度还没有达到第一宇宙速度,所以第三级包括飞船只能短时间在这个待机轨道运行一段时间(这样做的目的为了检查飞船是否工作正常,是否具备飞往月球的能力,如果有问题就直接返回地球了)。但是在发射无人的月球探测器的时候就没有这个中间停机过程了。第三极在二次开机将飞船的加速到一定速度后就分离了,但是在这个时候因为飞船的速度还没有达到脱离地球引力束缚的第二宇宙速度,所以阿波罗飞船还是属于一颗轨道倾角很高的绕地卫星,这个时候就会有我们偶尔知道的近地点和远地点的两点,飞船依靠自身的速度将远地点的高度变得越来越高,当远地点运行高度和月球轨道相切时,飞船就进入地月转移轨道了,也就等于可以开始准备登月了,返回时过程则相反。所以总结一下就是,依照人类现有的技术是没办法将火箭的末级速度做到第一宇宙速度的,所以都需要航天器通过自身的动力或者借助太空摆渡车来实现精准入轨,更别提做到第二宇宙速度了,而且现实中所有的登月或者星际航天器在逃离地球的引力束缚的时候,都会通过自身加速来增加远地点的高度和动能,这样就可以以消耗最少的燃料飞离地球了。

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