火箭之所以携带90%的燃料,完全是因为火箭发动机是个笨家伙,效率实在太差了!
别看火箭又喷火又冒烟,显得很威风。实际上火箭燃料燃烧所产生的能量,大部分都被喷出去的气体动能带走了,一部分转化成了光能、热能,火箭获得的动能只是一小部分。
所以火箭发动机的比冲都不大,约在200到450秒之间。比冲,是指单位推进剂所产生的冲量,通俗讲就是每1千克燃料产生1千克推力时持续的时间。类似于汽车的百公里油耗这个概念吧,是衡量火箭能源利用效率的指标。
飞机使用的航空发动机,燃气能量浪费的少,转化效率比火箭高很多。航空发动机只负责克服空气阻力,为飞机提供水平方向的加速度。
真正克服重力抬起飞机的,是流经机翼上下表面的空气流,按照伯努利原理产生的升力。飞机是一个四两拨千斤,借力打力的家伙。
火箭发动机却是实打实的,在垂直方向上对抗重力,火箭向下喷射气体,获得反推力推动火箭上升。
按照动量守恒定律,火箭飞行过程中,喷出的气体质量乘以喷射速度等于火箭剩余的质量乘以火箭速度。由此得知,燃料重量占火箭总重量越大,喷出的气体越多,喷射速度越快,火箭剩余的质量越小,获得的速度就越快。
另外,火箭要飞出大气层,那里没有氧气参与燃烧,所以火箭还要携带大量的氧化剂助燃。我国的长征七号火箭,总重500吨,液氧加煤油就占了450吨,其他所有加起来才50吨。
所以火箭需要携带占重量90%的燃料+氧化剂,并在飞行过程中把这些燃料都喷射出去,才能让剩余的10%的质量,获得超过第一宇宙速度7900米/秒的高速度,最终克服地球引力的影响,进入太空轨道。
想想都肉疼,费尽千辛万苦,才能运送那么一点点东西。等比冲高的离子、核能、电能等新型火箭发动机成熟了,就不用携带那么多燃料了。