動量與碰撞
火箭推進(rocket propulsion)
火箭推進,是火箭靠著把質量往後拋來把自己往前推的方法。它燃燒燃料,把熾熱的廢氣以極高的速度從噴嘴噴出;依動量守恆,把那些氣體往後拋,就把火箭往前推。關鍵在於:火箭不需要「推著什麼東西」——它自己帶著推進劑,所以在太空的真空裡,運作得和在空氣中一樣好。
它就是不斷重複的反衝。每一小團廢氣離開時都帶著向後的動量,火箭因此得到等量的向前動量。由於火箭一邊燒燃料、一邊不斷減少質量,精確的描述需要用到「變質量」版本的牛頓第二運動定律,並導出齊奧爾科夫斯基火箭方程式:delta-v = v_ex 乘以 ln(m_initial / m_final),其中 v_ex 是排氣速度,兩個 m 是燃燒前後的質量。這訊息很殘酷:要快上許多,你需要龐大的推進劑質量,因為速度的增益只隨質量比的「對數」緩慢成長。
這就是為什麼真實的火箭幾乎整個都是燃料,也是為什麼它們在上升途中拋掉用完的節——甩掉死重,能讓剩下的質量比變得更友善。日常的噴射引擎共用同樣的原理,只是它們還會吸進外部空氣,而真正的火箭不會。
一枚火箭以 v_ex = 3000 m/s 噴出廢氣。要獲得同樣 3000 m/s 的速度,質量比必須是 m_initial / m_final = e^1 = 約 2.7——發射質量的近三分之二都是推進劑。要獲得 6000 m/s,就需要 e^2 = 約 7.4 倍,也就是約 86% 是燃料。需求像滾雪球般暴增,這正是大型火箭要分節的原因。
每多獲得一個等於排氣速度的 delta-v,所需的質量比就要再乘上 e。
火箭「並不是」靠推空氣或推地面前進——這是常見的迷思。它推的是自己噴出去的廢氣,所以在太空的真空裡加速得最好,因為那裡沒有空氣阻力要對抗。
又稱
另見