航天科普：火箭是如何高空“拋物”的？

10月26日11時(shí)13分，長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭點(diǎn)火升空，隨后順利將湯洪波、唐勝杰和江新林3名航天員乘坐的神舟十七號(hào)載人飛船送入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。

在看發(fā)射直播最令人心跳加速的是火箭升空的時(shí)候，一邊“陪”航天員出征，一邊緊張期待進(jìn)入太空那一刻。但時(shí)間不會(huì)因?yàn)槠诖兛欤鸺c(diǎn)火起飛、拋逃逸塔、拋助推器、拋火箭芯一級(jí)、拋整流罩、拋火箭芯二級(jí)……為什么火箭發(fā)射時(shí)要拋掉這么多東西，還一節(jié)一節(jié)的？

大家可能知道，現(xiàn)在我們使用的都是多級(jí)火箭，是由多個(gè)單級(jí)火箭連接成的，所以是一節(jié)一節(jié)的樣子。可能有小伙伴要問(wèn)了，為什么要捆這么多節(jié)火箭呢？能不能“一節(jié)更比六節(jié)強(qiáng)”？

為了逃離地心引力，把航天員送入太空，火箭至少要飛到第一宇宙速度，也就是1秒飛過(guò)7.91 km的距離。受到目前的技術(shù)條件的限制，如果我們用只有一節(jié)的單極火箭，它最快能飛6 km/s，達(dá)不到第一宇宙速度，逃不出地心引力的“五指山”。

怎么辦呢？只要思想不滑坡，辦法總比困難多。1903年，俄國(guó)科學(xué)家齊奧爾科夫斯基提出了我們現(xiàn)在使用的多級(jí)火箭的設(shè)想。發(fā)射時(shí)，最下方的一級(jí)火箭首先點(diǎn)火工作，火箭從靜止開(kāi)始不斷地逐漸加速飛行。燃料耗盡后，一級(jí)火箭會(huì)被分離、拋掉，同時(shí)，二級(jí)火箭點(diǎn)火工作，這樣，火箭能在之前最高速度的基礎(chǔ)上再次提速。就這樣，各級(jí)火箭依次點(diǎn)火工作，用接力賽的方式讓火箭加速、加速、再加速，最終達(dá)到并突破第一宇宙速度，“蹦出”地心引力“五指山”，進(jìn)入太空。

120年前這個(gè)設(shè)想提出的時(shí)候，并沒(méi)有停留在科幻的層面。齊奧爾科夫斯基提出了火箭運(yùn)動(dòng)的基本數(shù)學(xué)方程——大名鼎鼎的齊奧爾科夫斯基公式，從理論上證明了利用多級(jí)火箭可以進(jìn)入太空。后來(lái)的事情大家都知道，多級(jí)火箭成為了去往太空的“專屬座駕”并一直沿用到今天。

發(fā)射直播中火箭拋掉的就是組成整箭的單級(jí)火箭嗎？是，但不全是。除了單級(jí)火箭，火箭通常還要拋掉整流罩，露出它所搭載的航天器，方便航天器進(jìn)入工作軌道。

搭載了航天員的載人火箭就更復(fù)雜一些。我們以長(zhǎng)征二號(hào)F火箭為例，發(fā)射過(guò)程中，它的“高空拋物”如左圖所示。

飛船進(jìn)入軌道時(shí)，航天員開(kāi)始感受到失重的美妙，直播畫面中的紙筆開(kāi)始“放飛自我”。

火箭升空的時(shí)候會(huì)一節(jié)一節(jié)地掉下來(lái)，總的來(lái)說(shuō)主要就是為了節(jié)省能源。火箭的主要成分是外殼和推進(jìn)劑，當(dāng)推進(jìn)劑噴射出來(lái)一部分后，其體積就會(huì)變小，就不需要那么大的外殼了，將外殼脫落一部分能夠減輕火箭的重量，大大節(jié)省能源。

每種火箭分離的順序、時(shí)間、高度都是由火箭的自重以及燃料的燃燒放熱多少?zèng)Q定的，需要嚴(yán)格地計(jì)算。因此，火箭升空的壯觀場(chǎng)面和復(fù)雜原理都是中國(guó)航天科技實(shí)力的輝煌展示。

自2003年中國(guó)首次進(jìn)行載人航天飛行以來(lái)，中國(guó)載人航天發(fā)射取得了30戰(zhàn)30捷戰(zhàn)績(jī)，成為全球航天事業(yè)的新標(biāo)桿。這一成就，不僅是對(duì)中國(guó)科技人員的肯定，也充分證明了中國(guó)的科技實(shí)力。我們堅(jiān)信，在未來(lái)的航天事業(yè)中，中國(guó)必將取得更加輝煌的成就。

圖文來(lái)源：航天科普大會(huì)