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火箭燃料|其实童年的你离造出火箭只有亿点点距离( 四 )

火箭燃料


更加行之有效的办法 ， 当然是提高比冲 。 这就涉及到了具体的发动机设计 ， 或者说怎么扔掉工质 。
03
化学推：看我大力出奇迹
那么问题来了 ， 工质应该怎么扔？
如果像我们手扔东西一样 ， 推力肯定不够 。 真正的火箭发动机 ， 要比这强大得多才行 。 最经典的发动机利用的是化学推进 ， 靠化学反应释放的能量来扔工质 。 和汽车烧油的概念略有不同 ， 这里火箭的燃料有“双重身份”：一方面是提供能量去推动工质的燃料 ， 另一方面 ， 化学反应产生的气体 ， 正好就是被推出去、从而提供反作用力的工质 。

火箭燃料|其实童年的你离造出火箭只有亿点点距离
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燃烧产生的气体受热之后 ， 经过精心设计的燃烧室和喷管跑出来 ， 就是我们看到的长长长长的尾焰 。

火箭燃料|其实童年的你离造出火箭只有亿点点距离
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尾焰示意图 。 来源：360doc.com
一般的化学推进火箭喷口速率可以达到2km/s ? 5km/s ， 也就是说比冲是200s ? 500s 。 这样大的比冲是什么概念呢？我们知道第一宇宙速度是7.9km/s ， 但实际上想要入轨的话 ， 还要考虑大气阻力以及轨道高度等等——可以假定Δv要达到9km/s 。 如果喷口速度取4km/s（比冲为400s） ， 按照齐奥尔科夫斯基公式 ， 很容易算出m0/mf= 9.5 。 也就是说 ， 在这个比冲下 ， 为了送1吨货物上天 ， 你需要至少9.5-1=8.5吨燃料……但是这还没完 ， 燃料罐和发动机等的质量也不小 ， 如果我们留1/10的火箭质量（除货物以外）给这些死重 ， 那么初始质量和末质量分别是：
m0=m货物+m火箭
mf=m货物+0.1m火箭
再由m0/mf= 9.5 ， 可以算出m火箭/m货物=170 。 折腾半天 ， 居然只有0.6%的质量是我们真正想要送上天的货物……
（火箭：带货真不容易啊）
好在实际上有一种技巧叫做分级 ， 可以让这个数字不那么夸张 。 简单地说 ， 就是飞一飞 ， 把用完的空燃料罐都扔掉 。 另外 ， 火箭是越飞越轻的 ， 刚起飞的时候需要好大的推力 ， 但是飞一飞轻了 ， 按一般的发射程序也不一定需要推力高于重力了 ， 因此需要的推力小了 ， 还可以扔掉几个发动机 。 扔掉它们一般来说不会贡献多少Δv ， 但是可以避免你把剩下的燃料浪费在这些没用的质量上 。
虽说化学推的比冲看起来有点可怜 ， 但它推力（Rve ， 其中质量流R较大）很大 ， 便宜可靠（相比而言） ， 可以轻松地带着上千吨的火箭腾空而起 。 而入轨之后 ， 并不经常需要用到发动机 ， 做变轨或者维护轨道的时候开一开就可以了 ， 因此还是很好用的 。

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