太空還有反作用力嗎，飛船在真空中依靠什么動力，怎樣調(diào)整方向？

網(wǎng)友邀答：我一直搞不懂，沒有反作用力的真空環(huán)境中是如何利用噴氣式發(fā)動機(jī)來推動飛船或者宇航員的？基于這個問題，回答如下：

這位網(wǎng)友一直沒搞清什么叫反作用力，所以才會一直搞不懂。什么叫“反作用力”？在力學(xué)中，很難找到真正的“反作用力”標(biāo)準(zhǔn)定義，一般只用牛頓第三定律來描述，即：兩個物體之間的作用力和反作用力總是同時存在，大小相等，方向相反，我們把其中的任意一個力叫做作用力，那么另一個力就叫做反作用力。

這個論斷里面包含三層意思：一是任何力都是成對出現(xiàn)；二是這種成對出現(xiàn)的力大小相等；三是這種成對的力方向相反，且在一條直線上。而且從這個表述里，作用力與“反作用力”與空氣無關(guān)。因此真空環(huán)境沒有反作用力是一個毫無道理的錯誤認(rèn)知。

在地面，人們推動一只箱子，箱子會向前移動，這就是這個人加諸到這只箱子上的作用力，但這個作用力產(chǎn)生了一個“反作用力”，“反作用力”本來會導(dǎo)致這個人向箱子相反方向直線移動，但由于這人的腳丫子蹬在地面上，而手會感到疼痛或酸麻，這就是反作用力施加到了人體和地面上。因?yàn)檫@個“反作用力”與作用力發(fā)生在一條直線上，所以如果這個人筆直站著是推不動箱子的，直線“反作用力”會把這個人往后推倒，因此這個人需要弓著腰，斜蹬這地面，以支撐抵消來自“反作用力”的直線推力。

火箭、炮彈、子彈向前運(yùn)動，炮和槍都會產(chǎn)生后坐力，火箭向后噴射的高速氣流產(chǎn)生推力，都是反作用力的體現(xiàn)。還有劃船向后劃水，走路腳掌落地摩擦向后蹬腿，都是反作用力推動船和人向前。

太空中，反作用力并沒有改變。反作用力在地球上，由于受到空氣阻力和地球重力的影響，表現(xiàn)出很復(fù)雜的狀態(tài)。而在太空中，沒有了空氣阻力和重力，因此反作用力不但沒有減少，反而更明顯規(guī)范了。

飛船向后噴氣，是對后方產(chǎn)生了一個作用力，飛船在沒有重力和空氣阻力的情況下，怎么來抵消向后噴氣這個力呢？于是只有向前飛馳，成直線的與向后噴氣速度成正比速度前進(jìn)。

前面說了，力有三個特點(diǎn)，就是成對出現(xiàn)，大小相等，一正一反，在一條直線上。因此飛船在太空正是遵循著三個原則使用力。當(dāng)向前行駛時，就向后方噴射氣流；當(dāng)需要調(diào)整航向時，就會啟動飛船調(diào)姿發(fā)動機(jī)，調(diào)整飛船姿態(tài)；當(dāng)要剎車時，就向前面噴射氣流。

理論認(rèn)為，作用力和反作用力還是有主次之分的，施力方是主動的，因此其施出的力叫作用力，而被施力方對作用力的“反抗”作用，是被動的，因此叫做“反作用力”。我們在科學(xué)教育影視中，看到火箭或探測器、衛(wèi)星、飛船向后噴氣，有時候旁邊還時不時噴射出霧狀氣流，這些噴出的高壓氣體就是作用力，而“反作用力”則導(dǎo)致飛船向作用力反方向直線移動。

宇航員身穿宇航服在艙外活動時，為了移動位置，就利用宇航服中自帶的高壓氣體，向外噴射氣流，然后“反作用力”導(dǎo)致自己向反方向飄去。

火箭發(fā)動機(jī)與航空發(fā)動機(jī)的根本區(qū)別。太空中，沒有空氣和氧氣，一般處于高度真空狀態(tài)。因此火箭發(fā)動機(jī)與航空發(fā)動機(jī)最大的區(qū)別就是對外界空氣的依賴與否。

飛機(jī)都在大氣層里飛行，而且主要是在對流層空氣密度較大的空間飛行，因此現(xiàn)代航空噴氣發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)時，燃燒室和整個機(jī)動原理都是依靠空氣來考量的，燃料是依靠空氣中的氧來助燃的，這種發(fā)動機(jī)飛行高度是有嚴(yán)格限制的，只能在對流層空氣密度較大的空間飛行，到了空氣很稀薄的高空，就無法運(yùn)行了，更不能飛出大氣層。

