什么限制了火箭燃料排出的速度?

user332336 05/10/2018. 3 answers, 257 views
propulsion interstellar-travel

火箭推进力基于牛顿法则。 推进剂排出越快,火箭加速越快。

推进剂在正常火箭中驱逐的速度是多少? 限制这种速度的因素是什么? 这与适合星际旅行的车速相比如何?

谢谢

3 Answers


Tom Spilker 05/10/2018.

基于牛顿物理学,事实上如果你在c火箭的质量为1%,那么你的火箭速度大约为0.01% c ,实际上是0.010101 ... c如果你一下子把它全部向后扔(呃...... survive THAT ! ),0.01005 ... c如果你随着时间的推移逐渐消失。 但c的排气速度仅适用于无质量(静止质量,无论如何)的粒子,如光子。 具有非零静止质量的粒子在这些速度下具有特殊的相对论效应,这超出了这个讨论范围。

你的问题的核心是关于真正的“正常”发动机排气速度。 我们从实际生产的发动机获得的最快速度约为4,440 m / s,航天飞机主要引擎采用液态氧和液态氢作为推进剂,生产用作排气产品的水( https://en.wikipedia.org/ wiki / Specific_impulse )。 该速度受到产品分子量,产生它们的化学反应可获得的能量的量,产生的热能中产生的能量的多少(例如,不会因为产生的热量而损失)光),并且在较小的程度上,发动机设计的效率,特别是燃烧室和喷嘴。 当然燃烧产物也必须是气态的! 每个分子的燃烧能量越高,可以将该分子从喷嘴排出的速度越快。 由于历史原因,火箭工程师提到了具体的冲量,即排气速度除以地球表面重力加速度。 上面给出的牛/氢结合的具体冲动是〜453秒。

电动发动机可以获得更高的排气速度,20-50km / s,因此具有更高的比冲量,因为加速的离子不限于燃烧反应的能量。 他们正在加速电场。 但那是另一个讨论。


Erin Anne 05/10/2018.

喷嘴是限制排气速度的火箭的一部分。 (这也是将膨胀的推进剂的压力和温度转化为速度的部分。)

排气中的声音速度同样调节推进剂气体的膨胀。

对于使用喷嘴的火箭,排气速度可以表示为

$$ V = \ sqrt {\ frac {2 \ gamma R _ {{} ^ {\ circ}} T _ {{} ^ {\ circ}}} {(\ gamma -1)\ mu} \ left(1- \左(\ frac {P_e} {P_c} \ right){} ^ {\ frac {\ gamma -1} {\ gamma}} \ right)} $$

(从其他地方的哈希自我回答的形式;在Spaceflight的基础知识中,使用k代替$ \ gamma $和M而不是$ \ mu $。)

对排气温度$ T $的限制是由喷嘴可承受的温度所暗示的。 $ \ gamma $,$ \ mu $和$ R $与推进剂的选择有关。

正如Tom Spiker的回答,离子引擎避免了这种限制,因为它们不依赖于气体的膨胀来提供排气速度。 电磁场对电离排气流的有针对性的应用允许传递更高的速度。


David Hammen 05/10/2018.

推进剂在正常火箭中驱逐的速度是多少?

一个称为特定冲动的非常广泛使用的度量正好解决了这个问题。 化学火箭(大概这就是你所说的“正常火箭”的意思)具有从2000到4500米每秒不等的特定冲动。

限制这种速度的因素是什么?

热力学定律。

例如,氢气和氧气结合产生水,每产生一摩尔水就产生286千焦耳的能量。 如果该反应释放的能量中的每一点能量都转化为可用的动能,那么燃烧氢气和氧气的火箭将具有5630米/秒的排气速度。 这是热力学第一定律的限制。 热力学的第二定律说,如果发动机或排气不是绝对零度(他们不是),或者如果排气没有完全准直(不是),你会得到更少的结果。 我在第一个问题的答案中选择的4500米/秒的价值是氢和氧。

这与适合星际旅行的车速相比如何?

没有任何关系。 旅行者1号是由40多年前的化学火箭发射的,距离最近的恒星的距离约为1/1880。 旅行者1号最终将在距离最近的星星之后旅行 - 约74100年。

需要74100年才能到达最近的恒星,这是一个不适合星际旅行的时间框架。

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