火箭是这样进入太空的 | 知识窗

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火箭升空的科学原理藏在物理学的基本定律——牛顿第三定律之中，作用力和反作用力的大小相等，方向相反。这就是火箭动力飞行的核心过程：当燃料在燃烧室内部燃烧并向后高速喷射气体时，巨大的反作用力就如同无形的巨手，将火箭推向太空。

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火箭之所以能挣脱地球引力主要取决于两个关键元素——燃料燃烧产生的喷气速度，以及火箭开始飞行时的质量与燃料耗尽后质量的比值（质量比）。发动机喷气速度越高，火箭飞行的速度越高；火箭的质量比越大，火箭飞行能达到的速度越高。而质量比大，就意味着火箭结构的质量小，携带的推进剂多。

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想要使航天器在太空中持续绕地球运行，必须使其获得不低于7.9公里/秒的第一宇宙速度。然而现实中，即便采用性能最优异的液氢液氧推进剂，火箭发动机的燃气喷射速度也仅为4.2公里/秒。因此，单级火箭受限于质量比和排气速度，根本无法累积足够的速度增量。实际发射环境更加严苛，火箭在穿越大气层时还要克服空气阻力的影响，因此喷气速度实际上需要达到9.5千米/秒以上的速度。

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为突破这一物理瓶颈，现代航天采用多级火箭的模块化设计。其核心原理类似于登山者分段卸除装备：当某级火箭燃料耗尽，其壳体立即分离脱落，后续发动机随即点火。这种阶梯式推进策略通过不断减少无效质量，使剩余燃料的能量更高效地转化为速度增量。每级分离都相当于重启一个更轻便的运载系统，最终通过多级接力完成宇宙速度的累积。

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火箭在发射升空的飞行轨道包含三个阶段：垂直起飞段、程序转弯段和入轨段。这是因为运载火箭从发射台点火起飞后，需要冲破稠密的大气层，跨过声速，经过最大动压区，才能飞出大气层外，进而才能将航天器送入预定轨道。

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我们可以发现，运载火箭采用了垂直起飞的发射方式，这是因为垂直起飞能让运载火箭以最短的路径穿透大气层，减少速度损失。这时候发动机产生的推力只要比火箭自身重量大一点点就能起飞，就像我们骑自行车起步时，刚开始蹬的那一下最费劲。

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但不论你是在现场观看火箭发射过程，抑或是在视频中观看发射实况，都会发现一个现象：火箭飞行一段时间后就会逐渐倾斜，最终会在天空中呈现一条抛物线状的飞行轨迹。火箭需要倾斜飞行主要涉及两个重要因素：地球自转和重力作用。随着飞行高度的增加，火箭会逐步调整姿态。当突破稠密大气层后，通常情况下，一级火箭已经完成任务分离，二级火箭接续工作。待火箭飞离大气层后，火箭会抛掉整流罩减轻重量，继续以最优能量轨迹调整飞行角度，为最终入轨做好准备。

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到了最后的入轨段，当火箭达到预定的速度和高度时，就要关机并分离第三级火箭发动机，至此，加速飞行段宣告结束。此后，运载火箭依靠之前已经获取的能量，在地球引力的作用下，开启惯性飞行段，一直飞行到与预定轨道相切的位置。当火箭接近轨道注入点的时候，火箭发动机再次点火，火箭开始进行最后的加速段飞行，待达到入轨速度后，运载火箭与航天器分离，卫星也就被顺利送入运行轨道了，至此，火箭的运载使命便全部完成。

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从牛顿第三定律的反作用力原理，到多级火箭的接力推进设计；从垂直起飞突破大气层的阻力，到精妙的程序转弯调整轨道，最终通过精确的速度控制实现入轨——每一个环节都凝聚着几代航天人的智慧结晶。展望未来，随着可重复使用火箭、新型推进系统等技术的突破，人类进入太空的成本将不断降低。或许在不远的将来，太空旅行会成为普通人的选择，而火箭技术也将继续书写人类探索宇宙的新篇章。

来源：科普中国 漫画：杨仕成