瀚海狼山:火箭的真空推力和海平面推力有什么区别?

2020-01-16 10:49:19   




现代大火箭仍然是目前让人类本身和人类需要的物资脱离地球引力,实现外太空飞行的唯一办法。虽然电磁长轨道弹射理论上也可以直接让大型物体入轨,不过目前还没到了普遍实用化的程度。也许是暂时作为秘密项目不对外公开。因此大型运载火箭的地位仍然不可动摇。瀚海狼山(匈奴狼山)在以前的推文中也讲过现代火箭燃烧做功的过程,液体大火箭的发动机部分,其实只占整个火箭总重的很小一部分。大部分重量都在燃料箱和氧化剂储箱以及火箭的外壳上。而液体火箭发动机中,涡轮泵和喷嘴又占了发动机重量的大部分,真正作为燃烧室的体积和重量占比都很小。液体大火箭的燃烧室和喷嘴,就像下部锯掉底的两节葫芦。上层两头都通的就是燃烧室,而底下开大口的就是喷嘴了。液体火箭的燃料和,
氧化剂在燃烧室内剧烈的燃烧,产生高温高压。而燃烧室向下的喉部又急剧的缩小了口径,因此会让喷出的燃气达到超过音速10倍以上的高速。实际上液体火箭喷出燃烧室的燃气的化学反应还没有彻底完成。在下面的喷嘴中,仍然会加速燃烧反应。有些液体大火箭甚至会在喷嘴的外壳上,再增加一些燃料供应的环绕管道。为喷嘴再注入一定的燃料加速燃烧。这很像喷气飞机发动机尾部直接喷油助燃的后燃器。理论上讲,如果把这个向下的喷嘴做的无限大。那么火箭携带的燃料和氧化剂才能越充分的反应完毕,把化学反应的热能全部转化为燃气膨胀反推获得推力动能。但是实际上却无法把喷嘴做的无限大。因为喷嘴做的越大,火箭发动机自身的重量就越大。火箭起飞时,都要求火箭工作发动机的总推力要大于



全部火箭加有效载荷物的自重,也就是专业上讲的推重比大于1。这样火箭才能快速垂直上升,达到进快脱离地球引力的目的。这样喷嘴就不能做的太大太重,尽量减少1级火箭的自重。而且火箭起飞时,还有一个问题,就是地面都是有大气压力的。一般默认在海平面零米。大约20摄氏度的大气压力值是一个大气压。而火箭说到底,也是靠燃气对外喷射做功的一种吹气装置。地面火箭的燃烧室内部的压力首先要大于一个大气压,才可能克服大气压力对外喷气产生推力。随着火箭越飞越高,到了150公里以上的高空。大气压力会无限趋近于0,也就是逐步进入真空状态。这种失去大气压力限制的火箭的喷气做功,效率其实是会提升的。也就是同样一台火箭发动机。在真空中的推力一般大于在海平面高度的推力。而且火箭飞到了150公里高度以上,也可以凭借惯性。



让持续工作的火箭发动机的推力暂时小于二级火箭和有效载荷物全部加起来的自重,也就是推重比可以稍微小于1。此时的二级火箭的发动机,可以靠长比冲把有效载荷最终送入轨道。150公里以上高空基本已经没有明显的大气压。此时可以把二级或者上面级的火箭的喷嘴做的相对比较大。最大限度的利用燃料燃烧产生的热能转化成推力。