火箭科學

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簡介

火箭科學的概念由俄羅斯的學校教師康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基於1898年提出。1898年，這位教師提出了利用火箭探索整個太空區域的想法。羅伯特·戈達德，一位物理學家、教授和工程師，在創新和太空之光的時代，於1926年建造了第一枚液體燃料火箭並將其發射升空。火箭科學基於物理原理，並在物理概念的基礎上執行，適用於小型紙火箭和NASA火箭。

隨著這項火箭科學創新技術的出現，從不同地方打電話、觀看電視等許多事情都成為可能。火箭科學基於對物理和氣候現象的概念和理解，這些現象對於創新和創造力至關重要。

什麼是火箭科學？

火箭科學被認為是航空航天工程的一個特殊分支。在數字化時代，火箭科學發揮著重要作用。簡單來說，火箭科學是指建立或構建火箭的科學，這很難被理解或教授（Richardson & Carroll，2018）。

火箭科學有著廣泛的用途和應用，從發射衛星到測試彈道導彈。火箭從最初的火藥裝置發展成為能夠進入外太空的巨大飛行器。

圖1：火箭科學中的火箭穩定性

火箭穩定性是火箭科學中至關重要的一部分。NASA在經過一定的旋轉後聲稱，如果火箭的頭部指向旋轉方向，則火箭是穩定的，壓力中心位於重心下方。如果火箭的尾部指向旋轉方向，則認為火箭是不穩定的（Chandler 等人，2020）。火箭科學極其重要，因為它將衛星送入太空，在那裡它們可以開始執行其基本工作。火箭推進的原理基於牛頓第三運動定律，該定律規定每個作用都有大小相等、方向相反的反作用。在物理學中，火箭也被描述為包含一定壓力下氣體的腔室。

火箭科學公式是什麼？

火箭科學公式也被稱為理想火箭方程或齊奧爾科夫斯基火箭方程。火箭科學的公式根據加速度和利用推力獲得速度（基於動量守恆）來闡明飛行器的運動。

$$\mathrm{\Delta v\:=\:v_e l_n \frac{m_0}{m_f}\:=\:I_{sp}g 0 In\frac{m_0}{m_f}}$$

根據該方程，$\mathrm{\Delta v}$ 表示飛行器速度的變化量，m₀ 表示初始總質量（帶推進劑的溼質量）。M_f 表示最終質量（不帶推進劑的幹質量）。$\mathrm{v_e: \:I_{sp}g0}$ 是有效排氣速度，Isp：特定衝量，以時間維度表示。$\mathrm{g_0}$ 是標準重力，ln 表示自然對數函式。

火箭使用什麼燃料？

在大多數液體化學物質中，火箭使用兩種獨立的推進劑，包括氧化劑和燃料。火箭中主要使用兩種型別的燃料，即固體燃料和液體燃料。固體火箭燃料通常被認為效率和控制性較差。硝酸銨是固體燃料最典型的例子，它通常包含兩種液體燃料，但它們以固態存在（Moats，2020）。液體燃料更受歡迎且被廣泛使用，因為它包含氧化劑和燃料。最常用的液體燃料是液氧作為氧化劑，液氫作為燃料。NASA 使用氫氣作為火箭燃料。NASA的氫氣燃料電池技術用於不同的目的（Mishra、Jadhav & Akshay，2022）。該政府機構主要依靠氫氣作為火箭燃料，將貨物和人員送入太空。

火箭推力的原因是什麼？

火箭發動機中儲存的氧化劑和燃料在燃燒室中點燃。這種燃燒產生大量高溫高壓的廢氣。這種熱廢氣透過噴嘴，有助於加速氣流（Hashim、Karmakar & Roy，2019）。推力通常是根據牛頓的第三運動定律產生的。

圖2：火箭推力方程

上圖清楚地解釋了火箭的推力方程。火箭需要推力，因為它可以使火箭穿過太空和空氣（Hashim *等*，2018）。火箭產生的推力大小取決於三個引數，包括透過發動機的質量流量（m 點）、噴嘴出口處的壓力$\mathrm{(p_e)}$ 和廢氣的出口速度$\mathrm{(V_e)}$。

火箭燃料如何在沒有氧氣的情況下在太空中燃燒？

火箭在太空中無法飛行。太空中沒有空氣供發動機燃燒。此外，太空中也沒有空氣供火箭推動。

圖3：火箭科學

火箭攜帶液氧形式的氧化劑，以便在沒有氧氣的情況下在太空中燃燒。火箭中氣體的壓力在頂部更強，這使得火箭能夠向前移動。

結論

火箭被認為是當今世界一項極其重要的創新，因為它激發了人們的想象力，並打開了探索宇宙奧秘的大門。火箭科學通常被用作航空航天工程的口語術語。通常，人們常說“這並非火箭科學”來表示一項非常簡單的工作或任務。從這句話中可以清楚地看出，火箭科學雖然難度很大，但在現代世界中已被證明是有益的，並且使人類的生活變得更加便利。

常見問題

Q1. 火箭中有什麼型別的能量？

A1. 儲存在火箭燃料中的化學能轉化為功和熱。在燃料燃燒過程中釋放出熱能，功能則體現在火箭自身離開地面的能力上。

Q2. 火箭是用什麼材料製成的？

A2. 火箭使用航空級鈦或鋁作為主框架，因為它們堅固且重量輕。未來的火箭設計甚至考慮使用碳複合材料結構。

Q3. 火箭有什麼用途？

A3. 火箭用於將太空梭和衛星送入太空。強大的發動機使航天器能夠以高速進入太空並調整軌道。

Q4. 火箭科學是否被認為是最難的？

A4. 火箭科學被認為是極其困難的。航空航天工程結合了眾多工程學科，工作量巨大，遠超預期。