而航天都是用火箭發(fā)動機(jī)?；鸺l(fā)動機(jī)雖然也是噴氣發(fā)動機(jī)，但不依賴外界空氣，而是自帶的推進(jìn)劑，能在火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)化為工質(zhì)，形成高速射流排出，產(chǎn)生動能推力。關(guān)鍵是這種燃料不需要外界氧氣助燃，因?yàn)槔锩婧醒趸瘎┗蛘咂渌幕瘜W(xué)物質(zhì)，可以在無氧封閉的空間燃燒或者反應(yīng)，產(chǎn)生大量的高壓氣體。

因此，火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)時整個都是考慮在真空環(huán)境如何產(chǎn)生動能的?；鸺l(fā)動機(jī)有內(nèi)燃形式，也有非燃燒形式。也就是說噴射出的高速氣流有高溫的，也有冷的高壓惰性氣體。

航天器除了主推力發(fā)動機(jī)，還有姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)。我們看到影視作品中，向后噴射著火焰或耀眼光芒的，是主火箭發(fā)動機(jī)，主要用于推動火箭達(dá)到某種速度，向前飛馳的；而姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)，則并非用于推動火箭前行，主要是調(diào)整飛行器指向，起到方向盤和剎車作用。其主要工作方式是向外噴射高速氣流，從而達(dá)到航天器向相反方向做出調(diào)整。

通過姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)，航天器可以達(dá)到速度修正、軌道修正、位置保持、推進(jìn)劑沉底等目的。有時候，調(diào)姿發(fā)動機(jī)也用到主推發(fā)動機(jī)的輔助作用。

這種發(fā)動機(jī)由增壓系統(tǒng)、推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)、貯箱、不同推力的推力室組成，可隨時啟動，并以脈沖方式工作，最小脈沖間隔可達(dá)幾個毫秒，工作壽命可達(dá)10年以上，反復(fù)啟動可達(dá)數(shù)十萬次。在一艘火箭或航天器上，會根據(jù)需要部署數(shù)個甚至數(shù)十個姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)，這些發(fā)動機(jī)非常重要，稍有差池，火箭發(fā)射就會失敗，航天器就會不知所蹤。

這里將阿波羅載人飛船登月艙的一些數(shù)據(jù)引用如下，大家可以了解一火箭發(fā)動機(jī)的配置情況：

上升級

乘員: 2人

成員艙容積: 6.65 m3 (235 ft3)

高：3.76米

直徑：4.2米

最大燃料裝載量: 4,670千克

艙內(nèi)氣氛：100%氧氣250毫米汞柱(33 kPa)

供水：2個19.3公斤(42.5磅)水罐

冷卻劑： 11.3公斤(25磅)乙二醇乙酸脂/水溶液

反作用力控制系統(tǒng)推進(jìn)劑量：287公斤(633磅)

反作用力控制系統(tǒng)推進(jìn)器：16個推進(jìn)器，4套，每套4個，每個提供445N推力

反作用力控制系統(tǒng)推進(jìn)劑： N2O4/UDMH（四氧化二氮/不對稱二甲肼）

反作用力控制系統(tǒng)比沖量： 2.84 kN·s/kg

上升級推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑量：2353公斤(5187磅)

上升級推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)器： 15.6kN (3,500 lbf)

上升級推進(jìn)劑：N2O4/航空肼50 (不對稱二甲肼/聯(lián)氨)

APS pressurant： 2個2.9公斤氦氣罐，罐壓21MPa

發(fā)動機(jī)比沖: 3.05 kN·s/kg

推重比: 0.34 lbf/lb (3.3 N/kg)

Ascent stage delta V: 2,220 m/s (7,280 ft/s)

電池: 2套296 A·h銀鋅電池

電源: 28V直流電, 115V 400Hz交流電

下降級

高：3.2米

直徑：4.2米

支撐腿跨度: 9.4 m (30.8 ft)

最大燃料裝載量: 10,334 kg (22,783 lb)

供水: 1個151公斤水罐

供電: 2套296 A·h銀鋅電池(次系統(tǒng))

推進(jìn)劑量: 8,165 kg (18,000 lb)

下降級推進(jìn)系統(tǒng)推力: 可調(diào)范圍為45.04 kN (10,125 lbf)～4.56 kN (1025 lbf)

下降級推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑: N2O4/航空肼50 (不對稱二甲肼/聯(lián)氨)

DPS pressurant: 1個22 kg超臨界氦罐，罐壓10.72 kPa.

發(fā)動機(jī)比沖: 3050 N·s/kg

Descent stage delta V: 2,470 m/s (8,100 ft/s)

電池: 4套400 A·h銀鋅電池

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