怎样对小朋友讲述火箭原理?

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怎样对小朋友讲述火箭原理?

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很多人小时候都对飞机、火箭这样的东西觉得惊讶和着迷。我就是一个例子,小学时第一次在新闻里看到F-14战斗机的时候,虽然那时候也没有什么美学的概念,但是看到它觉得好漂亮啊,这东西还能飞起来,太神奇了。

再后来又在什么节目里看到了航天飞机的发射,再次被震惊了,这么大的一件东西就拔地而起。

然后我就一直保持着对航空航天的极高热情,在中学物理课上,如果遇到一道题是关于飞机或者火箭的,就会兴奋起来。最后大学也学了喜欢的专业,有时候上课简直幸福的都要晕过去了。有些特别感兴趣的课,期末在复习的时候,一页页地翻讲义,就像在看一本引人入胜的小说,非常投入,一点都没有觉得精力被消耗。

题主能为了给自己的小朋友讲明白火箭原理,来上知乎提问,太可贵了。希望这个回答没有太晚。下面进入正题。

虽然都叫飞行,但是火箭垂直飞行,且没有机翼,和飞机比毫无共同点。相比飞机,火箭的飞行更简单一点。在起飞时,发动机喷出气体产生推力,当推力超过火箭自身重力时,它就脱离地球引力起飞了。

喷出气体产生推力这原理跟气球吹鼓了一撒手就乱飞是完全一样的道理。可以给小朋友做个这东西。

当然运载火箭的发动机比吹气球复杂太多了,因为它有化学反应,或者说燃烧。火箭发动机燃料组合有很多种,但是极其粗略且粗暴地分成两种,也就是固体燃料和液体燃料。

其中最简单的是固体燃料火箭。顾名思义,燃料是固体的,把混合的燃料和氧化剂以及铝粉和粘合剂混合填到火箭箭体里。然后点火燃烧,固体火箭几乎没有活动部件,跟炮仗原理差不多。优势是可以长久储存,发射时不需要加注燃料,且推力较大。坏处是,因为跟炮仗似的,工程师对发动机的控制手段很少,以及固体火箭的比冲(火箭的一个核心性能指标)较低。

液体火箭就是把固体火箭的优缺点正好反过来。

上面是航天飞机主发动机SSME和欧洲主力运载火箭阿丽亚娜5号发动机火神2的管线图。有没有觉得比固体火箭复杂多了。

既然是燃料是液体的,就需要储存罐。

对于火箭来说,轻量化极其重要,燃料罐不能弄得像家用煤气罐似的傻大笨粗。所以火箭添加的液氧、液氢、液态甲烷等燃料和氧化剂都是超低温加注。所以这时候会看到火箭冒白烟(雾),原理和夏天开超市冰柜门冒白雾一个道理。

液体火箭发动机有多种不同的循环,有的复杂有的简单。但是总体上来说,越复杂的性能越强。总体上原理都一样,用一小部分燃料和氧化剂燃烧产生的燃气推动涡轮,涡轮驱动泵体。泵把燃料和氧化剂从储存罐抽出来并且疯狂加压,然后注入主燃烧室参与燃烧。

高热的燃气从主燃烧室进入喷嘴,在这里被加速至数倍音速,喷出产生推力,推进原理再次和吹鼓了气球一撒手完全一样。

除了化学火箭以外,还有离子推进器,但是对于小朋友来说,需要的物理学基础可能就太多了,可以上初高中以后再介绍。

大朋友可以看下面几个详细介绍的回答和文章:

火箭固态发动机的工作原理是怎样的?为什么已经有了高性能的氢氧火箭,人类还要开发甲烷火箭?卢西:从科幻走进现实的发动机——离子推进器

火箭不像飞机有那么多和那么大的控制舵面,甚至光溜溜啥也没有。所以它的姿态控制主要是靠发动机喷嘴方向调节。

这个原理也很容易体验,让小朋友用一根手指顶着一根棍子保持它别掉下来。

这些都是发射初期,当火箭飞到一定高度后就横着飞了。靠自己速度产生的离心力对抗或者脱离地球引力,保持或者增加高度。这时候推力就不一定要超过自身重要(通常也不会超过)。

当一级火箭燃料耗尽就会脱离,二级(或者是上层级,取决于火箭一共有几级)点火开始推进工作。当火箭把卫星送入轨道,卫星脱离开始独立工作,火箭任务结束,造了那么久的火箭其实就工作了没几分钟。

模拟火箭发射也可以拿一个塑料瓶里面加一些水之后打气,因为水的密度远高于空气,喷水制造的推力远高于吹气球一撒手,火箭也就可以飞得更高,就像这样。

但是还有一个能满足小朋友对火箭好奇同时锻炼动手能力的选择。获得中国航天文创官方授权的森宝航天系列积木。

我想法里要带货链接的同学看下面

我在收到长征一号火箭加发射架模型以后,两天之内花了几个小时拼完,这是我最近一段时间最平静和专注的几个小时。模型把火箭内部结构充分地还原,三级火箭,燃料罐和氧化罐,整流罩等等都非常精致。

发射架还可以动,抱紧/放开火箭。火箭不仅有内部结构,而且摆的时候还可以拆掉一部分外壳露出内构,非常漂亮。

长征一号虽然尺寸不大,性能放在今天也不够看。但是这是中国第一个火箭,长征系列运载火箭的始祖,中国第一个人造卫星——东方红就是由它送入太空的,可以说是中国航天开始的地方。

而这颗卫星,在被包括在长征一号这套模型中了。

第一天我拼它拼到了凌晨两点,舍不得睡觉,第二天六点半醒来想起还有火箭模型可以拼,就立刻起床开工,完工以后非常喜欢。把它摆在了客厅,在客厅时,经常走过去摆弄几下。

题主如果给小朋友买一套森宝积木航天模型,可能比我还要更激动。



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